Фигура Земли

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Отклонения геоида (EGM96) от идеализированной фигуры Земли (эллипсоида WGS 84). Видно, что поверхность океана расходится с эллипсоидом: например, на севере Индийского океана она понижена на ~100 метров, а на западе Тихого — поднята на ~80 метров.

Фигура Земли — термин для обозначения формы земной поверхности. В зависимости от определения фигуры Земли устанавливаются различные системы координат.

История вопроса[править | править исходный текст]

Ещё в VI в. до нашей эры Пифагор считал, что Земля имеет шарообразную форму. То же открытие наиболее авторитетный автор в этом вопросе, Феофраст, отдаёт Пармениду. Да и Диоген Лаэртский сообщает, что суждение о шарообразности Земли высказывал Анаксимандр Милетский, у которого учился Пифагор в юности. Спустя 200 лет Аристотель доказал это, ссылаясь на то, что во время лунных затмений тень Земли всегда круглая. Спустя ещё 100 лет Эратосфен, зная расстояние от Александрии до Сиены и используя гномон около Александрийской библиотеки во время положения Солнца над Сиеной в зените, сумел измерить длину земного меридиана (250000 стадий) и вычислить радиус Земли (40000 стадий)[1]. Поскольку неизвестно, какими стадиями пользовался Эратосфен, невозможно установить это значение в современных единицах длины.

То, что форма Земли должна отличаться от шара, впервые показал Ньютон. Он предложил следующий мысленный эксперимент. Нужно прокопать две шахты: от полюса до центра Земли и от экватора до центра Земли. Эти шахты заливаются водой. Если Земля имеет форму шара, то глубина шахт одинакова. Но на воду в экваториальной шахте действует центробежная сила, в то время как на воду в полярной шахте — нет. Поэтому для равновесия воды в обеих шахтах необходимо, чтобы экваториальная шахта была длиннее.

Дальнейшее развитие теории фигуры Земли пошло благодаря работам Гюйгенса, Кассини, Клеро, Маклорена, д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Лежандра, Якоби, Дирихле, Пуанкаре и др.

Современные представления о фигуре Земли[править | править исходный текст]

В нулевом приближении можно считать, что Земля имеет форму шара со средним радиусом 6371,3 км. Такое представление нашей планеты хорошо подходит для задач, точность вычислений в которых не превышает 0,5 %. В действительности Земля не является идеальным шаром. Из-за суточного вращения она сплюснута с полюсов; высоты материков различны; форму поверхности искажают и приливные деформации. В геодезии и космонавтике для описания фигуры Земли обычно выбирают эллипсоид вращения или геоид. С геоидом связана система астрономических координат, с эллипсоидом вращения — система геодезических координат.

По определению, геоид — это поверхность, всюду нормальная силе тяжести.[2] Если бы Земля была целиком покрыта океаном и не подвергалась приливному воздействию других небесных тел и прочим подобным возмущениям, она имела бы форму геоида. В действительности в различных местах поверхность Земли может значительно отличаться от геоида. Для лучшей аппроксимации поверхности вводят понятие референц-эллипсоида, который хорошо совпадает с геоидом только на каком-то участке поверхности. Геометрические параметры референц-эллипсоидов отличаются от параметров среднего земного эллипсоида, который описывает земную поверхность в целом.

На практике используется несколько различных средних земных эллипсоидов и связанных с ними систем земных координат.

Название a, км 1/f GM×1014м³c−2 J2×10−3 Ω×10−5рад/с
WGS84 6378,137 298,257223563 3,986004418 1,08263 7,292115
GRS80 6378,137 298,257222101 3,986005 1,08263 7,292115
IERS96 6378,13649 298,25645 3,986004418 1,0826359 7,292115
ПЗ-90 6378,136 298,257839303 3,9860044 1,0826257 7,292115
Здесь:
  • а — экваториальный радиус Земли;
  • f — геометрическое сжатие эллипсоида (f=\frac{a-c}{a}, где c — полярный радиус Земли);
  • G — гравитационная постоянная;
  • M — масса Земли;
  • J2 — динамический форм-фактор Земли;
  • Ω — угловая скорость вращения Земли.

Системы координат[править | править исходный текст]

  1. Система WGS84 (World Geodetic System 1984) применяется в системе спутниковой навигации GPS;
  2. Система GRS80 (Geodetic Reference System 1980) рекомендована для геодезических работ;
  3. Система IERS96 (International Earth Rotation Service 1996) рекомендован Международной службой вращения Земли для обработки РСДБ-наблюдений;
  4. ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) — используется на территории России для геодезического обеспечения орбитальных полётов. В этой системе работает система спутниковой навигации ГЛОНАСС

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Трифонов Е.Д. Как измерили Солнечную систему // Природа. — 2008. — № 7. — С. 18—24.
  2. В определение силы тяжести входит не только гравитационная, но и центробежная составляющая, поэтому геоид не совпадает с эквипотенциальной поверхностью чистого гравитационного поля; он, таким образом, всюду перпендикулярен не чистому вектору напряженности гравитационного поля, а отвесной линии.

Литература[править | править исходный текст]