Фи́зика твёрдой Земли́ — раздел геофизики и наук о Земле, изучающий физические свойства, внутреннюю структуру, состав и глобальные динамические процессы в твёрдых оболочках планеты Земля (в земной коре, мантии и земном ядре). Она исключает из непосредственного рассмотрения внешние флюидные оболочки планеты (такие как атмосфера и гидросфера) и ближний космос, за исключением их прямого физического и гравитационного взаимодействия с литосферой.
Дисциплина объединяет теоретическую физику, численное моделирование, лабораторные эксперименты при сверхвысоких давлениях и температурах, а также массив полевых, скважинных и спутниковых наблюдений. Физика твёрдой Земли служит физическим фундаментом для глобальной геологии, геотектоники и геодинамики.
История развития Истоки физики твёрдой Земли восходят к Новому времени. Исаак Ньютон в труде «Математические начала натуральной философии» (1687) дал математическое объяснение приливам и прецессии земной оси, а Уильям Гильберт в книге «De Magnete» (1600) выдвинул гипотезу о том, что Земля сама представляет собой гигантский магнит.
Как самостоятельное научное направление дисциплина оформилась в XX веке в связи с созданием глобальной сети сейсмических станций. Решающую роль сыграли открытие границы Мохоровичича (1909), сейсмологическое доказательство существования ядра Земли Ричардом Олдхэмом (1906) и выделение внутреннего ядра Инге Леманн (1936).
Огромный вклад в создание теоретического аппарата физики недр в середине XX века внесли американский геофизик Фрэнсис Бёрч (автор закона Бёрча и уравнений состояния минералов) и немецко-американский исследователь Бено Гутенберг. В СССР становление школы физики твёрдой Земли связано с именами академиков О. Ю. Шмидта (космогоническая теория происхождения Земли) и В. А. Магницкого (основоположник советской школы физики недр).
Основные разделы Физика твёрдой Земли традиционно подразделяется на несколько фундаментальных разделов, соответствующих физическим полям и процессам внутри планеты:
Сейсмология и строение Земли
Изучает упругие процессы в Земле. Главным инструментом исследования недр является анализ прохождения сейсмических волн (продольных и поперечных), скорости которых зависят от упругих параметров среды (модулей сдвига и сжатия) и плотности. Это позволяет строить радиально-симметричные модели планеты (например, PREM) и фиксировать границы раздела геосфер. Современная сейсмическая томография строит трёхмерные модели мантии, выявляя температурные неоднородности.
Очаг землетрясения и сейсмичность
Исследует физические процессы разрушения горных пород в очагах землетрясений, механизмы накопления и мгновенной разрядки тектонических напряжений на разломах. Включает изучение закономерностей пространственно-временного распределения землетрясений (сейсмического режима), оценку сейсмической опасности и разработку методов прогнозирования сейсмических событий.
Гравитационное поле и фигура Земли
Изучает гравитационное поле планеты и её геометрию. Сила тяжести является основной силой, определяющей форму планеты (геоид) и стремящейся привести все неоднородности литосферы к гидростатическому равновесию (изостазия). Раздел также исследует приливные деформации твёрдой Земли под действием притяжения Луны и Солнца.
Геотермия и энергия внутренних процессов
Охватывает тепловое поле и термодинамику недр. Раздел изучает распределение температур с глубиной (геотермический градиент) и плотность поверхностного теплового потока. Энергетический баланс Земли складывается из реликтового тепла её аккреции и постоянной генерации тепла при радиоактивном распаде изотопов калия-40, урана-235, урана-238 и тория-232. Теплопроводность и мантийная конвекция определяют темпы остывания планеты и служат главным источником энергии для тектонических движений.
Магнитное поле Земли
Геомагнетизм исследует источники постоянного магнитного поля планеты и его изменения (вековые вариации). Современная теория исходит из того, что поле генерируется в результате гидромагнитной конвекции в жидком проводящем внешнем ядре (механизм геодинамо). Раздел палеомагнетизм изучает древнее магнитное поле, записанное в намагниченности горных пород, что позволяет реконструировать взаимное положение континентов в геологической истории.
См. также Геофизика Строение Земли Институт физики Земли имени О. Ю. Шмидта РАН Геодинамика
Примечания
Литература
Категория:Геофизика