Země jako dynamické těleso Martin Dlask, MFF UK
Úvod aneb o čem to dnes bude
Povíme si: - Kdy a jak vznikla Země. - Jak Země vypadá a z čeho se skládá. - Jak můžeme zemi zkoumat. - Jak se v zemi šíří teplo. - Jak funguje magnetické pole Země.
Kapitola 1. Vznik Země
1.1. Vznik
- Před 4,6 miliardami let vzniklo Slunce z mračna plynů. - Před 4,5 vznik zárodku Země. - Počáteční Země nemá vlastní strukturu. - Je tvořena velice horkými horninami. - Dochází k diferenciaci Země.
Newtonův gravitační zákon:
Zrození hvězdy (http://www.bhmpics.com)
1.2. Tvar Země Zvídavá otázka: Proč je Země kulatá? Krychle
Kapsle
Odpověď: Protože gravitační síla je silou sféricky symetrickou. Tedy působí do všech stran stejně. Pozor Země není kulatá! Jde o takzvaný geoid. Poznámka: Geoid je těleso, které je definováno, jako útvar vznikl oddělením atmosféry od střední klidové hladiny moří a oceánů
Kapitola 2. Struktura Země aneb na čem to stojíme?
2.1. Struktura Země: jádro Pevné vnitřní jádro: - Tvořené železem a niklem (8 %) - Teplota: přes 5 000 K - Hustota: 14 000 kg/m3 - Poloměr: 1 300 km Tekuté vnější jádro: - Tvořené železem a niklem s příměsí síry (do 10 %) - Teplota: 3 500-5 000 K - Hustota: 11 000 kg/m3 - V hloubce: od 5 000 km do 2 900 km pod povrchem Zvídavá otázka: Proč je jádro tekuté, když železo taje při teplotě 1 800 K? Odpověď: Odhaduje se, že v Zemském jádře je tlak 1 400 000 Atmosfér! Teplota tání závisí na tlaku. U kovů s rostoucím tlakem teplota tání roste.
2.2. Struktura Země: plášt
Spodní zemský plášť: - Složení: magnesium, kyslík, křemík, železo - Průměrná hustota: 5 000 kg/m3 - V hloubce od 2 900 km do 660 km Svrchní zemský plášť: - Složení: magnesium, kyslík, křemík, železo - Průměrná hustota: 3 300 kg/m3 - V hloubce: od 660 km do 70 km Další dělení: litosféra, astenosféra
2.3. Struktura Země: litosféra
- Litosféra je rozdělena na litosférické desky, které se vůči sobě pohybují. - Skládá se ze 7 velkých desek a 12 menších. - Tloušta litosféry je přibližně 70-100 km.
2.4. Struktura Země: kůra
Oceánská kůra: - tloušťka 5-10 km. - zabírá přibližně 70 % povrchu Země. - složení: čedič. Pevninská kůra: - tloušťka: 30-70 km. - zabírá přibližně 30 % povrchu Země. - složení: čedič a žula. Průměrná hustota zemské kůry činí 2 800 𝐤𝐠/𝒎𝟑 .
Zvídavá otázka:
Jak jsme zjistili strukturu Země?
Kapitola 3. Vlny aneb co se to třese?
3.1. Co je to mechanická vlna? Mechanické vlnění: Děj při, kterém se deformace šíří prostředím pomocí vazebných sil mezi molekulami. Základní vlastnosti mechanických vln: Mechanická vlna na vodě Fermatův princip: Vlny procházející prostředím se šíří po takové dráze, která odpovídá nejkratšímu možnému času průchodu vlny daným prostředím. Huygenesův princip: Každý bod na čele vlny lze v každém čase považovat za elementární zdroj nového vlnění. Výslednou vlnoplochou je obálka elementárních vlnoploch ve směru šíření. Princip superpozice: Jednotlivé mechanické vlny se v prostoru šíří nezávisle. Výsledná mechanická vlna je součtem dílčích vln, které se skládají.
Poznámka: Mechanické vlny šířící se v Zemi se nazývají seismické vlny.
3.3. Primární vlny (P-vlny)
- podélné (longitudinální) vlnění - tvořeno částicemi kmitajícími ve směru šíření vlnění - šíří se ve všech skupenstvích - jde o nejrychlejší typ vlnění
3.4. Sekundární vlny (S-vlny)
- příčné (transverzální) vlnění - tvořeno částicemi kmitajícími kolmo ke směru šíření vlny - šíří se pouze v pevných látkách
3.5. Povrchové vlny - Veškeré vlny na povrchu jsou příčné vlny - Loveovy vlny: Hornina kmitá v horizontální rovině kolmé ke směru postupu vlny - Rayleighovy vlny: Hornina kmitá ve vertikální rovině kolmé ke směru postupu vlny
(whs.moodledo.co.uk)
3.6. Zemětřesení a vlny
Důsledky zemětřesení (www.flicker.com)
Kapitola 4. Přenos tepla
4.1. Teplo a teplota
Teplo:
Část vnitřní energie systému, kterou si systém vymění s jiným systémem bez konání práce. Teplota: Fyzikální veličina charakterizující stav látky. Její velikost závisí na kinetické energii neuspořádaného pohybu částic v látce.
𝐸𝑘 =
1 𝑚 𝑣2 2
4.2. Vedení tepla
Vedení tepla neboli kondukce - Jednotlivé vrstvy částic reagují pouze jedna s druhou. - Při vedení tepla nedochází k přesunu hmoty.
Přenos tepla v drátu
4.3. Proudění tepla Proudění neboli konvekce - Částice se pohybují v jednom privilegovaném směru a strhávají sebou ostatní. - Při proudění tepla dochází k přenosu hmoty.
Ohřev vody
Proudění Vedení
Proudění tepla v zemském plášti (www.wikipedia.org)
Ohřívač
4.4. Přenos tepla zářením
- Každé těleso si vyměňuje s okolím energie pomocí záření.
4.5. Rozdělení teplot v Zemi
Teplota zemského jádra: 5 000 K Teplota spodního pláště: 1 900-3 500 K Teplota svrchního pláště: 700-1 900 K Teplota zemského povrchu: 273 K
Rozdělení teplot v zemi (W.Lowrrie, Fundamentals of Geophysics, Cambridge University Press, Camprige, 2007)
4.6. Uplatnění přenosu tepla Uplatnění vedení tepla - Přenos tepla v litosféře.
Uplatnění proudění tepla - Proudění hornin na dlouhých časových škálách. - Proudění tepla ve vnějším jádře a vznik geomagnetického pole. - Vznik hotspotů. - Pohyb litosférických desek. Uplatnění záření - Ohřev Země Sluncem. - Ohřev Země díky radioaktivním rozpadům prvků v Zemi.
Kapitola 5. Magnetické pole Země
5.1. Magnetické pole Zěmě
Vnitřní magnetické pole -Vznik ve vnějším jádře. (tvoří 99 % mag. pole Země) Vnější magnetické pole -Vznik v atmosféře (hlavně ionosféra)
Simulace tvaru magnetického pole země (www.astro.cz)
5.2. Vznik vnitřního magnetického pole Země
- Vlivem proudění tepla ve vnejším jádře docházi k vzniku elektrických proudů, které jsou zdrojem vzniku vnitřího geomagnetického pole. - Proces udržovaní geomagnetického pole se nazývá dynamo efekt. (případně hydrodynamo efekt)
Geomagnetické pole Země (www.abc.net.au)
5.3. Chování magnetické pole Země
- Z 90 % má dipólový character. - Existují dominantní magnetické poly jejihž poloha je velice blízská geografickým pólům Země. - Velikost magnetického pole se v čase mění. - Síla magnetického pole na povrchu Země je mezi 25-65 µT. - Dochází k nepravidelnému přepólování magnetického pole.
5.4. Důležitost magnetického pole Země - Magnetické pole Země vytváří štít proti nabitým částicím a nebezpečnému mikrovlnnému záření ze Slunce.
Polární záře nad finskem (www.esa.it)
Literatura http://www.aldebaran.cz http://en.wikipedia.org/wiki/Mantle(geology)
http://cs.wikipedia.org/wiki/Zemské jádro http://en.wikipedia.org/wiki/Crust (geology) http://en.wikipedia.org/wiki/Heat http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature
Dziewonski, A.M, Anderson, D.L., Preliminary reference Earth model, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25, 297-356, 1981. Fowler, C.M.R. The Solid Earth. Introduction to Global Geophysics, Cambridge University Press, 1990. Cambridge Lowrrie W., Fundamentals of Geophysics, Cambridge University Press, Camprige, 2007 Van der Valk, T., The Dynamic Earth, Univerzity of Utrecht, Netherlands, 2007
Děkuji za pozornost
