Heading

Co to jest izostaza?

LEE Boon-ying

Co to jest izostaza?

Modele izostaz zostały zaproponowane ponad sto lat temu w celu wyjaśnienia nietypowych pomiarów grawitacji (czym jest grawitacja? jak się ją mierzy?) dokonywanych w różnych częściach Ziemi. Koncepcja izostaz polega na tym, że góry są kompensowane przez masy o mniejszej gęstości pod górami, podczas gdy oceany są kompensowane przez masy o większej gęstości pod wodą.

Patrząc w ten sposób, izostaza jest po prostu oparta na zasadzie Archimedesa — zanurzony obiekt doświadcza siły wyporu równej ciężarowi wypartego płynu.

Co to są niezwykłe pomiary grawitacyjne?

Niezwykłe pomiary grawitacyjne wspomniane powyżej są zwykle określane jako „anomalie grawitacyjne”. Mówiąc prościej, jest to różnica pomiędzy pomiarem grawitacji (skorygowanym o różne czynniki) a wartością teoretyczną.

Rysunek 1 pokazuje wykresy anomalii grawitacyjnych odpowiednio nad grzbietem śródatlantyckim, Alpami Europejskimi i marginesami kontynentalnymi południowo-wschodniej Australii. Uderzająco, wykresy te wskazują, że nad oceanami anomalia jest silnie dodatnia, zwiększając swoją wielkość wraz z głębokością, podczas gdy nad wysoko położonym terenem staje się wyraźnie ujemna.

Jakie są modele izostazji?

Istnieje kilka modeli opartych na różnych założeniach dotyczących kompensacji wspomnianej w pierwszym pytaniu powyżej. Dwa najczęściej wymieniane modele to:-

1. Model Airy’ego – skorupa ziemska ma zmienną grubość, ale stałą gęstość i jest grubsza pod wzniesieniami niż pod depresjami takimi jak oceany. Głębokość leżących pod nią „korzeni” jest związana z wysokością leżącej nad nią topografii.
2. Model Pratta – skorupa ma zmienną gęstość, ale jej podstawa znajduje się na stałej głębokości poniżej poziomu morza. Wysokość topograficzna jest związana z gęstością skorupy w tym punkcie.

Na rysunku 2 przedstawiono schematy obu modeli.

Pomimo, że oba modele oparte są na założeniach, które nie są zbyt realistyczne, opisują zadziwiająco dobrze grawitację obserwowaną nad regionami o zmiennym ukształtowaniu terenu, co wskazuje, że koncepcja izostaz jest przestrzegana na znacznej części świata.

Czy Himalaje są w stanie równowagi izostatycznej?

Nie. Izostaza może wyjaśnić tylko część wypiętrzania się Himalajów. Naukowcy wciąż się nad tym zastanawiają. Niektórzy proponują, że Himalaje są stale wypychane na coraz większe wysokości przez ruch płyty indyjskiej w kierunku północnym (zobacz tutaj).

Jakie są izostatyczne efekty sedymentacji i erozji?

Gdy występuje sedymentacja, ciężar osadu może powodować zapadanie się skorupy poniżej. Podobnie tam, gdzie występuje erozja, skorupa może się odbić.

Podobnie, gdy tworzą się pokrywy lodowe, skorupa może się zapadać. I odwrotnie, kiedy się topią, skorupa może się odbić, jak to ma miejsce w rejonie Morza Bałtyckiego i Zatoki Hudsona w Kanadzie. W szczególności Skandynawia i Szkocja znajdowały się pod ponad 300-metrową warstwą lodu podczas epok lodowcowych, a wypiętrzanie jest najszybsze w północnej części Bałtyku, gdzie nadal zachodzi w tempie około metra na wiek, czyli mniej więcej jednego centymetra rocznie. Jak na huśtawce, przy mniejszym obciążeniu lodem po drugiej stronie masywu, południowy Bałtyk i południowa Anglia teraz toną.

Co to jest grawitacja?

Obiekty przyciągają się wzajemnie, na przykład przyciąganie między Słońcem a Ziemią oraz między Ziemią a obiektem na powierzchni Ziemi. Na powierzchni Ziemi działa jeszcze jedna siła, siła odśrodkowa, która wynika z ruchu obrotowego Ziemi w ciągu dnia. Grawitacja jest połączonym efektem działania sił przyciągania (które nazywamy grawitacją) i siły odśrodkowej.

Wielu z nas wie, że przyspieszenie spowodowane grawitacją Ziemi, g, wynosi około 9,8 m/s2. Zmienia się ono w zależności od szerokości geograficznej i wysokości nad poziomem morza. Dla przykładu, wspomniana wyżej siła odśrodkowa osiąga maksimum na równiku, działa w przeciwnym kierunku i stanowi około 1/3 przyciągania grawitacyjnego. Ponadto, g zmienia się wraz z wysokością w tempie około 3.1 x 10-6/s2.

Grawitacja różni się również w zależności od miejsca na powierzchni Ziemi, odzwierciedlając nierównomierne rozmieszczenie masy w skorupie ziemskiej i płaszczu. Istnieją również niewielkie krótkotrwałe zmiany spowodowane zmiennym przyciąganiem Słońca i Księżyca.

Jak mierzy się grawitację?

Grawitację można zmierzyć za pomocą wahadła, ponieważ okres wahadła zależy tylko od jego długości i od siły grawitacji. Grawitacja jest więc pomiarem przedziału czasu i długości — okresu wahadła i jego długości efektywnej. Istnieją też inne, mniej popularne metody, np. pomiar czasu spadającego obiektu.

Powyżej mowa jest o bezwzględnym pomiarze grawitacji. Grawitacja może być również mierzona w sposób względny za pomocą grawimetrów, w których ciężar jest zawieszony na zwiniętej sprężynie, której długość zmienia się proporcjonalnie do zmiany grawitacji. Chociaż mierzą one tylko zmiany siły ciężkości, grawimetry są bardziej czułe na małe zmiany, a także prostsze i szybsze w obsłudze. Z tego powodu większość pomiarów grawitacji wykonuje się przy użyciu grawimetrów mierzących siłę ciężkości względem stacji bazowej, w której zmierzono siłę ciężkości bezwzględnej. W porównaniu z aparaturą wahadłową, grawimetry są o 3 lub 4 rzędy wielkości bardziej precyzyjne.

Grawitacja jest obecnie rutynowo mierzona na pokładzie sztucznych satelitów. Po prostu, jak satelita przechodzi nad anomalią grawitacyjną jest przyspieszany / opóźniany na swojej orbicie. Podczas gdy anomalia sama w sobie może być stosunkowo niewielka, skumulowane przyspieszenie / opóźnienie satelity podczas kolejnych przejść staje się mierzalne.