Гравитационное воздействие Луны и Солнца на оседание взвешенных частиц в регионах с низким земным тяготением

Введение

Сила тяжести по разным причинам распределена неравномерно по поверхности Земли (рис. 1). Эта информация не получила широкого применения в науке, так как в целом в природе не наблюдается существенных различий из-за такой неравномерности.

Рис. 1. Карта гравитационных аномалий Земли, полученная при исследованиях по гравитации и климату со спутников (по проекту The Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE), совместно проведенных Национальным управлением по аэронавтике и исследованиям космического пространства США (National Aeronautics and Space Administration, NASA) и Немецким аэрокосмическим центром (German Aerospace Center, DLR) в 2002–2017 годах. На цветовой шкале: темно-синий цвет – самая низкая гравитация; красный цвет – самая высокая гравитация [1]

Известно, что крупные россыпные отложения тяжелых минералов можно увидеть в районах с более низкой гравитацией [2]. Однако подобные аномалии более заметны по движению частиц, взвешенных в морской воде и в атмосфере, во время приливно-отливных изменений. Благодаря таким эффектам очень тяжелые минералы могут преимущественно откладываться (рис. 2) и иногда образовывать значительные залежи именно в регионах с пониженной гравитацией.

Рис. 2. Отложения частиц тяжелых минералов в Пульмодае (Шри-Ланка), после отступления прилива [3]

Приливы и отливы в океанах возникают из-за совместных гравитационных воздействий Луны и Солнца (воздействие притяжения Луны гораздо сильнее, поскольку она намного ближе к Земле, но влияние Солнца тоже накладывается. – Ред.). Похожие процессы происходят и в атмосфере (то же происходит и с земной корой, но в гораздо меньшей степени. – Ред.). Это оказывает существенное влияние на движение взвешенных частиц в воде и в воздухе. Во время приливов мелкие твердые частицы поднимаются вверх и дольше находятся во взвешенном состоянии в воде и в воздухе прежде чем осесть, особенно в районах с пониженной гравитацией (рис. 3, 4). При этом более тяжелые минералы могут оседать значительно раньше, образуя россыпные отложения, а частицы более легких пылевых частиц задерживаются в воде или в атмосфере в течение большего периода времени.

Загрязнение воздуха взвешенными частицами пыли можно наблюдать, например, в столице Индии Дели (рис. 5, 6), а крупнейшие отложения тяжелых минералов, о которых уже упоминалось ранее, обнаружены на Индийском субконтиненте и на Шри-Ланке (см. рис. 2). Кроме того, недавно было обнаружено, что Канди, расположенный в центральной части Шри-Ланки, является одним из городов с самым высоким уровнем загрязнения воздуха в мире [4].

Рис. 3. Солнце, Луна и Земля располагаются на одной линии (силы притяжения Луны и Солнца накладываясь друг на друга, вызывают максимальные, или сизигийные, приливы. – Ред.). Схематичный рисунок приведен не в масштабе

Рис. 4. Солнце, Земля м Луна располагаются под прямым углом (силы притяжения Луны и Солнца накладываясь друг на друга, вызывают минимальные, или квадратурные, приливы. – Ред.). Схематичный рисунок приведен не в масштабе

Рис. 5. Загрязнение воздуха частицами пыли в одном из районов столицы Индии Дели [5]

Рис. 6. Загрязнение воздуха частицами пыли в центральной части столицы Индии Дели [6]

Цели исследований

Основная цель работы состояла в том, чтобы оценить положительные моменты и отрицательные проблемы, возникающие в регионах с низкой гравитацией из-за приливно-отливных изменений. Одним из преимуществ является наличие крупных отложений тяжелых полезных ископаемых, формирующихся во время приливов, особенно в регионах с низкой гравитацией. При этом одна из серьезнейших проблем состоит в том, что во время приливов в регионах с низкой гравитацией в атмосфере задерживается больше пыли.

Поскольку во время приливов в первую очередь могут откладываться тяжелые минералы, более глубокое изучение этого природного процесса может помочь улучшить методы разведки и добычи тяжелых полезных ископаемых.

Методы исследований, их результаты и обсуждение

Можно провести простые эксперименты, выбрав два разных места с повышенной и пониженной гравитацией. Такие опыты были проведены соответственно в Коломбо (Шри-Ланка) и в Мельбурне (Австралия).

Некоторое количество однородных твердых частиц (диаметром около 1 мм) сбрасывали с верха 80-сантиметрового стеклянного цилиндра, наполненного водой. Время, за которое частицы достигали дна цилиндра, измеряли с помощью секундомера. Измерения проводились во время прилива и отлива в двух выбранных местах с повышенной и пониженной гравитацией, причем в течение нескольких дней, чтобы получить хорошие усредненные показатели. Результаты измерений были сопоставлены, чтобы найти разницу между ними для времени прилива и отлива, а также для районов с высокой и низкой гравитацией (рис. 7, 8; таблицы 1, 2)

Рис. 7. График приливов и отливов в Мельбурне, Австралия, где максимальный приливно-отливной диапазон уровня моря составляет 0,95 м [7] (на самом графике единицы измерения не переведены, поэтому приведем расшифровку: am – время до полудня, то есть часов и минут ночи или утра; pm – время после полудня, то есть часов и минут дня или вечера; m – метров; ft – футов; голубые максимумы – максимальные уровни моря при приливах; голубые минимумы – минимальные уровни моря при отливах. – Ред.)

Таблица 1. Результаты измерений, проводившихся с 25 по 28 сентября 2019 года в Мельбурне (Австралия)

Рис. 8. График приливов и отливов в Коломбо, Шри-Ланка, где максимальный приливно-отливной диапазон уровня моря составляет 0,95 м  [8] (на самом графике единицы измерения не переведены, поэтому приведем расшифровку: am – время до полудня, то есть часов и минут ночи или утра; pm – время после полудня, то есть часов и минут дня или вечера; m – метров; ft – футов; голубые максимумы – максимальные уровни моря при приливах; голубые минимумы – минимальные уровни моря при отливах. – Ред.)

Таблица 2. Результаты измерений, проводившихся с 25 по 28 сентября 2019 года в Коломбо (Шри-Ланка)

(Результаты измерений, как видно из таблиц 1 и 2, показали, что время оседания частиц меньше во время отливов и больше во время приливов. Они также показали, что во время приливов время оседания частиц в регионе с повышенной гравитацией (в Мельбурне, Австралия) заметно меньше, чем в регионе с повышенной гравитацией  (в Коломбо, Шри-Ланка). – Ред.).

Гравитационные воздействия Луны (в основном) и Солнца вызывают приливы и отливы не только в океанах. Как уже отмечалось, атмосфера Земли также претерпевает похожие изменения. Однако в воздухе взвешенные частицы пыли ведут себя иначе, чем в воде. Это связано с большим количеством таких физических изменений, как ветер, дождь, колебания влажности, изменения давления и высоты над уровнем моря и, не в последнюю очередь, периоды приливов и отливов. Для сбора проб пыли необходимо следовать ряду методик в соответствии с методом Национальной комиссии по охране труда и технике безопасности Австралии (National Occupational Health and Safety Commission, NOHSC) [9]. Частицы пыли могут быть собраны с помощью специальных мембранных фильтров из эфира целлюлозы (MCE) и небольшого вакуумного насоса. Фильтр устанавливается внутри кассеты диаметром 25 мм, к которой присоединяется пневматический насос (рис. 9). Этот эксперимент следует проводить при очень стабильном состоянии воздуха – не должно быть ветра.

Рис. 9. Насос для микроскопического контроля количества и размера взвешенных частиц в воздухе и присоединенный к нему фильтр

Заключение

Приливы и отливы в океанах и похожие процессы в атмосфере создаются в результате гравитационных воздействий Луны (в основном) и Солнца. Это оказывает существенное влияние на движение взвешенных частиц в воде и в воздухе.

Выполненные измерения показали, что существует значительная разница во времени оседания взвешенных частиц во время прилива и отлива. Во время прилива длительность оседания частиц больше, чем во время отлива, особенно в зонах с пониженной гравитацией. Этой небольшой разницы достаточно, чтобы в период прилива в зонах с низкой гравитацией частицы дольше оставались взвешенными в морской воде, пока не осядут или пока их не прибьет к берегу. Именно по этой причине самые крупные россыпные месторождения тяжелых минералов находятся в регионах Земли с пониженной гравитацией, особенно в прибрежной зоне острова Шри-Ланка и на полуострове Индостан [4].

Для поиска полезных ископаемых с высоким содержанием тяжелых минералов и, возможно, даже для экономичной добычи тяжелых минералов из морской воды во время приливов следует дополнительно изучить влияние низкой гравитации и приливов на взвешенные частицы.

Кроме того, следует дополнительно обсудить проблему взвешенных частиц в атмосфере преимущественно в регионах с низкой гравитацией.

(Вероятно, при инженерных изысканиях для возведения объектов, например курортных, следует измерять и гравитационное поле, что могло бы помочь выбрать место для строительства, в котором в воздухе будет меньше пыли, а морская вода будет более прозрачной. – Ред.).

Источник для перевода

Karu Jayasundara T.B. The gravitational impact of the Sun and the Moon on heavy mineral deposits and dust particles in low gravity regions of the Earth // International Journal of Earth, Energy and Environmental Sciences. 2019. Vol. 13. № 11. P. 624–629. URL: doi.org/10.5281/zenodo.3566389. URL: zenodo.org/record/3566389.

Ссылки, указанные автором переведенной статьи

(The references listed by the author of the translated paper)

1. GRACE. Introduction. Gravity. 101. Gravity anomaly maps and the geoid the workings of GRACE components // The GRACE mission is jointly implemented by NASA and DLR under the NASA Earth System Science Pathfinder Program.
2. Jayasundara Karu T.B. Regional low gravity anomalies influencing high concentrations of heavy minerals on placer deposits // International Journal of Geological and Environmental Engineering. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2018. Vol. 12. № 4.
3. Wijenayake T. Daily e-paper, Lanka’s Long – neglected treasure, rare earths. July 2016. P. 1.
4. Niranjala Ariawanshe. Kandy top list air pollution // Biodiversity Sri Lanka. 2017. 29 March.
5. The Indian Express. 2019. 23 September.
6. The Hindu New Delhi. 2018. 14 July.
7. Tide forecast.com. Melbourne, Australia.
8. Tide forecast.com. Colombo, Sri Lanka.
9. Guidance note on the Membrane filter method for estimating airborne asbestos fibers (2d edition). 2005.