Асимметрия Земли

Форма Земли отождествляется с шаром, отсюда и название «земной шар». Так он выглядит с космического корабля. Детальные исследования показали, что форма Земли уподобляется эллипсоиду вращения, трехосному эллипсоиду, геоиду, в котором южное полушарие более сжато, чем северное. Приближение фигуры Земли к сферической форме обусловлено гравитационным полем Земли, т. е. притяжением всех составляющих ее материальных частиц друг к другу. Если изолировать Землю от влияния всех внешних факторов, в том числе и гравитационного воздействия всех других космических тел, и остановить все ее движения, то под воздействием собственного гравитационного поля Земля рано или поздно приняла бы форму идеального шара.

Таким образом, приближение фигуры Земли к сферической форме отражает действие собственного гравитационного поля Земли. Приближение фигуры Земли к форме эллипсоида вращения обусловлено вращением Земли вокруг ее географической оси. Возникающие при вращении центробежные силы растягивают Землю в экваториальной плоскости. Если бы на Землю воздействовало только ее собственное гравитационное поле и единственным ее движением было вращение вокруг оси, то она имела бы форму идеального эллипсоида вращения. Таким образом, приближение фигуры Земли к форме эллипсоида вращения отражает взаимодействие собственного гравитационного поля Земли с центробежными силами, вызываемыми ее вращением. Количественное выражение отклонения земного эллипсоида от сферической формы, определяемое отношением разности экваториального и полярного радиусов Земли к экваториальному радиусу, составляющее около 1/297, выражает также относительное значение роли центробежных сил и собственного гравитационного поля Земля в формировании ее фигуры. Небольшая по отношению к среднему радиусу разность экваториального и полярного радиусов довольно значительна в ее абсолютном значении (около 21 км). Однако, в с равнение с радиусом ~ 6000 км это различие незаметно из космоса.

Полярная асимметрия Земли проявляется в неодинаковости строения и истории развития обоих полушарий. В 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что фигура Земли напоминает кардиоидальный эллипсоид с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью - на северном. Фигура Земли действительно асимметрична, северная полярная полуось на 30-100 м длиннее южной и поэтому сжатие СП меньше (фигура Земли напоминает кардиоидальный эллипсоид). Какова же фигура геоида? Если считать Землю строго фигурой вращения и учитывать только зональные отклонения от эллипсоида, то наглядно выявляется полярная асимметрия Земли. Оказывается, что над северной полярной зоной геоид возвышается над эллипсоидом на 20 – 30 м, а над южной, наоборот, лежит ниже эллипсоида на ту же величину. Это дало повод говорить о грушеобразной форме Земли. По аналогии с геоидом даже появился термин «апиоид», что значит грушеобразный. Схематическая фигура апиоида представлена на рис. 5 (конечно, здесь следует иметь в виду внемасштабность рисунка).

Если рассматривать отдельно Северное (СП) и Южное полушария (ЮП), то наибольшие полуоси экваториального сечения в СП проходят где-то в области 15 – 20° з. д. и 130 – 140° в. д., а в ЮП – от 70° з. д. к 50 – 60° в. д. Имеет место как бы скручивание геоида по часовой стрелке с севера на юг (если смотреть с Северного полюса). Величина расхождений большой и малой полуосей составляет около 150 м. Наибольшие «вздутия» геоида в Западном и Восточном полушариях не являются строго симметричными. Поэтому, следует существенно дополнить бытующее мнение, что Земля есть трехосный эллипсоид.

С учетом этой разницы вращающаяся Земля напоминает волчок, поскольку форма «верхней» части у нее отличается от формы «нижней» части; и поэтому полушария Земля несовместимы как зеркальные изображения. Однако, несмотря на свою грушевидность, если бы она не вращалась, то не было бы и асимметрии. Поднеся волчок к зеркалу, можно заметить, что он не отличается по^- форме от своего отражения. Но стоит его завертеть, и симметрия нарушается. Зеркальный близнец вертится в противоположную сторону относительно самого волчка. Если изображение перевернуть, то и в этом случае мы не получим симметрию, так как СП не совмещается с ЮП.

На поверхности вращающегося круглого небесного тела присутствуют разного рода интересные асимметричные явления, «левые» в одном полушарии и «правые» в другом. Если вы, скажем, летите на самолете в северном полушарии, направляясь прямо к Северному полюсу, то пилот все время вынужден будет вносить поправку на курс, потому что машину постоянно сносит вправо. При полете в южном полушарии, когда вы летите к Южному полюсу, будет наблюдаться отклонение влево. Это пример действия силы Кориолиса. Он заметил, что предметы, расположенные в разных точках земной поверхности, перемещаются в пространстве с разными скоростями. Если вы стоите на экваторе, то благодаря вращению Земли совершаете за сутки путешествие длиной примерно 40 000 км со средней скоростью 1600 км/час. Когда вы двигаетесь к одному из полюсов, то окружность, по которой вы вынуждены путешествовать из-за вращения Земли, становится все меньше и меньше. Поскольку полный круг замыкается каждый раз за 24 часа, скорость ваша в пространстве становится, по мере продвижения к полюсу все меньше и меньше и на полюсе она становится равной нулю. То же самое произойдет, если вы с высокой горы спуститесь на равнину, а затем в глубокую шахту. В центре земного шара ваша скорость движения при вращении Земли станет равной нулю. Асимметрия заключается в том, что в разных полушариях силы Кориолиса действуют в противоположные стороны. Широко распространено мнение, что закручивание этого водоворота происходит в разных полушариях в противоположные стороны. Обосновывают это следующим примером: представим себе прямо на Северном полюсе большой круглый бассейн с плоским дном, в центре которого имеется спускное отверстие. Выпускная труба в центре бассейна уходит вертикально в землю. Когда вода течет к отверстию, сила Кориолиса стремится завернуть ее в восточном направлении, что приводит к образованию водоворота с вращением против часовой стрелки. Образовавшись, водоворот усиливается; вполне вероятно, что вода, вытекающая из такой ванны на Северном полюсе, действительно будет стремиться образовать воронку с вращением против часовой стрелки.

На Южном полюсе картина меняется. Вода, правда, по-прежнему отклоняется на восток, но это приводит уже к образованию водоворота с закручиванием по часовой стрелке. Тенденция к образованию водоворота при спуске воды будет сильнее всего проявляться на полюсах, уменьшаясь по мере приближения к экватору, где она исчезает. В южном полушарии вода будет вытекать, закручиваясь против часовой стрелки. На экваторе вода уподобится ослу между двумя охапками сена – она не будет знать, куда закручиваться.

Если бассейн расположить не на экваторе, и он будетдостаточно велик, а вода перед открытием отверстия абсолютно неподвижна в течении длительного времени, то вращение Земли скорее всего повлияет на направление вращения водоворота. Но ванна невелика, и в действительности на водоворот влияют многие другие факторы. Сильнейшим из них является циркуляция воды в ванне при наполнении. У воды в этом отношении удивительно «длинная память»; круговой поток может сохраняться часами, когда вода внешне кажется абсолютно спокойной. Эта циркуляция при спуске воды будет поначалу определять, в какую сторону закрутится вода в стоке. Даже если дать воде «устояться» в течение нескольких дней, на направление водоворота могут оказывать влияние небольшие неровности поверхности дна и стенок бассейна, выпускной трубы и так далее.

Несмотря на это, некоторые опыты, по-видимому, показывают, что эффект силы Кориолиса можно заметить. А. Шапиро, физик из Массачусетского технологического института, проводил недавно эксперименты с круглой ванной диаметром шесть футов (1,8 м). Он обнаружил, что если воде дать возможность устояться несколько дней, а затем открыть пробку, то образуется устойчивый водоворот с вращением против часовой стрелки, который он приписал действию силы Кориолиса. Мэрвин Сибулкин в заметке «О водяной воронке» («Journal of Fluid Mechanics», сентябрь 1962 г., стр. 21–24) не смог подтвердить этого вывода, возможно потому, что пользовался слишком маленьким бассейном. Используя круглый сосуд с прозрачными стенками, сквозь которые можно было следить за плавающими в воде частичками краски, Сибулкин обнаружил, что водоворот всегда следовал за направлением циркуляции воды, возникающей в процессе наполнения сосуда, если не тратить «на успокоение» нескольких часов. А если выпускать абсолютно спокойную воду, никакого предпочтения закручиванию против часовой стрелки обнаружить не удается. К своему удивлению он обнаружил, что независимо от первоначального направления водоворота направление это таинственным образом меняется на обратное, когда воды в бассейне остается меньше чем 1,3 см. Он высказал предварительное предположение, что верхние слои воды, вытекая, закручивают нижние слои в направлении, противоположном тому, в котором вращаются сами.

Вне сомнения, именно сила Кориолиса закручивает против часовой стрелки циклоны и торнадо в северном полушарии, а в южном – в противоположную сторону. Возникает вопрос – могут ли циклоны, образовавшиеся в южном полушарии существовать в северном?

Суша в СП занимает 39% площади, а в ЮП – всего 19%. Северному Ледовитому океану СП соответствует материк Антарктида ЮП. В СП находятся наиболее приподнятые участки земной коры (щиты Балтийский и Канадский), а в ЮП на этих широтах – цепочка океанических впадин (Африкано-Антарктическая, Австрало-Антарктическая). Большая часть южных материков занята древними платформами 72-90%, значительная часть северных материков образована палеозойскими и мезозойскими горами. В СП есть пояс молодых складчатых гор (Альпийско-Гималайский), аналога ему в ЮП нет. В. И. Вернадский приводит количественный показатель, подтверждающий асимметрию планеты: общий коэффициент отношения суши и моря равен 1:2,4. Асимметричность суши и океана влечет за собой асимметричность в распределении свойств других компонентов. Из-за преобладания водной поверхности в ЮП климат ровнее, годовая амплитуда температур 6⁰, а в СП – 14⁰. Теплые течения в СП распространяются в Северный Ледовитый океан, в ЮП – не далее 35⁰ ю.ш. В ЮП Антарктида имеет мощное материковое оледенение, в СП площадь материкового оледенения мала, зато большая многолетней мерзлоты.

Различие в СП и ЮП проявляется и в распределении растительности и животных: в СП огромную площадь занимает тайга, в ЮП – аналога ей нет. В ЮП отсутствуют зоны тундры, лесотундры, лесостепи, пустынь умеренного пояса. Отдельные виды растительности встречаются только в СП (сосновые, секвойи). Отличия проявляются и в животном мире. в Антарктиде живут пингвины, в Арктике – белые медведи. В ЮП живут ламы, утконосы, ехидны, кенгуру сумчатые волки, киви, коала; в СП – двугорбые верблюды, яки. Полярная асимметрия биосферы отмечалась и в прошлые геологические эпохи. В настоящее время в ЮП обитает 17 видов пингвинов, остатки ископаемых пингвинов (22 вида) обнаружены только в ЮП.