Чи можна просвердлити землю наскрізь. Що буде, якщо прокопати тунель через центр Землі? Навіщо це потрібно
У книзі «Цікава фізика» було вказано такий приклад. Там була глава про фантастику та реальність у книгах і таке завдання спливло в контексті однієї з книг.
Там вказувалися розрахункові формули для обчислення часу подорожі. З'ясувалося, що подорож може тривати незалежно від відстані 42 хвилини, де першу половину шляху ви розганятиметеся, а другу гальмуватимете рівно з таким же за модулем прискоренням.
Розглядалися приклади із залізницею побудованою між Москвою та Ленінградом та наскрізна подорож через земне ядро.
Відповідно постає два питання, які не дозволять реалізувати цей проект. Перше, це опір середовища. Поїзд/людина/капсула повинні пересуватися у вільному падінні у вакуумі, інакше сила опору не дозволить подолати останній етап подорожі. Просто не вистачить інерції. І друге це те, що тунель, яким буде пересуватися об'єкт повинен бути ідеальним. Він повинен бути прямим і не схильним до зовнішніх змін, а щоб там пролетіла людина, необхідно ще й те, щоб усередині зберігалися нормальні умови температури і тиску.
Крім того, ми до кінця не знаємо, як улаштована наша планета. Ми навіть не впевнені, чи є у Землі тверде ядро чи маса планети розподілена нерівномірно з різних частин. Як вплине на Землю факт будівництва тунелю через центр, ми не можемо припустити.
Відео: Що буде, якщо пробурити землю наскрізь і зістрибнути в Діру?
Так що, тепер можна зробити висновок, що краще не стрибати це небезпечно! 🙂 🙂
Весела частина теоретичної фізики (а на думку деяких, найкраща її частина) полягає в тому, що ви можете поставити дурне питання та розрахувати відповідь (іноді теж дурну). Наприклад, що буде, якщо ви пробурите отвір через центр Землі та стрибнете через нього? «Та хто взагалі може зробити таку дурість?» - Запитайте ви. Очевидно, що ніхто. Такий вчинок уб'є вас дуже витончено і розщепить мільйони разів. Але. Припустімо, що якийсь сміливець наважився на це заради науки? Що може статися теоретично?
По-перше, давайте констатуємо очевидне: ви не можете просвердлити отвір через центр Землі. Сказати, що нам не вистачить технічних можливостей, щоб здійснити цю знаменну дію, буде дуже великим перебільшенням. Але, звичайно, ми можемо свердлити дірки у Землі в принципі. Як глибоко ми зайшли?
На сьогоднішній день найглибшим отвором на планеті є Кольська надглибока свердловина. Її буріння почалося в 1970-х і закінчилося приблизно через 20 років, коли бурильники досягли глибини 12 262 метрів. Це приблизно 12 кілометрів. Але це навіть не волосина в порівнянні з діаметром Землі. Чому ми зупинились? Принаймні наближення до центру Землі все відчутно нагрівається. Це тому, що ядро Землі складається з рідкого металу і розігріте до 5400 градусів за Цельсієм. І вже на глибині 12 кілометрів бурильники зіткнулися з температурою 170 градусів за Цельсієм.
Думаю, вам відомо, що за такої температури ви довго не проживете.
Але якщо вам вдасться якимось чином поринути ще глибше, на глибині 48 кілометрів ви знайдете магму. У цей момент ви будете спопелені.
І навіть якщо припустити, що вам вдалося подолати цю незручну незручність, якщо ви розробили якусь трубу, яка дозволяє вам безпечно проходити через пекучу магму, вас уб'є саме повітря. Точніше, тиск повітря. Так само, як ви відчуваєте тиск, занурюючись глибоко у воду, ви відчуваєте тиск, коли над вами багато повітря (тому товста атмосфера Венери сплющить вас у коржик). На нашій власній планеті вам потрібно поринути на глибину 50 кілометрів, перш ніж тиск у трубі стане таким самим високим, як на дні океану.
Тому, якщо ваша мета полягає не в самознищенні, не варто перебувати на таких глибинах.
Але навіть якщо вам удалося зробити трубу, яка дозволила вам проникнути через магму, вирішити питання з повітрям і скафандр полегшив вам долю, залишаються проблеми. Наприклад, обертання планети. На півдорозі до центру Землі ви рухатиметеся убік приблизно на 2400 кілометрів на годину швидше, ніж стінки вашої труби. Це не дуже добре для вашого здоров'я. Ви можете вдаритися об стінку труби, та й померти, виходить.
Добре, якщо це питання ми теж вирішили (і кілька інших, про які навіть не згадували), якщо змогли стрибнути через Землю, ваш імпульс дозволить вам рухатися і по інший бік ядра. Як довго це буде продовжуватись?
- Це відповідь на всі запитання, як нам відомо. 42 хвилини.
Але на цій веселощі не закінчується. Через потужну гравітацію Землі та вашого потужного імпульсу, як тільки ви опинитеся на іншій стороні, ви знову почнете падати на Землю. І зробите весь шлях спочатку. Ви вагатиметеся туди і назад по синусоїді, як таке собі йо-йо.
Розглянемо падіння з погляду фізики. Нехтуємо опором повітря (і його існуванням) та тертям про стінки тунелю. Вважатимемо щільність Землі однорідною, хоча насправді це, звичайно, не так)
Ми з'ясували, що ваше падіння буде подібним до руху в гармонійному маятнику і вирахували час, за який ви пролетите Землю. Зрозуміло, потім вам доведеться це робити знову і знову. Хоча через опір повітря і стін і неоднорідності Землі коли-небудь ваше падіння припиниться, і ви застрягнете біля центру Землі.
Тепер про те, що ви побачите та відчуєте. Припустимо, що під час цієї невеликої подорожі ви не помрете від температури, тиску або перевантажень і зможете стежити за зміною навколишнього середовища. Картинка сильно залежить від точки, де ви почали падати. Ймовірно, ви перебували на континенті. У такому разі спочатку ви пролітаєте приблизно 30 км земної кори. Тут слід зазначити, що, в принципі, всі наші знання про будову Землі та її глибинні умови є гіпотетичними і заснованими на геофізичних даних, на кшталт зміни швидкості проходження хвиль через різні шари. Так ось. Товщина континентальної кори залежатиме від тектонічних умов. Найбільшою вона буде в горах (до 70-75 км), найменшою - на територіях, розтягнутих, на океанічних околицях і в западинах морів. Насамперед ви пролетите шар, що складається з опадів та осадових порід, якщо він присутній. Потім йде шар із гнейсів та інших метаморфічних порід. У них помітні граніти, що впровадилися. Під цим шаром будуть сильно метаморфізовані базальти, що перетворилися на амфіболіти та гранулити. Весь цей час тиск і температура неухильно зростатимуть. Тут можна згадати про таку штуку, як геотермічний градієнт, який показує, як температура зростає з глибиною. Він дуже залежить від тектонічних умов і буде максимальним під горами.
Якщо ви з якоїсь причини почали падіння з океанічного острова або океану, то спочатку ви пройдете осадові шари, потім - базальтові подушечні лави і дайки, що підводять до них. Їх підстилають інтрузії габро. Нарешті, ви доходите до мантії. Товщина океанічної кори складатиме кілометрів сім. Взагалі, побачена вами картина може бути незвичайною і залежить від тектонічного регіону, в якому ви пробурили дірку.
Розділом мантії та кори служить кордон Мохо. Мантія складається з перидотитів, що містять олівін (Mg, Fe)2SiO4 та піроксен (Mg, Fe)2Si2O6. При зануренні вони переходитимуть у стійкіші поліморфні модифікації. Це буде помітно на глибинах близько 410 та 660 км. Рухаючись вниз від кордону Мохо через досить тверду мантію, ви досягнете шару, який здасться вам більш в'язким та плинним. Справа в тому, що матеріал цього шару, астеносфери, піддається частковому плавленню. Плавиться приблизно 1-5% речовини (кількість залежить від тектонічних умов). Повністю розплавитися йому заважає високий тиск, що створюється шарами, що лежать вище. Розплав, що вийшов, обволікає зерна мінералів і забезпечує плинність речовини. Тут же можуть утворюватися осередки основної та ультраосновної магми, що піднімається нагору. Всі ті відносно тверді та пружні шари вищі за астеносферу - це літосфера. Розділена на плити, що нагадують кавунові кірки, вона ковзає по астеносфері і робить вертикальні рухи, плаваючи на поверхні цього в'язкого шару. Нижче астеносфери і кордоном 410 км виділяється більш в'язка мезосфера. На цій відмітці олівін переходить у модифікацію зі структурою шпинелі.
З глибини 660 км починається нижня мантія. Ймовірно, вона складена мінералами зі структурою перовскіту (Mg, Fe) SiO3 та магнезіовюститом. У нижній мантії у складі мінералів містяться великі запаси води. Вся мантія, через яку ви проходили, була твердою, тому що поряд з високими температурами піддавалася і високим тискам. Конвективні струми в мантії мають дуже малу швидкість, щоб їх помітити.
Нарешті, ви доходите до межі Гутенберга, що розділяє ядро та нижню мантію. Від поверхні вас відокремлюють 2900 км. Цей кордон покриває цвинтар гір літосферних плит, що занурилися і частково розплавилися.
З 2900 до 5120 км ви занурюєтеся крізь рідке зовнішнє ядро, що складається із залізо-нікелевого сплаву з домішками сірки, водню та деяких інших елементів. Тут відбувається інтенсивне перемішування речовини, що створюють магнітне поле Землі, але через малу швидкість ви навряд чи його побачите. До глибини 6370 км простягається тверде внутрішнє ядро, продукт поступового охолодження та затвердіння зовнішнього. Воно має схожий склад і складене залізом, сіркою та нікелем.
Розглянемо падіння з погляду фізики. Нехтуємо опором повітря (і його існуванням) та тертям про стінки тунелю. Вважатимемо щільність Землі однорідною, хоча насправді це, звичайно, не так)
Ми з'ясували, що ваше падіння буде подібним до руху в гармонійному маятнику і вирахували час, за який ви пролетите Землю. Зрозуміло, потім вам доведеться це робити знову і знову. Хоча через опір повітря і стін і неоднорідності Землі коли-небудь ваше падіння припиниться, і ви застрягнете біля центру Землі.
Тепер про те, що ви побачите та відчуєте. Припустимо, що під час цієї невеликої подорожі ви не помрете від температури, тиску або перевантажень і зможете стежити за зміною навколишнього середовища. Картинка сильно залежить від точки, де ви почали падати. Ймовірно, ви перебували на континенті. У такому разі спочатку ви пролітаєте приблизно 30 км земної кори. Тут слід зазначити, що, в принципі, всі наші знання про будову Землі та її глибинні умови є гіпотетичними і заснованими на геофізичних даних, на кшталт зміни швидкості проходження хвиль через різні шари. Так ось. Товщина континентальної кори залежатиме від тектонічних умов. Найбільшою вона буде в горах (до 70-75 км), найменшою - на територіях, розтягнутих, на океанічних околицях і в западинах морів. Насамперед ви пролетите шар, що складається з опадів та осадових порід, якщо він присутній. Потім йде шар із гнейсів та інших метаморфічних порід. У них помітні граніти, що впровадилися. Під цим шаром будуть сильно метаморфізовані базальти, що перетворилися на амфіболіти та гранулити. Весь цей час тиск і температура неухильно зростатимуть. Тут можна згадати про таку штуку, як геотермічний градієнт, який показує, як температура зростає з глибиною. Він дуже залежить від тектонічних умов і буде максимальним під горами.
Якщо ви з якоїсь причини почали падіння з океанічного острова або океану, то спочатку ви пройдете осадові шари, потім - базальтові подушечні лави і дайки, що підводять до них. Їх підстилають інтрузії габро. Нарешті, ви доходите до мантії. Товщина океанічної кори складатиме кілометрів сім. Взагалі, побачена вами картина може бути незвичайною і залежить від тектонічного регіону, в якому ви пробурили дірку.
Розділом мантії та кори служить кордон Мохо. Мантія складається з перидотитів, що містять олівін (Mg, Fe)2SiO4 та піроксен (Mg, Fe)2Si2O6. При зануренні вони переходитимуть у стійкіші поліморфні модифікації. Це буде помітно на глибинах близько 410 та 660 км. Рухаючись вниз від кордону Мохо через досить тверду мантію, ви досягнете шару, який здасться вам більш в'язким та плинним. Справа в тому, що матеріал цього шару, астеносфери, піддається частковому плавленню. Плавиться приблизно 1-5% речовини (кількість залежить від тектонічних умов). Повністю розплавитися йому заважає високий тиск, що створюється шарами, що лежать вище. Розплав, що вийшов, обволікає зерна мінералів і забезпечує плинність речовини. Тут же можуть утворюватися осередки основної та ультраосновної магми, що піднімається нагору. Всі ті відносно тверді та пружні шари вищі за астеносферу - це літосфера. Розділена на плити, що нагадують кавунові кірки, вона ковзає по астеносфері і робить вертикальні рухи, плаваючи на поверхні цього в'язкого шару. Нижче астеносфери і кордоном 410 км виділяється більш в'язка мезосфера. На цій відмітці олівін переходить у модифікацію зі структурою шпинелі.
З глибини 660 км починається нижня мантія. Ймовірно, вона складена мінералами зі структурою перовскіту (Mg, Fe) SiO3 та магнезіовюститом. У нижній мантії у складі мінералів містяться великі запаси води. Вся мантія, через яку ви проходили, була твердою, тому що поряд з високими температурами піддавалася і високим тискам. Конвективні струми в мантії мають дуже малу швидкість, щоб їх помітити.
Нарешті, ви доходите до межі Гутенберга, що розділяє ядро та нижню мантію. Від поверхні вас відокремлюють 2900 км. Цей кордон покриває цвинтар гір літосферних плит, що занурилися і частково розплавилися.
З 2900 до 5120 км ви занурюєтеся крізь рідке зовнішнє ядро, що складається із залізо-нікелевого сплаву з домішками сірки, водню та деяких інших елементів. Тут відбувається інтенсивне перемішування речовини, що створюють магнітне поле Землі, але через малу швидкість ви навряд чи його побачите. До глибини 6370 км простягається тверде внутрішнє ядро, продукт поступового охолодження та затвердіння зовнішнього. Воно має схожий склад і складене залізом, сіркою та нікелем.
Всі колись замислювалися, а що буде якщо прокопати тунель через центр Землі, то де я опиниться? Відповідь у «психлікарні» смішна, але не правильна. Можна прямо зараз розрахувати, куди саме ти потрапиш, це нескладно... Кожна точка на Землі має координати. Куля умовно поділена на Південну та Північну півкулю, за якими відраховуються широти та Західна зі Східною півкулею за якими відраховуються довготи. Так ось, щоб знайти точку на Планеті протилежній даній необхідно змінити знак у широти, а довготу відібрати від 180 і теж змінити знак.
Але поспішаю всіх засмутити…
... Більшість суші проектується через центр Землі на водну поверхню. Назад у сушу проектується дуже невелика частина Землі. Вона показана на карті чорним кольором.
Є деякі цікаві збіги. Наприклад, майже всі жителі Аргентини та Чилі викопають тунель до Китаю чи Монголії, а жителі Португалії до Нової Зеландії. У Росії також є невелика територія поряд із Байкалом, тунель їх якої приведе вас на Фолклендські острови.
Наступне логічне питання: а що буде, якщо в цей тунель почне заливатись вода зі Світового Океану?
Вона переллється і заллє все довкола? Ні, навіть якщо взяти для спрощення, що температура в центрі тунелю буде кімнатною, вода почне туди заливатись і падати з прискоренням. Якщо тунель досить широкий, то за принципом судин, що сполучаються, рівні води стануть однаковими тоді, коли буде однаковий тиск, у нашому випадку R1=R2. Оскільки майже вся суша лежить вище рівня світового океану, тунель заповнений водою буде майже як колодязь без дна. Але тунель швидше за все виявиться надто вузьким і вода не дійде навіть до середини. ЇЇ видавить величезним тиском.
А що буде, якщо стрибнути в тунель?
Для інтересу припустимо, що тунель твердий на всьому протязі (крізь розплавлене ядро прокладена неплавка труба) і що ти нечутливий ні до температури, ні до тиску. Інакше все скінчиться вже на глибині кілька десятків кілометрів:-)
Ти розганятимешся. Трохи згодом коріолісова сила притисне тебе до стінки, і будеш по ній ковзати як з гірки. Через тертя до зворотного боку планети ти так і не дістанешся. Щоб цього не відбувалося, тунель потрібно свердлити або від полюса до полюса, або криволінійно - вийде дуга, через що ти жодним чином не зможеш потрапити на протилежну точку планети.
Якщо тунель має правильну кривизну, тоді ти падатимеш у нього з нормальним (спочатку) прискоренням і відчуватимемо повноцінну невагомість. Тим часом, прискорення поступово слабшатиме, і пролітаючи в точці максимальної близькості до центру Землі, ти матимеш швидкість близько 7 км/сек. Якщо тунель проходить по осі планети і прямолінійний, тоді максимальна швидкість буде точно дорівнює першої комічної для тієї точки, звідки ти почав падіння. Після проходу цієї точки прискорення стає негативним і ти гальмуєшся все активніше (як і раніше відчуваючи повну невагомість. Нарешті, твоя швидкість звертається в нуль точно на виході з тунелю. Протягом однієї секунди ти можеш бачити Австраллійський ландшафт, і швиденько помахати ручкою, після чого починаєш падати назад, і так літаєш туди-назад нескінченно.
Якщо тунель пролягає за осі Землі і, отже, має форму дуги, тоді зворотного польоту знадобиться другий тунель — з вигином в інший бік. Природно, що цей другий тунель уже не приведе тебе до точки відправлення, так що для нескінченних польотів туди-назад тобі доведеться всю планету вирити тунелями, які, можливо, так і не зможуть замкнутися на свій початок. Це треба порахувати.
Ну, а якщо повітря все-таки в тунелі залишатиметься, тоді ти зможеш розігнатися максимум до 200 км/год, і звичайно, твоєї інерції не вистачить, щоб досягти зворотного боку планети. Похитаєшся кілька разів на великій глибині і зупинишся поблизу центру в невагомості. Фініта!
Науковий журнал American Journal of Physics (AJP) вважав за необхідне опублікувати статтю Олександра Клотца (Alexander Klotz) - випускника канадського університету Макгілла (McGill University in Montreal, Canada) - в якій той підрахував, за скільки хвилин можна пролетіти Землю наскрізь.
Йдеться, звичайно ж, про гіпотетичну подорож крізь тунель-колодязь, яка починається, наприклад, у Лондоні, проходить через центр планети і закінчується на іншій її стороні. Якби такий тунель-колодязь існував насправді, його вихід розташовувався б на острові Антиподів, що знаходяться неподалік Нової Зеландії. Це якраз навпроти Лондона у перпендикулярному напрямку.
Якщо вірити попереднім розрахункам, виконаним ще в минулому столітті, то людина, яка стрибнула в тунель-колодязь у Лондоні, вилетіла б із нього на острові Антиподів через 42 хвилини 12 секунд. А за Клотцем вийшло, що стрибун опиниться на виході через 38 хвилин 11 секунд.
Як пояснив випускник, колишні дослідники не врахували, що щільність Землі змінюється з глибиною — набирали певного усередненого значення. У надрах - особливо в районі металевого ядра - планета набагато щільніша. Гравітація там сильніша. Відповідно і прискорення, створюване з допомогою гравітаційних сил, вище.
Клотц вніс поправки, користуючись даними про щільність надр на різній глибині, отримані недавно за рахунок зондування сейсмічного. І визначив: до центру Землі стрибун підлетить швидше, ніж уважалося раніше. Пронесеться зі швидкістю 29 тисяч кілометрів на годину. Далі почне гальмувати, наближаючись до виходу. Але зрештою, все одно дістанеться до острова Антиподів швидше — майже на 4 хвилини.
Острів Антиподів - найбільший у групі островів Антиподів, розташованих поряд із Новою Зеландією. Саме там вилетить мандрівник, який стартував із Лондона.
Хто ще що додасть на цю гіпотетичну тему?
До речі, з приводу першої фотографії читайте ось тут , а от Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якою зроблена ця копія -
