Материал: Методы изучения фигуры Земли

Методы изучения фигуры Земли

Содержание

Введение

. Краткий исторический обзор

. Изученность формы и размеров Земли на современном этапе

. Методы изучения фигуры Земли

.1 Гравиметрический метод

.2 Определение общего земного сфероида

.3 Космический метод

.4 Геометрический метод

Заключение

Список использованных источников

Введение

Определение формы и размеров Земли является одной из главных задач современной науки.

Человек всегда хотел ориентироваться в окружающем мире. Человек стремился представить Землю в виде изображения которое помогло бы ему ориентироваться в окружающем мире.

Так еще в каменном веке поверхность Земли изображалась в виде рисунка на костях животных, на стенах пещер и т. д. На этих рисунках были обозначены места жительства, основные тропы, реки, в общем все необходимое для жизни человека в то время.

С пришествие времени на картах стали изображать границы владений разных государств и именно после этого у человека стал серьезный вопрос, - Как изобразить поверхность Земли максимально точно для лучшего ориентирования в этом мире?

Но Земля ни шар, ни эллипс и не имеет форму, которую можно выразить математически. Поэтому человечество стремилась максимально точно определить истинную форму Земли, используя разные методы.

Позже с изучением гравиметрии у человека появилась новая цель в изучении формы Земли - это максимально точно определить форму и размер Земли не только для составления карт, но и для построения физических теорем. Зная которые человек лучше воспринимал природу и процессы, проходящие в ней.

Поэтому я с уверенность могу говорить, что данная тема очень актуальна на современном этапе.

Основная цель данной курсовой работы - дать описание основных методов определения формы и размеров Земли.

Для решения поставленной цели нужно выполнить следующие задачи:

• дать краткий исторический обзор в изучении формы и размеров Земли.

• дать характеристику изученности формы и размеров Земли на современном этапе.

• дать характеристику изученности формы и размеров Земли на современном этапе.

Данная курсовая работа состоит из введения, 3 разделов, которые структурированы на пункты, заключения и списка использованных источников, и содержит 3 рисунка.

1. Краткий исторический обзор

Земля - третья планета от солнца и наиболее крупный и наиболее сложный динамический объект из всех внутренних планет. (рисунок 1)

Рисунок 1

Земля имеет форму, близкую к шарообразной. Радиус шара, равновеликого Земле, - 6371 км. Земля обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. Вокруг Земли обращается один естественный спутник - Луна.

Обычно под фигурой Земли понимают тело, ограниченное ее физической поверхностью и невозмущенной поверхностью морей и океанов. При определении фигуры Земли не нужно подробно изображать ее физическую поверхность в виде карт, достаточно определить положение на ней сети точек в единой пространственной системе координат. В формировании Земли существенную роль играло тепло недр и процессы радиоактивного распада. Формирование земной коры происходило в течении длительного периода, который по данным палеонтологии разделен на эры, периоды, эпохи, века. Большую роль в эволюции Земли сыграло наличие гидросферы и появление органической жизни на ней.

Представления о форме Земли. Со школьных лет мы привыкли считать Землю шаром, и никаких сомнений у нас на этот счет не возникает. Между тем вопрос о форме Земли далеко не так прост, как он представляется нам в настоящее время. Потребовалось очень много труда и времени, прежде чем человечество сумело разрешить этот очень важный и сложный вопрос.

Представление древнейших народов о Земле исходило из того, что они видели. Земля - обширное плоское пространство, над которым опрокинут твердый свод неба, усеянный звездами. Это представление в различных вариациях мы встречаем у всех древнейших народов, населявших западную Азию и юго-восточную Европу.

Однако по мере накопления наблюдений постепенно возникла мысль о выпуклой форме Земли. Скрывающиеся за горизонтом предметы, лучи восходящего солнца, освещающие сначала вершины, а потом основания гор, и другие факты привели к необходимости признать, что Земля имеет форму выпуклого вверх щита или плоско-выпуклого купола. Подобные представления мы находим у древних вавилонян, индусов и некоторых других культурных народов древнего Востока.

Форма и размеры Земли. По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,6-4,7 млрд. лет назад из захваченного притяжением Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних из изученных горных пород потребовалось 100-200 млн. лет.

Ее орбита находится между орбитами Венеры и Марса. Она движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167). Среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, В перигелии оно уменьшается до 147 млн. км, а в афелии увеличивается до 152 млн. км. Период одного обращения по орбите 365,24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,3·10-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе - около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33′ 22′′. Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а ее вращение вокруг оси - смену дня и ночи. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

В целом по форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. В нашей стране принят термин «эллипсоид Красовского» Средний радиус Земли 6371 км, полярный - 6356 км, экваториальный - 6378 км. Масса Земли 5,976·10²⁴ кг, средняя плотность 5518 кг/м³. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км².

Фактически уровневая поверхность Земли не совпадает с поверхностью эллипсоида. Геоид - условное наименование истинной фигуры Земли, предложенное в 1873 г. немецким ученым И. Листингом (геоид - землеподобный). Геоид это геометрически сложная поверхность равных значений потенциала силы тяжести, совпадающая с невозмущенной поверхностью Мирового океана и продолженная под континентами. Он близок к эллипсоиду со сжатием 1 : 298,2.Благодаря суточному вращению Земли существуют единственные неподвижные точки земной поверхности - географические полюса - это точки пересечения воображаемой земной оси с земной поверхностью. Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток с амплитудой 0,36′′. Кроме того, имеются и небольшие сезонные их перемещения.

По отношению к полюсам определяют экватор, проводят параллели и меридианы. Экватор - это линия на глобусе или карте, расположенная на одинаковом расстоянии от полюсов. Его длина 40076 км. Параллели - линии, параллельные экватору. Это круги мысленного сечения Земли плоскостями, перпендикулярными ее оси. По параллелям определяют географическую широту - расстояние в градусах от экватора до какой-либо точки. Она изменяется от 90º с.ш. до 90º ю.ш. Меридианы - линии, соединяющие полюса. Это круги, образованные пересечением земного шара плоскостями, проходящими через земную ось. По меридианам определяют географическую долготу - расстояние в градусах от начального меридиана до какой-либо точки. Долготы бывают западные и восточные и изменяются от 0 до 180°.

Представление о фигуре и размерах Земли создавалось постепенно, на основе наблюдений, измерений и расчетов.

Уже в VII в до н.э. древнегреческие ученые высказали предположение о шарообразности Земли. В IV веке до н.э. Аристотель собрал уже имеющиеся доказательства шарообразности Земли, дополнил и обосновал их (круглая тень Земли при затмениях, изменение вида звездного вида и т.д.). Эратосфен Киренский во II веке до н.э. определил близкую к действительной длину большого круга (40 000 км) и одного градуса меридиана (110,6 м. - действительная 111,2 м.).

Кругосветные путешествия только подтвердили доказательства шарообразности. С появлением точных методов измерений расстояний и углов (триангуляция) в 1669-70 гг. французские ученый Жан Пикар точно измерил длину меридиана и пришел к выводу, что Земля не идеальный шар с радиусом - 6371,7 км. Французский астроном Рише проделав опыты с маятником пришел к сходным выводам.

Ньютон сформулировал закон об обязательном отклонении фигуры вращающегося тела от шара. Одновременно с Христианом Гюйгенсом он определили полярное сжатие Земли.

2. Изученность формы и размеров Земли на современном этапе

Учение о Земле как о шаре. По мере расширения знаний стал накапливаться уже более точный материал об изменении длины полуденной тени на разных широтах Земли. История не сохранила нам точных сведений о том, когда и где впервые появилось представление о шарообразности Земли. Но есть основания думать, что зародились они еще у вавилонян, а потом перешли в древнюю Грецию.

Так, например, греческий мыслитель Парменид уже определенно говорил о Земле как о шаре. В работах известного греческого философа Аристотеля приведен целый ряд весьма убедительных доказательств шарообразной формы Земли.

Ученик Аристотеля Дикеарх уже делал попытку измерить Землю, взяв за основание два пункта, расположенные на одном меридиане. Согласно Дикеарху окружность Земли имеет около 300 тыс. стадий², т. е. около 47 тыс. км. Во всяком случае, эта величина не так уж далека от действительных размеров.

Гораздо полнее сохранились сведения об измерении меридиана, произведенные александрийским ученым Эратосфеном. Эратосфену было известно, что в городе Сиене, расположенном к югу от Александрии, солнце один раз в году, 22 июня, т. е. в день летнего солнцестояния, в полдень освещает дно самых глубоких колодцев.

Иначе говоря, в этот день в полдень в Сиене солнце стоит в зените, и вертикально стоящие предметы не дают теней. В то же самое время в Александрии предметы дают тень. Пользуясь высоким вертикально поставленным столбом и его тенью, Эратосфен вычислил, что в Александрии 22 июня в полдень луч солнца и вертикаль образуют угол. Нетрудно видеть, что угол этот равен центральному углу АОС. Зная длину дуги отмеченного нами угла (она является расстоянием между Сиеной и Александрией), Эратосфен вычислил длину окружности земного шара. Расстояние между Сиеной и Александрией 5 тыс. египетских стадий, стало быть длина окружности Земли  тыс. стадии.

После очень долгого перерыва первое измерение градуса с целью определить размеры земного шара было сделано французским ученым Френелем в 1528 г. Взяв расстояние от Амьена до Парижа (измерив его числом оборотов колеса экипажа) и определив астрономически разницу широт, он получил размеры Земли, довольно близкие к современным.

Земля как эллипсоид. (рисунок 2) До половины XVII в. Землю считали правильным шаром, но потом были замечены факты, которые заставили усомниться в правильности подобного представления.

Рисунок 2

Так, астрономические часы, перевезенные в 1672 г. из Парижа в Кайену (Гвиана), стали ежедневно отставать. Чтобы добиться правильного показания времени, пришлось укоротить маятник часов. Дальнейшие наблюдения, произведенные в других местах, показали, что скорость качания маятника по мере движения от полюсов к экватору уменьшается. Первоначально это явление пытались, объяснить центробежной силой вращения Земли. Однако более точные расчеты показали, что для подобных изменений потребовалось бы увеличить скорость вращения Земли в 17 раз. Оставалась единственная возможность допустить, что уменьшение силы тяжести от полюсов к экватору зависит от полярного сжатия Земли.

Заключение о полярном сжатии Земли встретило ряд возражений. Разгоревшийся около этих вопросов спор заставил Французскую академию снарядить две экспедиции для измерения длины градуса в полярных и экваториальных широтах. Обе экспедиции, работая совершенно независимо (одна в Перу в 1735 г. и другая в Лапландии в 1736 г.), дали следующие результаты: длина градуса в Лапландии равна 57 437 туазам, длина градуса в Перу равна 56 753 туазам. Следовательно, экваториальный градус оказался короче полярного на 648 туаза. Отсюда можно было сделать совершенно определенный вывод о полярном сжатии Земли, Позже эти выводы были подтверждены и другими еще более точными измерениями. Полярный радиус Земли оказался на 21,4 км короче экваториального.

Земля как геоид. Продолжавшиеся в XIX в. градусные измерения и измерения силы тяжести в различных пунктах показали, что форма Земли сложнее, чем это предполагалось. Например, напряжение силы тяжести на многих океанических островах оказалось значительно больше, чем на материках. Исходя из этих фактов, пришлось допустить, что уровень воды в океанах неодинаков, форма Земли во многих случаях отступает от формы эллипсоида вращения. Дальнейшие измерения показали, что Земля по своей форме хотя и приближается к эллипсоиду вращения, но имеет более сложную, присущую только ей форму, которая получила название геоида³. Эта индивидуальная форма Земли пока еще недостаточно изучена. Известно, что поверхности теоретически вычисленных эллипсоида и геоида не совпадают, однако несовпадение это не превышает 100 м. Практически для геодезии и картографии подобное отступление от формы эллипсоида роли не играет, а потому геодезисты при всех своих расчетах исходят из того, что Земля имеет форму эллипсоида вращения.

Размеры Земли. В Советском Союзе в настоящее время приняты размеры земного шара, вычисленные советскими учеными Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым. Они характеризуются следующими данными.

Сжатие Земли

Поверхность Земли S = 510 млн. км².

Водная поверхность Земли Sb = 71 % всей поверхности Земли.

Поверхность суши Sc = 29% всей поверхности Земли.

Объем Земли V = 1083 млрд. км³.

Масса Земли m = 6Х10²¹ т, из которых около 7% приходится на воду.

Длина дуги в 1° на разных географических широтах различна:

Для вычисления размеров земного эллипсоида Ф. Н. Красовский привлек большие материалы по градусным измерениям не только Советского Союза, но также Западной Европы и США. Кроме того, впервые для вычислений размеров Земли были использованы результаты измерений силы тяжести. Выведенные таким путем размеры эллипсоида более отвечают фигуре Земли в ее континентальной части, чем все ранее полученные. Поэтому 7 апреля 1946 г. Совет Министров СССР принял постановление, согласно которому все геодезические работы должны вестись на основе эллипсоида Ф. Н. Красовского.

Географическое значение формы и размеров Земли. Шарообразная форма Земли обусловливает неравномерное распределение тепла на земной поверхности. Солнечные лучи падают на выпуклую поверхность шара под разными углами. В экваториальной зоне они падают отвесно или почти отвесно, а при удалении от экватора угол падения солнечных лучей на земную поверхность уменьшается. В связи с этим нагревание Земли в один и тот же момент от экватора к полюсам уменьшается, что приводит к изменению климатов, к изменению условий природы на различных широтах

Вряд ли нужно много писать о форме Земли. Всем ясно, что Земля представляет собой шар, слегка сплюснутый у полюсов, т. е. так называемый эллипсоид. Однако правильное, современное представление о форме и размерах Земли было достигнуто далеко не сразу и достигалось порою в тяжелой борьбе науки с религией.

Греческий поэт Гомер (IX-VIII в. до н. э.) изображал Землю в виде круга, схваченного со всех сторон рекой Океаном, «которая катит свои могучие воды по ободу богатого щита»; такое изображение Земли было выгравировано, якобы, на щите мифического героя Ахиллеса. Философ Фалес (VI в. до н. э.) полагал, что Земля - шар, а его ученик Анаксимандр изображал Землю в виде цилиндра. Другие философы и ученые Древней Греции представляли Землю то в виде куба, то в виде лодки и т. д.; ученики Ксенофонта и Анаксимена считали, что Земля - очень высокая гора. Греческая мифология содержит легенду о том, как Зевс, желая определить размеры Земли, выпустил одновременно двух орлов, одного на запад, другого на восток: они встретились в городе Дельфах; это называлось «обнаружение Земли путем слета двух орлов».

Еще совсем недавно, в 1862 г., немецкий ученый П. Иоселиани, определяя «глубину толстоты земного шара», получил 4536,8 км, что в 11/2 раза меньше действительной величины. Трудно поверить, но еще в 1876 г. в Петербурге была издана брошюра под названием: «Земля неподвижна, популярная лекция, доказывающая, что земной шар не вращается ни около оси, ни около Солнца. Читана в Берлине, доктором Шепфером. Перевод с немецкого Н. Соловьева. Издание 2-е, исправленное». Мы не будем останавливаться на подобных заблуждениях, и не будем касаться истории вопроса. Рассмотрим сведения, более существенные для нас в данном случае.