Материал: Методы изучения фигуры Земли

В 1841 г. немецкий астроном Ф. Бессель, используя градусные измерения, вычислил радиус Земли и ее сжатие у полюсов, т. е. получил цифры, характеризующие основные элементы земного эллипсоида. Результат был настолько точным, что эти цифры использовались при различных геодезических исследованиях, в картографии и т. п. в течение 100 лет. [2]

3. Методы изучения фигуры Земли

3.1 Гравиметрический метод

Гравиметрия - раздел науки об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли <#"799023.files/image006.gif">

где G - Гравитационная постоянная, mu - единичная масса, dm - элемент массы, R - радиус-векторы точки измерения, r - радиус-вектор элемента массы, w - угловая скорость вращения Земли; интеграл берется по всем массам.

Потенциал силы тяжести , соответственно, определяется соотношением:

где  - широта точки измерения.

Основное содержание гравиметрии - теории и методы определения внешнего поля потенциала и силы тяжести Земли по измерениям на земной поверхности и по астрономо-геодезическим данным, исследования внутреннего строения планет, решения некоторых задач навигации.

Гравиметрия включает теорию нивелирных высот, обработку астрономо-геодезических сетей в связи с вариациями гравитационного поля Земли.

Единицей измерения в гравиметрии является Гал (1 см/с2) названная в честь итальянского учёного Галилео Галилея.

Определения силы тяжести производятся относительным методом, путем измерения при помощи гравиметров и маятниковых приборов разности силы тяжести в изучаемых и опорных пунктах. Сеть же опорных гравиметрических пунктов на всей Земле связана в конечном итоге с пунктом в Потсдаме (Германия), где оборотными маятниками в начале 20 века было определено абсолютное значение ускорения силы тяжести (981 274 мгл; см. Гал). Абсолютные определения силы тяжести сопряжены со значительными трудностями, и их точность ниже относительных измерений. Новые абсолютные измерения, производимые более чем в 10 пунктах Земли, показывают, что приведенное значение ускорения силы тяжести в Потсдаме превышено, по-видимому, на 13-14 мгл. После завершения этих работ будет осуществлен переход на новую гравиметрическую систему. Однако во многих задачах гравиметрии эта ошибка не имеет существенного значения, т.к. для их решения используются не сами абсолютные величины, а их разности. Наиболее точно абсолютное значение силы тяжести определяется из опытов со свободным падением тел в вакуумной камере. Относительные определения силы тяжести производятся маятниковыми приборами с точностью до нескольких сотых долей мгл. Гравиметры обеспечивают несколько большую точность измерений, чем маятниковые приборы, портативны и просты в обращении. Существует специальная гравиметрическая аппаратура для измерений силы тяжести с движущихся объектов (подводных и надводных кораблей, самолётов). В приборах осуществляется непрерывная запись изменения ускорения силы тяжести по пути корабля или самолёта. Такие измерения связаны с трудностью исключения из показаний приборов влияния возмущающих ускорений и наклонов основания прибора, вызываемых качкой. Имеются специальные гравиметры для измерений на дне мелководных бассейнов, в буровых скважинах. Вторые производные потенциала силы тяжести измеряются с помощью гравитационных вариометров.

Основной круг задач гравиметрии решается путем изучения стационарного пространственного гравитационного поля. Для изучения упругих свойств Земли производится непрерывная регистрация вариаций силы тяжести во времени. Вследствие того, что Земля неоднородна по плотности и имеет неправильную форму, ее внешнее гравитационное поле характеризуется сложным строением. Для решения различных задач удобно рассматривать гравитационное поле состоящим из двух частей: основного - называемого нормальным, изменяющегося с широтой места по простому закону, и аномального - небольшого по величине, но сложного по распределению, обусловленного неоднородностями плотности пород в верхних слоях Земли. Нормальное гравитационное поле соответствует некоторой идеализированной простой по форме и внутреннему строению модели Земли (эллипсоиду или близкому к нему сфероиду). Разность между наблюдённой силой тяжести и нормальной, вычисленной по той или иной формуле распределения нормальной силы тяжести и приведённой соответствующими поправками к принятому уровню высот, называется аномалией силы тяжести. Если при таком приведении принимается во внимание только нормальный вертикальный градиент силы тяжести, равный 3086 этвеш (т. е. в предположении, что между пунктом наблюдения и уровнем приведения нет никаких масс), то полученные таким путём аномалии называются аномалиями в свободном воздухе. Вычисленные так аномалии чаще всего применяются при изучении фигуры Земли. Если при приведении учитывается ещё и притяжение считающегося однородным слоя масс между уровнями наблюдения и приведения, то получаются аномалии, называемые аномалиями Буге. Они отражают неоднородности в плотности верхних частей Земли и используются при решении геологоразведочных задач. В гравиметрии рассматриваются также изостатические аномалии, которые специальным образом учитывают влияние масс между земной поверхностью и уровнем поверхности на глубине, на которую вышележащие массы оказывают одинаковое давление. Кроме этих аномалий вычисляется ряд других (Прея, модифицированные Буге и пр.). На основании гравиметрических измерений строятся гравиметрические карты с изолиниями аномалий силы тяжести. Аномалии вторых производных потенциала силы тяжести определяются аналогично как разности наблюденного значения (предварительно исправленного за рельеф местности) и нормального значения. Такие аномалии в основном используются для разведки полезных ископаемых.

В задачах, связанных с использованием гравиметрических измерений для изучения фигуры Земли, обычно ведутся поиски эллипсоида, наилучшим образом представляющего геометрическую форму и внешнее гравитационное поле Земли. [8]

3.2 Определение общего земного сфероида

Обозначим большую полуось сфероида (экваториальный радиус) через a, малую (полярный радиус) - через b; отношение (a-b)/a называется сжатием земного сфероида α. На величину a влияет не только скорость вращения планеты на своей оси, но и характер (степень однородности) внутреннего строения планеты. Наиболее правильно и точно представляет общую фигуру Земли в целом эллипсоид, вычисленный Ф. Н. Красовским и его сотрудниками на основании новых данных, полученных при обработке градусных измерений СССР, Западной Европы и США. Следовательно, экваториальный диаметр Земли равен 12756,5 км, длина земной оси 12713,7 км, а полярный радиус короче экваториального всего на 21,4 км, в связи с чем среднее полярное сжатие настолько ничтожно, что земной сфероид практически почти не отличается от правильного шара. Величина сжатия у таких планет, как Юпитер, Сатурн и Уран, много больше: она равна соответственно 1 : 15,4; 1 : 9,5 и 1 : 14. Их большее сжатие объясняется наличием атмосфер огромной протяжённости и тем, что они вращаются на своих осях почти в два с половиной раза быстрее, чем Земля. Средним радиусом Земли принято считать радиус шара, одинакового по объёму с земным сфероидом, а именно 6371,110 км. Вычислено, что поверхность земного сфероида составляет округлённо 510 млн. кв. км, а объём 1,083 X 1012 куб. км. Длина окружности меридиана 40008,548 км. Работы по вычислению нового эллипсоида показали, что Земля есть, в сущности, трехосный эллипсоид. Это означает наличие у неё не только полярного, но и экваториального сжатия, которое, впрочем, равно всего 1 :30 000. Следовательно, земной экватор - не окружность, а эллипс; наибольший и наименьший радиусы экватора отличаются на 213 м. Однако принятие трехосного эллипсоида в геодезических работах сильно усложнило бы эти работы и не принесло бы особых практических выгод. Поэтому фигуру Земли в геодезии и картографии рассматривают как двухосный эллипсоид.

3.3 Космический метод

Космическая геодезия - наука, изучающая использование результатов наблюдений искусственных и естественных спутников Земли для решения научных и научно-технических задач геодезии. Наблюдения выполняют как с поверхности планеты, так и непосредственно на спутниках. Космическая геодезия получила широкое развитие с момента запуска первого искусственного спутника Земли.

Одной из задач космической геодезии является изучение фигуры Земли, Луны и планет с использованием спутниковых измерений. [1]

С момента запуска искусственного спутника Земли 1958 год, перед геодезией были поставлены новые задачи, это наблюдения за искусственными спутниками Земли но орбите и определение пространственных координат точек Земной поверхности, создание опорной геодезической сети.

Влияние отклонений реальных орбит искусственных спутников Земли от вычисленных по формулам Кеплера, позволяет уточнить представление о гравитационном поле Земли и в конечном результате о ее форме.

В заключении приведем некоторые соображения, связанные с перспективами развития космической геодезии. Дело в том, что в настоящее время исследователи довольно ясно представляют себе, как применять существующие космические средства и методы для решения основных задач геодезии и геодинамики. По прежнему остается основной задачей геодезии определение размеров, фигуры и гравитационного поля Земли. Будет продолжена работа по уточнению и развитию больших региональных и глобальных триангуляционных сетей. В этой работе существенную роль играет установление единой общеземной системы координат для высокоточных измерений, а на первом этапе - определение взаимного положения начал и ориентировки осей различных систем геодезических координат.

Бытующее до сих пор мнение, что началом общеземной системы координат должен быть центр масс Земли, может измениться. Проблема определения положения центра масс в теле Земли оказалась гораздо сложнее, чем предполагали ранее: в точной постановке речь должна идти о центре масс системы Земля - Луна. Создание новой аппаратуры позволит с большей точностью изучать такие тонкие геодинамические эффекты, относящиеся именно к системе Земля - Луна, как движение полюсов Земли, вариации скорости вращения Земли, земные приливы.

Продолжится изучение смещений континентальных плит, несомненно будет осуществлен один из проектов глобальной службы слежения за движением материков. Продолжатся тончайшие, на пределе точности (несколько микроГал), исследования вариаций силы тяжести.

Но развитие космических методов в ближайшем будущем не ограничится их использованием в пределах Земли.

И хотя приставка «гео» остается в названиях научных дисциплин, о которых мы говорим, методы эти давно стали общими для исследования Солнечной системы в целом.

Давно уже ведется изучение гравитационного поля и фигуры Луны. Существуют даже попытки ввести в научный обиход термин «селенодезия» (Селена - древнегреческое название Луны). Есть смысл говорить об определении гравитационных полей планет.

А если серьезнее заглядывать в будущее космических методов, то можно представить себе такую задачу. Нельзя ли создать в рамках Солнечной системы единый подход к системам координат, который помогал бы увязывать их в единую иерархическую структуру?

Дело в том, что при полете КА к далеким планетам он как бы переходит из системы геоцентрической в гелиоцентрическую, потом, например (если пролетает около Марса), в ареацентрическую, а у нее должна быть связь с системами координат спутников Марса и т. д.

И если представить себе разницу в размерах (масштабах) этих систем координат, то неясным становится, как выдерживать единые требования к относительной точности определяемых координат.

Для самого КА эта проблема в основном «снимается» возможностями корректировки его движения, а для планет и их естественных спутников имеет существенное значение. И поскольку освоение Солнечной системы началось и продолжается, задача установления единой для Солнечной системы структуры систем координат будет, несомненно, решаться. [5

3.4    Геометрический метод

Астрономо-геодезический метод основан на использовании градусных Измерений, суть которых сводится к определению линейных величин градуса дуги меридиана и параллели на разных широтах.

Первым измерил Землю александрийский ученый Эратосфен в 36 году до нашей эры. Данные полученные или близки к современным, все первые подобные работы отличались недостаточной точностью линейных измерений, значительных по протяженности дуг на поверхности Земли.

Достаточную точность такие измерения достигли после разработанного голландским ученым Снелниусом методом триангуляции, сущность которого заключается в решении ряда треугольников примыкающих друг к другу и составляющих цепочку между конечными пунктами измерений дуги, по результатам угловых измерений в треугольниках можно вычислить искомое расстояние. Метод триангуляции позволил определять длину линий, сократив до минимума дорогостоящие и трудоемкие линейные измерения. При этом исходят из построения всего одной линии небольшой (5 - 10 км) длины - такая линия в геодезии называется базисом, и она закрепляется на поверхности Земли специальными знаками, установленными в начале и в конце. А затем с высокой точностью измеряют длинную линию (100 - 200 км), разбив ее на небольшие (20 - 30 км) отрезки, каждый из которых является стороной некоего треугольника. Получается триангуляционный ряд (рисунок 3), или цепочка треугольников, углы которых измерить гораздо проще, чем стороны. Для угловых измерений не важно, течет ли между пунктами река, расположен ли глубокий овраг или растет лес. Важно только, чтобы была прямая видимость с пункта на пункт.

Рисунок 3 Триангуляционные ряды (диагонали ромбов - оазисные линии)

Итак, метод триангуляции, основанный на чисто математическом методе решения треугольников, стал на века главным методом производства геодезических работ. И когда великий Ньютон на основе открытого им закона всемирного тяготения сделал вывод о том, что Земля не шар, а сплюснутый у полюсов сфероид, проверить это смогли геодезисты, измерив многокилометровые дуги меридианов близ экватора и в полярной области. Две экспедиции, одна в Перу, другая в Лапландии, снаряженные в первой половине XVIII в. Французской Академией наук, завершили этап становления геодезии как научной дисциплины. Они не только блестяще подтвердили справедливость закона всемирного тяготения для фигуры Земли, но и подвели к пониманию того, что основной научной и практической задачей геодезии является изучение фигуры, размеров и гравитационного поля Земли.

Важны точные измерения дуг меридианов: они дают возможность построить фигуру эллипсоида, наилучшим образом приближающуюся к реальной фигуре Земли. Понятие «градусные измерения» и отражает эту особенность геодезических работ по измерению дуг меридианов и широтных дуг: в основе их заложено стремление знать линейную величину одного градуса меридиана на разных широтах (тогда мы можем получить фигуру эллипсоида вращения, весьма близкую к реальной фигуре Земли) и, кроме того, длину одного градуса по широте на разных долготах (тогда мы сможем получить фигуру трехосного эллипсоида, также являющейся приближением к реальной фигуре Земли).

земля сфероид географический меридиан

Заключение

Таким образом, если обобщить всю перечисленную в данной работе информацию, можно прийти к выводу, что при изучение формы Земли используют все эти методы (геометрический, гравиметрический, астрономический) т. к. при изучение формы Земли нельзя думать, что с помощью одного метода можно все определить. Каждый метод имеет связь с другим методом и без использования всех методов нельзя получить полную характеристику формы Земли. Астрономический метод связан с гравиметрическим - гравитационным полем Земли, или астрономический связан с геодезическим - космической триангуляцией и т. д.

При изучение формы Земли используют все эти методы (гравиметрический, астрономический, геометрический), т. к. при изучение формы Земли нельзя думать, что с помощью одного метода можно все определить. Каждый метод имеет связь с другим методом и без использования всех методов нельзя получить полную характеристику формы Земли.

Кроме значительного скачка в определение формы Земли или научного прогресса, изучение ее размеров и формы показывает развитие нации, ведь сегодня наличие собственных космических спутников предназначенных для изучения поверхности Земли, ее формы и размеров является одним из показателей развития государства.

Список использованных источников

1. В. Н. Баранов, Е. Г. Бойко, И. И. Краснорылов и др. «Космическая геодезия» - 19862. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/GEOD/LEK/l1/L1.htm

. http://www.geo-site.ru/index.php/2011-01-21-10-59-05/106/391-forma-zemli.html4. Концепции современного естествознания. / Под ред. В.Н. Лавриенко, В.П. Ратникова. - 1997. 5. Изотов А. А. Астрономо-геодезические методы изучения геодинамических проблем. - Земля и Вселенная, - 1975.

. http://www.spbtgik.ru/book/2401.htm7. Шаткин Г.А. Наша планета - Земля // Наука и жизнь. 1- 999.