Czechowski (1994), Tektonika płyt i konwekcja w płaszczu Ziemi.
Z uwagi na duże zróżnicowanie powierzchni Ziemi, kształt Ziemi trudny jest do obliczenia. W 1910 uznano, że kształt Ziemi najlepiej odzwierciedla elipsoida obrotowa. Był to model zaproponowany przez Johna Hayforda. Model ten przyjęto jako elipsoidę odniesienia. Elipsoida ta ma kształt nieco spłaszczonej kuli powstałej przez obrót wokół mniejszej osi elipsy. W tym modelu półoś wielka równikowa ma długość 6378,4 km, a półoś mała ma długość 6356,9 km. Przy tym modelu całkowita powierzchnia Ziemi wynosi 510 mln km2. W tym modelu na lądy przypada 148 mln km2, co stanowi około 29% powierzchni Ziemi. Pozostałe 71% pokrywają morza. Objętość kuli ziemskiej przy tym modelu wynosi 1,083 mld km3.
Jeszcze prostszą postać przybrała by Ziemia, gdyby w całości była pokryta wodami oceanu. Otrzymany w ten sposób teoretyczny kształt został nazwany geoidą.
Ciało ma pole magnetyczne, gdy elektrony przemieszczają się wokół jądra w tym samym kierunku. Pole magnetyczne Ziemi przypomina sobą pole sztabkowego magnesu umieszczonego w środku Ziemi, pod kątem 11 stopni do osi obrotu. Punkty przebicia powierzchni Ziemi przez przedłużenie tego magnesu nazwane są biegunami geomagnetycznymi. Pole magnetyczne jest wektorem posiadającym kierunek i wielkość, wyznaczanym przez igłę magnetyczną. Kąt igły z poziomem to inklinacja pola magnetycznego, a kąt igły kompasu z kierunkiem północy astronomicznej to deklinacja. Tam gdzie inklinacja pola wynosi 90 stopni, tam występuje biegun magnetyczny. Obecnie magnetyczny biegun południowy (północna igła kompasu jest przez niego przyciągana) znajduje się na półkuli północnej. Dokładnie na 79 stopniu szerokości geograficznej północnej i 105 stopniu długości zachodniej. Są to kanadyjskie wyspy Ringnessa. Z kolei magnetyczny biegun północny występuje na wybrzeżu Ziemi Adeli (65 st. S, 136 st E). Wartością wektora magnetycznego jest natężenia pola magnetycznego mierzone w jednostce A/m. Wartość pola obrazuje także wartość indukcji magnetycznej (B), w której jednostką jest Tesla. 1T = 1v*s*m2. W geofizyce stosuje się mniejszą jednostkę, nT. Najsilniejsze pole panuje na biegunie, a najsłabsze w okolicach równika magnetycznego
Pochodzenie pola magnetycznego:
Nie może być wynikiem namagnesowania wnętrza Ziemi, ponieważ wszystkie magnesy tracą swoje własności magnetyczne w temperaturze powyżej, tzw. punktu Curie. Dla magnetytu, który jest głównym źródłem namagnesowania skał, punkt Curie wynosi 580° C. Dlatego przypuszcza się, że Ziemskie pole magnetyczne jest generowane przez konwekcję płynnego metalu w obrębie jądra Ziemi oraz przez ruch jądra Ziemi względem jej płaszcza. Jest to koncepcja sformułowana przez J.I. Frankela w 1945. Wcześniej w 1915 ta sama koncepcja została zaproponowana dla słońca
Ciepło Ziemi pochodzi głównie z energii słonecznej:
40% promieniowania jest odbijane,
20% pochłaniane przez atmosferę,
40% pochłania Ziemia.
Dobowe zmiany temperatury sięgają 1 metra. Roczne zmiany temperatury sięgają kilku, a ekstremalnie kilkadziesiąt metrów.
W obserwatorium astronomicznym w Paryżu na głębokości 27,5m termometr od 1783 roku wskazuje stałą temperaturę 11, 83°C. Roczne zmiany temperatury zależą od klimatu, np. w Polsce sięgają głębokości 20 m, gdzie temperatura wynosi przeciętnie 6 do 9 stopni C. Z tego względu woda studzien głębiowych nie zamarza.
Ziemia posiada własne źródło ciepła o czym świadczy wzrost temperatury wraz z głębokością.
Ilość metrów w głąb Ziemi przy, której temperatura rośnie o 1 stopień.
Zależy od budowy geologicznej obszaru (przewodnictwa cieplnego skał, bliskości ognisk magmowych). Niski stopień oznacza szybki wzrost temperatury. Niski stopień jest obserwowany na młodych obszarach aktywnych wulkanicznie. Przykładowe stopnie to 15 w Budapeszcie, 12.5 w Krzywym Rogu , Szubinie na Kujawach 33m, Piszu (Mazury) 96 m.
Wzrost temperatury wraz z głębokością nie jest stały. Średnio wynosi 33m. Gdyby był stały we wnętrzu Ziemi byłaby temperatura 196 000 °C, co jest niemożliwe bo Ziemia musiałaby wyparować. Przyjmuje się, ze temperatura we wnętrzu Ziemi nie przekracza 6 200°C. Największy wzrost jest płytko pod powierzchnią Ziemi, potem zwalnia. Uważa się, że źródłem tak wysokiego stopnia geotermicznego w obrębie skał skorupy ziemskiej są pierwiastki promieniotwórcze, a dokładnie związane z nimi przemiany jądrowe. Największą rolę odgrywają Uran 235 i 238, Thor 232, Potas 40.
1 kg granitu produkuje 400 razy więcej ciepła niż 1 kg perydotytu. Pierwiastki o dużych promieniach jądrowych mają budowę niepasującą do innych, są słabo wbudowane w strukturę minerału i łatwiej uwalniane przy wzroście temperatury. Genezę magmy można rozpoznać na podstawie proporcji pierwiastków dopasowanych i niedopasowanych.
Skorupa Ziemska jest efektem wytopienia skał płaszcza Ziemi. W skorupie ziemskiej występuje duża ilość pierwiastków niedopasowanych, w tym radioaktywnych. 30 do 50% ciepła Ziemi jest związana z obecnością pierwiastków radioaktywnych.
W obliczeniach przepływu ciepła z wnętrza Ziemi ku jej powierzchni wykorzystywane jest pojęcia strumienia ciepła Ziemi. Chodzi tu o ilość energii przepływającej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu. Jednostką strumienia ciepła (HFU) od Heat Flow Unit co odpowiada wartości 0,042 W/m2. Duże HFU jest związane z obszarami magmatyzmu i skał granitowych. Średnia wartość strumienia cieplnego jest różna w skałach o różnym wieku. Skały paleozoiczne wykazują średnio 0,072 W/m2, skały proterozoiczne 0,051 W/m2, a archaiczne jeszcze mniejszą. Gdyby nie było pierwiastków promieniotwórczych to, wg obliczeń, w ciągu 2 mld lat Ziemia ochłodziłaby się o 200 °C. Stąd przyjmuje się, że ciepło wnętrza Ziemi zachowane jest od momentu jej powstania.
Najcieplej jest na ryfcie atlantyckim. Najzimniej na kratonach Afrykańskich.
Według prawa Newtona siła przyciągania dwóch dowolnych mas punktowych jest wprost proporcjonalna do ich iloczynu i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi co wyraża wzór: F= Gm1m2/r2.
Drugie prawo dynamiki Newtona mówi, że a= F/m najczęściej zapisywane jako F= ma. W wypadku spadających ciał przyspieszenie a odpowiada przyspieszeniu ziemskiemu g. Stąd Fc= mg. Wartość siły ciężkości zmienia się wraz z wysokością n.p.m. Im wyżej, a więc dalej od środka Ziemi wartość tej siły maleje. Siła ciężkości (Fc) jest wypadkową siły przyciągania Ziemskiego (Fz) oraz siły odśrodkowej oznaczonej literką f. Siła odśrodkowa jest związana z ruchem obrotowym ziemi. f=mw2r. Na biegunach wartość siły odśrodkowej wynosi zero. Wartość siły ciężkości jest zatem największa. Różnica wartości siły ciężkości mierzonej na równiku wynosi 0,5% w stosunku do biegunów.
Siła ciężkości jest zarazem siłą grawitacyjną pomiędzy Ziemią i dowolnym obiektem na jej powierzchni. Fc= mg= G [mobiektu*mZiemi)/rZiemi2].
Po przekształceniu uzyskujemy wzór na masę Ziemi:
mZiemi= grZiemi2/G
Do obliczenia wartości przyspieszenia ziemskiego małe g potrzebujemy wzór na wahadło, bowiem okres drgań wahadła
T= 2 π pierw 1/g a wiec g = 4π2/T2.
Obliczenie stałej grawitacyjnej polega na przyciąganiu ciężarka zawieszonego na wadze przez 5 tonową kulę wsuniętą pod niego. By zrównoważyć działanie siły kuli dokłada się mały ciężarek oznaczany F. G obliczamy ze wzoru Gr2/m1m2
Przy obliczeniach masy Ziemi wykorzystano wartość przyspieszenia ziemskiego na poziomie morza na 45° szerokości geograficznej, które wynosi wówczas w zaokrągleniu 981 cm/s2. Co oznacza że jeden gram wywiera nacisk 981 dyny. W ten sposób obliczona masa Ziemi wynosi 5.973 tryliony ton. Jeśli podzielimy masę ziemi przez jej objętość uzyskujemy średnią gęstość wynoszącą 5515 kg/m3, czyli 5,515 g/cm3.
Większość skał występujących na powierzchni Ziemi ma gęstość 2,7-3,0 g/cm3. Granit (2,7). Bazalt (3). Oznacza to, że we wnętrzu muszą występować skały o większej gęstości. Fizycy twierdzą że w obrębie jądra Ziemi skały mogą mieć 13 g/cm3
Gdyby Ziemia wewnątrz była jednorodna to wartość siły ciężkości zależałaby tylko od szerokości geograficznej oraz wysokości nad poziomem morza. Taki teoretyczny rozkład siły ciężkości obliczony dla powierzchni elipsoidy nazywany jest polem normalnym.
W geofizyce kształt Ziemi jest przyjmowany jako geoida, czyli powierzchnia odpowiadająca średniemu poziomowi wód oceanicznych po jej teoretycznemu przedłużeniu w obszary lądowe. Powierzchnia ta ma taką właściwość, że w każdym miejscu wartość pola grawitacyjnego jest taka sama i że jej powierzchnia jest prostopadła do pionu czyli wektora siły ciężkości. Na obszarze kontynentu powierzchnia geoidy wznosi się ku górze nawet do 100 metrów na obszarze Himalajów w stosunku do powierzchni elipsoidy obrotowej. W obszarach oceanicznych geoida jest ciut wyżej niż poziom morza.
W XVIII wieku prowadzono triangulację. Kompilacja map wymagała punktu odniesienia, którym były gwiazdy (polarna, krzyż południa). Były błędy które uniemożliwiały dokładne połączenia. W 1749 Pierre Bouguer (1698-1758) ogłosił, że przyczyną otrzymywanych podczas swoich pomiarów zniekształceń jest oddziaływanie grawitacyjne pobliskich gór, które utrudniają określenie pionu, a tym samym poziomej linii horyzontu. (wahadełko na teodolicie odchyla się w kierunku gór). To samo zjawisko zauważył naczelny geodeta Indii Georg Everest (1790-1866). Na bazie tych kłopotów przekonano się, że eksperymentalne wyniki pomiarów pola grawitacyjnego wykonane za pomocą wahadła, różnią się od wartości teoretycznych wyliczonych dla elipsoidy obrotowej. Różnice te zostały nazwane dodatnimi lub ujemnymi anomaliami grawitacyjnymi. Wartość tych anomalii równa jest różnicy między wartością przyspieszenia grawitacyjnego (g) uzyskaną eksperymentalnie, a wartością teoretyczną. Jednak obliczenia te wymagają :
uwzględnienia wysokości na jakiej znajduje się punkt pomiaru (poprawka wolnopowietrzna), ponieważ wraz z wysokością wartość siły ciężkości zmniejsza się. Pojęcie anomalii powietrznej nie uwzględnia masy skał obecnych między punktem pomiaru a średnim poziomem morza.
Uwzględnienia gęstości skał między punktem pomiaru a poziomem morza. Jest to tzw. poprawka Bouguer’a.
Jeśli weźmiemy tą poprawkę okazuje się, że anomalie Bouguer’a w Andach mają charakter ujemny, co wskazuje, że obszary te są zbudowane ze skał o relatywnie mniejszej gęstości. Wartość anomalii jest mierzona w miligalach. Jeden miligal równy jest 10-5m/s2. Jeżeli wartość zmierzonej w ten sposób różnicy wartości g jest większa od zera to anomalia ma charakter dodatni, jeśli jest mniejsza od zera ma charakter ujemny. Anomalie są spowodowane niejednorodną gęstością materii we wnętrzu Ziemi.
Pomiary anomalii są wykorzystywane w geofizyce do poszukiwania kopalin. Szcególnym przykładem mogą być ujemne anomalie w pobliży wysadów solnych.
Anomalie w dużej skali mogą być wykryte w badaniach satelitarnych, gdyż orbita satelity i jego prędkość są uzależnione od siły przyciągania.
Na większości kontynentów są obserwowane ujemne anomalie Bougera, co stanowi dowód, że kontynenty zbudowane są ze skał lżejszych w stosunku do cięższych skał oceanicznych. Dlatego też kontynenty są podniesione średnio o 126 m n.p.m., a dna oceanów obniżone średnio o 3.500 metrów. Przy czym tylko 29% lądu występuje powyżej 1000m i tylko 13% powyżej 2000 metrów.
W XIX wieku John Pratt twierdził, żę skorupa ziemska jest zbudowana z bloków o tej samej masie ale różnej gęstości. Nieco inna koncepcję miał AIry.
Clarence Dutton (1841-1912) doszedł do przekonania, że wnętrze Ziemi wykazuje własności cieczy. Powstanie gór spowoduje zanurzenie obszaru, aż siła wyporu zrównoważy ciężar nacisku. W tym momencie osiągnięty zostanie stan równowagi hydrostatycznej, który nazywamy izostazją (gr. Isostasios- zrównoważony). Zasadne jest tu porównanie do kier lodowych. Głębokość zanurzenia wyraża wzór: r=hd1/(d1 - d2)
h- wysokość gór
d1- gęstość gór
d2- gęstość podłoża
Przykładem morfologicznego zapisu takiej izostazji jest dolina jeziora słonego. Jezioro jest reliktem dużo większego jeziora z okresu glacjalnego o nazwie Bonneville. Na wyspie Fremount nad jeziorem widać terasy. Progi morfologiczne w stosunku do progów morfologicznych nad brzegiem jeziora wykazują różnice wysokości 50 metrów. Izostazja nastąpiła dzięki ustąpieniu lodowca i osuszeniu wody.
Podobny przykład mamy na północnych wybrzeżach Norwegii w Svalbardzie i być może nad Bałtykiem.
Ruchy wznoszące Fenoskandii po ustąpieniu lodowca powinny łącznie wynieść 200 metrów. Obszar Kanady po ustąpieniu lodowców 18.000 lat temu podniósł się o 280 metrów.
Ruchy epejrogeniczne to wszelkie pionowe ruchy skorupy ziemskiej, obejmują więc również izostazję. Termin ten został wprowadzony w 1877 roku przez Gilberta.