Фигура Земли

Что такое геоид? Узнаем больше о форме Земли

Фигура Земли

Всем привет. Из дискуссий о форме Земли я часто замечаю, что люди знают слово геоид, но зачастую не представляют, что именно это слово означает. Хочу тезисно осветить тему.

В середине 1730-х из Парижа отправляют две экспедиции, одну к экватору (в Перу), другую к полярному кругу (в Лапландию).

Цель экспедиций — определить, насколько сильно Земля отличается от шара, а также — в какую именно сторону (по расчётам Ньютона выходило, что Земля должна быть слегка сплюснута с полюсов, а Кассини такого намерил вблизи Парижа, что Земля у него выходила вообще вытянутой).

Выясняли это при помощи максимально точных на тот момент измерений длины дуги меридиана, соответствующей одному градусу. [1] В случае сплюснутой Земли длина одноградусной дуги меридиана должна удлиняться при перемещении от экватора к полюсу.

Именно это и было надёжно подтверждено. Это было первое в истории человеческого знания отклонение фигуры Земли от шара — в сторону слегка сплюснутого эллипсоида вращения (сфероида). [2]

В последующие века геодезия (наука о фигуре Земли) продолжала развиваться, а с появлением космических аппаратов в 20 веке появилась и спутниковая геодезия, с помощью которой удалось дополнительно уточнить параметры фигуры Земли.

В качестве системы описания параметров Земли используется WGS 84 или её российский аналог ПЗ-90. В качестве отсчётного тела используется общеземной эллипсоид вращения с большой полуосью (то есть средним экваториальным радиусом) 6378 км и сжатием эллипсоида 1/298. [3]

Сразу обращаю внимание на малую величину сжатия эллипсоида — разница полярного и экваториального радиусов, несмотря на её на первый взгляд заметную абсолютную величину (21 км), составляет всего 1/298, то есть 0.3%. Чтобы наглядно увидеть, насколько это малая сплюснутость, нарисуем Землю в разрезе по (любому) меридиану:

Например сверху Северный полюс, снизу Южный, вращаем этот эллипс вокруг оси, проходящей через полюса, и получаем общеземной эллипсоид вращения. Внимание, вопрос: видите ли вы отличие этого эллипса от окружности? Вряд ли. Поэтому если вы упоминаете сплюснутость Земли сами или слышите о сплюснутости от другого человека, вспоминайте эту картинку.

Как следствие, форма Земли настолько незначительно отличается от шара, что упоминать про её сплюснутость во многих случаях — излишняя академичность.

В большинстве «бытовых» расчётов (если вы, скажем, захотите посчитать расстояние между двумя точками с заданными координатами) вам будет достаточно первого приближения фигуры Земли — шар с радиусом 6371 км (при этом точность расчёта расстояния окажется в среднем не хуже 0.5%).

В некоторых сетевых дискуссиях люди меня уверяли, что если фигура хоть сколько-то отличается от шара, то это уже не шар. Вот такая, понимаете ли, принципиальность.

Мои попытки рассказать этим людям, что идеальных геометрических фигур в физической реальности не существует, были не очень успешны.

И когда я демонстрировал вышеприведённую картинку и спрашивал, чем же она так отличается от окружности, мне либо говорили, что я рисую вообще что-то не то, либо разводили руками.

Из вышесказанного вы уже понимаете, что вторым приближением к форме Земли является общеземной эллипсоид вращения (с вышеуказанными величинами большой полуоси и сжатия).

Если представить себе Землю без суши, с ровным дном и без неоднородных вкраплений (плотные породы и тому подобное), то форма Земли (а именно поверхность мирового океана) с хорошей точностью совпадала бы с эллипсоидом вращения.

К слову, эллипсоид вращения и образовался как раз из-за суточного вращения нашей планеты, и когда возникает вопрос «почему нет горба воды в районе экватора из-за вращения», я отвечаю, что «горб» как раз есть, но он размазан между экватором и полюсом. Сумма гравитационной и центробежной сил как раз и дают направление силы тяжести (локальной вертикали), которая практически перпендикулярна к нашему эллипсоиду.

Практически перпендикулярна, однако в следующем, третьем приближении, есть отклонения направления силы тяжести (называется уклонением отвеса), связанные с неоднородностями: неровная поверхность суши и дна водоёмов, а также неравномерное распределение плотностей во внутренней структуре Земли. Это приводит к тому, что реальная поверхность мирового океана отличается от эллипсоида на величины до 100 метров. Такая уровенная поверхность невозмущённой поверхности мирового океана, причём продолженная под континентами, и называется геоидом. [4]

Так выглядит карта высот геоида относительно эллипсоида:

Понятно, что если на глаз трудно отличить даже 20-километровую сплюснутость Земли (эллипсоид в сравнении с шаром), то отличия геоида от эллипсоида в десятки метров в масштабе были бы тем более незаметны.

Поэтому для целей визуализации отличий геоида от эллипсоида (не от шара, подчёркиваю) была сделана картинка, в которой эти отличия были утрированы на несколько порядков.

А затем эту картинку кто-то вбросил со словами «так выглядит Земля без воды!» И почему-то этот вброс в своё время приобрёл вирусный характер, и до сих пор многие так и продолжают считать, что это форма Земли без воды:

Думаю, многие из вас неоднократно видели эту картинку. Удивительно, как широко может распространиться квази-знание о такой форме Земли, и как мало тех, кто радостно постит это художество, задумываются, почему в легенде указаны такие малые величины — десятки метров.

На самом деле Земля без воды будет выглядеть примерно так (шарики воды в порядке убывания — вся солёная вода; вся пресная грунтовая вода; вся пресная вода в открытых водоёмах):

Ну и завершим мы такой, например, вполне подходящей картинкой, на которой не в масштабе, а условно приведены разные поверхности всех трёх приближений к форме Земли (сфера, эллипсоид вращения, геоид):

Отметим, что уровенных поверхностей может быть много, на разных высотах, и только одна уровенная поверхность называется геоидом — та, которая совпадает с поверхностью мирового океана.

Ваша высота над уровнем моря, которую вам показывает барометр и GPS, — это высота относительно геоида.

Поэтому ответ на мой «каверзный» вопрос (который я иногда задаю тем, кто любит упоминать слово геоид), входит ли Эверест в форму геоида — нет конечно, не входит. Его высота 8848 метров именно относительно геоида и приводится.

Примечания.

[1] Эти измерения проводили с помощью триангуляционной разметки на Земле и последующих астрономических измерений высоты кульминации выбранной звезды.

[2] Слова «форма» и «фигура» в данном тексте — равноправные синонимы.

[3] Приведённые значения округлены, более точные значения составляют 6378136 метров и 1/298.258.

[4] Невозмущённая — без волн и без приливных эффектов. Уровенная поверхность — поверхность, при перемещении по которой работа силы тяжести равна нулю.

Источник: https://pikabu.ru/story/forma_zemli_ili_chto_takoe_geoid_5839894

Фигура Земли

Фигура Земли

Земля представляет третью планету от Солнца в Солнечной системе. После проведения многочисленных исследований, сложились современные представления о фигуре Земли и ее размерах. При этом начало таким исследованиям было положено еще в далекие древние времена.

Модели фигуры Земли

В Древней Греции ученый-географ Эратосфен Киренский (II век до н.э.) называл Землю «шаром», обладающим радиусом в 6290 км (длина экватора, согласно его данным, составляет 39501 км, при этом фактически такой показатель оказался меньше всего лишь на 574 км (40 075 км)).

Форма Земли изучалась и изучается на базе результатов геодезических измерений, а также измерений силы тяжести в разных точках земной поверхности. Некоторые величины, которые характеризуют ее фигуру и размеры, уточнены учеными, согласно данным искусственных спутников Земли.

Рисунок 1. Поверхность геоида. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Действительная поверхность Земли обладает сложной и неправильной формой, получившей название «геоидной». Геоид представляет собой фигуру геометрического типа, совпадающую со средней поверхностью вод в Мировом океане, которая свободна от течений и приливов. Таким образом, поверхность геоида оказывается перпендикулярной отвесной линии во всех его точках).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

По причине того, что геоид обладает сложной и неправильной формой, с целью решения разных задач на поверхности Земли, потребуется подбор такой математически верной фигуры, которая оказалась бы близкой по своей форме к геоидной. Речь может идти об эллипсоиде вращения (то есть сфероиде). Земной эллипсоид считается трехосным эллипсоидом вращения и обладает следующими характеристиками:

  • его объем равнозначен объему геоида;
  • наблюдается совпадение его большой и малой осей непосредственно с плоскостью экватора (имеется в виду большая ось) и также осью вращения Земли (это малая ось);
  • минимальными будут отклонения его поверхности от Земли (т.е. – они не будут превышать 100÷150 м);
  • данный земной эллипсоид является строго определенных размеров и выступает как вспомогательная поверхность всем геодезическим и картографическим работам.

Каждая страна до 1964 г. ориентировалась на данные «своего» земного эллипсоида, и он назывался референц-эллипсоидом, выступая как образец. С 1946 г. для всех работ на территории бывшего СССР приняли референц-эллипсоид Красовского Ф.Н., чья разность полуосей составила 21 км 382 м.

Искусственные спутники для уточнения фигуры Земли

Рисунок 2. Форма Земли. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Искусственные спутники выступили помощниками при уточнении фигуры Земли и выявлении комплекса ранее неизвестных ее особенностей. Изначально ученые определили ее сжатие.

Так, было установлено, что в условиях движения спутников по орбите, точки (самая максимально удаленная от Земли (апогей) и оптимально приближенная к ней) (перигей)) точки (их орбиты) не могут сохранять неизменное положение в отношении звезд (это было бы возможным при условии, что Земля обладала бы формой шара).

Как апогей, так и перигей не видны с Земли (если говорить об одном и том же времени и равных направлениях). Такие точки обходят вокруг Земли, их движение при этом оказывается тем быстрее, чем большим будет сжатие Земли и если плоскость орбиты спутника к плоскости земного экватора наклонена как можно меньше.

Когда известны величины смещения апогея (перигея) после каждого оборота, совершаемого Землей, среднее расстояние от центра Земли спутника, период, за который осуществляется его обращение вокруг нее, а также наклон его орбиты касательно плоскости земного экватора, сжатие Земли ученые могут легко определить.

Сжатый эллипсоид представляет правильное тело вращения. При этом иметь правильную фигуру может исключительно однородное (или имеющее равномерное распределение плотности) вращающееся тело, чья поверхность во всех точках будет находиться в перпендикулярном положении направлению силы тяжести.

Действительно, массы в земной коре распределены неравномерным образом, что объясняет невозможность совпадения поверхности, перпендикулярной во всех точках отвесу (уровенной поверхности) с поверхностью эллипсоида.

При этом оказывается различным и угол в разных точках, который образован указанными поверхностями.

Возможно проведение уровенных поверхностей бесчисленное множество раз, при этом будет исключаться их какие-либо совпадения или пересечения, отмечают ученые. Та из уровенных поверхностей, ближе всего подходящая к поверхности земного эллипсоида, будет называться геоидом.

Изменения формы геоида в фигуре Земли

Рисунок 3. Фигура Земли. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

С поверхностью геоида в действительности будет совпадать спокойная поверхность Мирового океана. На материках поверхность геоида наблюдается в глубоких каналах, соединенных с Океаном. Воздействующие на земную поверхность силы провоцируют нарушение ее устойчивого (перпендикулярного направлению силы тяжести) положения, способствуя отклонению от уровенной поверхности.

С прекращением провоцирующей отклонение силы, водная поверхность начинает быстро принимать положение уровенной, в то же время фиксируется сравнительно медленное выравнивание поверхности суши. Ta поверхность Земли, которую наблюдается нами, осложнена действием процессов внутренней и внешней направленности, она представляет собой физическую поверхность Земли.

Фигура геоида подвержена воздействию различных изменений, которые могут провоцировать:

  • изменения скорости вращения Земли;
  • перераспределение масс земного вещества.

Ученые в момент обработки результатов перемещения спутников по полярным орбитам, заметили следующие особенности:

  • выяснилось, что северное и южное полушария ассиметричны;
  • южное полушарие более сжато, имеется осевая впадина около южного полюса;
  • в северном полушарии наблюдается существование осевого выступа; северный полюс приподнят, сравнительно с южным, приблизительно на 30 м.

Фигура Земли обусловливает закономерное сокращение угла падения на ее поверхность солнечных лучей (в направлении полюсов от экватора).

Это провоцирует убывание в таком же направлении объема солнечной энергии, которую получает поверхность.

Размеры земного эллипсоида получены на основе показателей, полученных при геодезических съемках, проводимых на территории России, учитывая результаты градусных измерений, проводимых в других странах.

Источник: https://spravochnick.ru/geodeziya/figura_zemli/

1.4. Понятие о форме и размерах Земли

Фигура Земли

В геодезии для обозначения формы земной поверхности используют термин «фигура Земли».

Знание фигуры и размеров Земли необходимо во многих областях и прежде всего для определения положения объектов на земной поверхности и правильного её изображения в виде карт, планов и цифровых моделей местности.

Физическая поверхность Земли состоит из подводной (70,8 %) и надводной (29,2 %) частей.

Подводная поверхность включает в себя систему срединно-океанических хребтов, подводные вулканы, океанические желоба, подводные каньоны, океанические плато и абиссальные равнины.

Надводная часть земной поверхности также характеризуется многообразием форм. С течением времени поверхность Земли из-за тектонических процессов и эрозии постоянно изменяется.

Рис. 2. Фигура Земли (вид из космоса)

Представление о фигуре Земли (рис. 2) в целом можно получить, вообразив, что вся планета ограничена мысленно продолженной поверхностью океанов в спокойном состоянии.

Уровенных поверхностей, огибающих Землю, можно вообразить множество. Та из них, что совпадает со средним уровнем воды океанов в спокойном состоянии, т.е. в момент полного равновесия всей массы находящейся в ней воды под влиянием силы тяжести, называется основной уровенной поверхностью Земли.

В геодезии, как и в любой другой науке, одним из основополагающих принципов является принцип перехода от общего к частному. Исходя из него, для решения научных и инженерных задач по изучению физической поверхности Земли, а также других геодезических задач, сначала необходимо определиться с математической моделью поверхности Земли.

Что принимается за математическую поверхность Земли? Что является фигурой Земли? Какие у неё размеры?

Ответы на эти вопросы рассмотрим далее.

1.4.1. Математическая поверхность Земли

Рассмотрим любую материальную точку А на физической поверхности Земли (рис. 3).

На эту точку оказывают влияние две силы: сила притяжения Fп, направленная к центру Земли, и центробежная сила вращения Земли вокруг своей оси Fц, направленная от оси вращения по перпендикуляру. Равнодействующая этих сил называется силой тяжести Fт.

В любой точке земной поверхности направление силы тяжести, называемое ещё вертикальной или отвесной линией, можно легко и просто определить с помощью уровня или отвеса. Оно играет очень большую роль в геодезии. По направлению силы тяжести ориентируется одна из осей пространственной системы координат.

Если через точку А построить замкнутую поверхность, которая в каждой своей точке будет перпендикулярна отвесной линии (направлению силы тяжести), то данную поверхность можно принять в качестве математической при решении некоторых частных задач в геодезии. Такая поверхность получила название уровенной или горизонтальной. Её недостаток в том, что она содержит элемент неопределенности, т.е. через любую точку можно провести свою уровенную поверхность, и таких поверхностей будет бесчисленное множество.

Рис. 3. Моделирование фигуры Земли

Для устранения этой неопределенности при решении общих геодезических задач принимается так называемая общая математическая поверхность, т.е.

уровенная поверхность, которая в каждой своей точке совпадает со средним уровнем морей и океанов в момент полного равновесия всей массы воды под влиянием силы тяжести.

Такая поверхность носит название общей фигуры Земли или поверхности геоида.

Геоид – выпуклая замкнутая поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах в спокойном состоянии и перпендикулярная к направлению силы тяжести в любой её точке (см. рис. 3).

Фигура геоида зависит от распределения масс и плотностей в теле Земли. Из-за неравномерного распределения масс внутри Земли геоид не имеет правильной геометрической формы, и в математическом отношении его поверхность характеризуется слишком большой сложностью.

Поэтому там, где это допустимо, поверхность геоида заменяется приближенными математическими моделями, в качестве которых принимается в одних случаях земной сфероид, в других –земной шар, а при топографическом изучении незначительных по размеру территорий – горизонтальная плоскость, т.е. плоскость, перпендикулярная к вертикальной линии в данной точке.

Земной сфероид – эллипсоид вращения получается вращением эллипса вокруг его малой оси b (см. рис. 3), совпадающей с осью вращения Земли, причем центр эллипсоида совмещается с центром Земли.

Размеры эллипсоида подбирают при условии наилучшего совпадения поверхности эллипсоида и геоида в целом (общеземной эллипсоид) или отдельных его частей (референц-эллипсоид).

Фигура референц-эллипсоида наилучшим образом подходит для территории отдельной страны или нескольких стран. Как правило, референц-эллипсоиды принимают для обработки геодезических измерений законодательно.

Наиболее удачная математическая модель Земли в виде референц-эллипсоида была предложена проф. Ф. Н. Красовским с большой полуосью a=6378245 м, малой – b=6356863 м  и  коэффициентом сжатия у полюсов a = (a-b)/a = 1/298.3 ~ 1/300. Отклонения эллипсоида Красовского от геоида на территории СНГ не превышают 150 м.

Постановлением Совета Министров СССР № 760 от 7 апреля 1946 года эллипсоид Красовского принят для территории нашей страны в качестве математической поверхности Земли.

В инженерной геодезии для практических расчетов за математическую поверхность Земли принимают шар со средним радиусом R=6371.11 км. Объем шара равен объему земного эллипсоида.

1.4.2. Физическая поверхность Земли

При топографическом изучении физической поверхности Земли надводная и подводная части рассматриваются отдельно. Надводная часть (суша) – местность (территория) является предметом изучения топографии. Подводную часть – акваторию (поверхность, покрытую водами морей и океанов) изучаетокеанография.

В свою очередь местность разделяют на ситуацию и рельеф.

Ситуацией называют совокупность постоянных предметов местности: рек, озер, растительного покрова, дорожной сети, населенных мест, сооружений и т.п. Границы между отдельными объектами ситуации называются контурами местности.

Рельефом (от лат. relevo – поднимаю) называют совокупность неровностей суши, дна океанов и морей, разнообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития.

Рельеф как совокупность неровностей физической поверхности Земли рассматривается по отношению к её уровенной поверхности.

Рис. 4. Рельеф местности

Рельеф слагается из положительных (выпуклых) и отрицательных (вогнутых) форм (рис. 4) и образуется главным образом в результате длительного одновременного воздействия на земную поверхность эндогенных (внутренних) и экзогенных (внешних) процессов.

Рельеф изучает геоморфология.

Основными формами рельефа являются гора, котловина, хребет, лощина.

Источник: https://olymp.in/news/1-4-ponyatie-o-forme-i-razmerax-zemli/737

Глава 2 Фигура и размеры Земли и их географические следствия

Фигура Земли

Земля, как и другие планеты Солнечной системы, имеет шарообразную форму. Ее диаметр около 12 750 км.

Поскольку человек видит лишь небольшую часть Земли, земная поверхность кажется ему плоским кругом, ограниченным линией, где небо как бы соприкасается с землей. Недаром многим древним народам Земля казалась плоской.

Позже, в Древней Греции во времена Гомера (IX–VIII вв. до н. э.), Землю представляли слегка выпуклым диском, наподобие щита воина, и считали, что сушу со всех сторон омывает океан.

Во времена Пифагора (VI в. до н. э.) стали предполагать, что Земля – шар, как и другие планеты. Первые доказательства шарообразности Земли принадлежат древнегреческому ученому Аристотелю (IV в. до н. э.).

К ним он относил наблюдения за лунными затмениями, во время которых тень от Земли, отбрасываемая на поверхность Луны, всегда круглая; изменение вида звездного неба при движении по меридиану; расширение горизонта при поднятии. Постепенно представления о Земле как о шаре стали основываться не на наблюдениях, а на точных расчетах и измерениях.

Первым, кто измерил величину земного шара, был древнегреческий ученый Эратосфен (III – II вв. до н. э.). Он измерил длину дуги 1° меридиана, а затем на этой основе рассчитал длину всей окружности Земли по меридиану. Она составила примерно 40 000 км, что близко к действительности.

Таким образом, ученые Древней Греции имели в общем правильные представления о форме и величине Земли. Однако карты их, показывающие распределение суши и воды на земной поверхности, были весьма несовершенны из-за недостатка фактических данных.

В период Средневековья, вплоть до XV в., многие научные представления античных народов о Земле, в том числе и о ее шарообразности, из-за господства церкви во всех сферах жизни отрицались.

рис. 9. Фигура и размеры Земли

С конца XV в. начинается возрождение, а потом и интенсивное развитие многих наук и культуры. Наступил период Великих географических открытий. Христофор Колумб в поисках западного пути в Индию открыл Новый Свет – Америку (1492 г.).

Васко да Гама, обогнув Африку, проложил морской путь в Индию (1497 г.). Фернан Магеллан и его спутники совершили первое кругосветное плавание (1519–1522 гг.).

В этот период сомнений в шарообразности Земли не было и Землю стали изображать в виде объемной модели – глобуса. Самый первый глобус диаметром 0,54 м был изготовлен немцем Мартином Бехаймом (1492 г.). По результатам открытий в XVI в.

создавались многочисленные карты Земли и обширные географические атласы (Г. Меркатор, А. Ортелий). В XVII в. в ряде европейских стран были начаты детальные съемки местности.

В связи с развитием знаний о природе Земли представления о ее форме продолжали совершенствоваться. В начале XVII в. голландским картографом Снеллиусом был изобретен способ измерения больших расстояний путем триангуляции. Этот способ помог уточнить представление о форме и величине Земли посредством измерения длины 1° меридиана в разных широтах.

В конце XVII в. на основании работ Ньютона возникло предположение о том, что ввиду осевого вращения земной шар должен быть сплюснут у полюсов. Последующими измерениями в XVIII в. было подтверждено, что Земля имеет фигуру эллипсоида, незначительно сплюснутого вдоль оси вращения (рис. 9).

У Земли полярный радиус (*6357 км) короче экваториального (=6378 км) на 21,4 км. Сжатием Земли называется отношение разности наибольшего (а) и наименьшего (в) радиусов эллипсоида к наибольшему радиусу. Сжатие Земли невелико и составляет в)/а = 1/298,3.

В дальнейшем выяснилось, что сплюснутость у Северного полюса на 30 м меньше, чем у Южного. Кроме того, было установлено, что экваториальные радиусы Земли не равны: большой радиус вдоль меридиана 15° в. д. – 165° з. д. на 213 м больше малого вдоль меридиана 105° в. д. – 75° з. д.

Из-за полярного и экваториального (1/30000) сжатия фигура Земли является трехосным эллипсоидом. Поскольку величина сжатия земного эллипсоида невелика и он мало отличается от шара, его называют также сфероидом.

В XIX в. было установлено, что фигура Земли сложнее и не соответствует ни одной правильной геометрической фигуре. Она отклоняется от эллипсоида из-за неоднородного строения недр и неравномерного распределения масс по плотности. В 1873 г. фигура Земли была названа по предложению немецкого ученого И. Листинга геоидом («подобным Земле»).

Геоид определяется как фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести, т. е. отвесной линии. Поверхность геоида совпадает с уровенной поверхностью Мирового океана в спокойном состоянии, мысленно продолженной под материками. Поднятия и опускания над эллипсоидом составляют в среднем от ±50 до ±100 м.

Их называют волнами геоида.

Выступы и понижения геоида были точно измерены из Космоса. На поверхности Океана выделяются шесть гигантских неровностей – планетарных аномалий с поперечником 3 – 5 тыс. км. Максимальное возвышение геоида наблюдается в Тихом океане близ острова Новая Гвинея ( + 78 м), минимальные отметки – в Индийском океане у острова Шри-Ланка ( – 112 м).

Так что общий размах выпуклостей и вогнутостей поверхности Океана достигает 190 м. Исследования показали, что источниками крупнейших аномалий океанической поверхности служат массы вещества, расположенные на глубинах порядка 400–900 м: под «буграми» на поверхности Океана расположены массы вещества повышенной плотности, а под «впадинами» – массы пониженной плотности.

Обобщенные черты рельефа водной поверхности Океана видны на рисунке 10.

Таким образом, на фигуре Земли отразились два фактора: осевое вращение Земли и сила тяжести (вес). Вес в целом уменьшается от полюсов к экватору на 6 г на 1 кг (на пружинных весах) и изменяется в зависимости от состава и плотности пород. Фигура Земли не остается постоянной и меняется как в связи с уменьшением скорости осевого вращения, так и в результате перераспределения масс внутри Земли.

Рис. 10. Рельеф водной поверхности Мирового океана по данным информации с искусственных спутников Земли (по Р. К. Клиге и др.)

Рис. 11. Физическая и теоретические поверхности Земли (по Г. Ю. Грюнбергу и др.)

Истинная физическая, или топографическая, поверхность Земли со всеми ее горами и впадинами не совпадает с поверхностью геоида и отступает от него на несколько километров (рис. 11).

Сила тяжести все время стремится выровнять действительную поверхность Земли, привести ее в соответствие с уровенной поверхностью.

Она является всеобъемлющей силой на Земле и лежит в основе рельефообразующих и всех других природных процессов.

Разница между эллипсоидом и геоидом невелика, поэтому для геодезических и картографических работ в нашей стране приняты следующие величины земного эллипсоида Ф. Н.

Красовского (назван в честь ученого, под руководством которого велись расчеты): экваториальный радиус а = 6378,2 км, полярный радиус b = 6356,8 км, полярное сжатие b)/а= 1/298,3, длина меридиана 40008,5км, длина экватора 40075,7 км, площадь поверхности Земли 510 млн км2. Для анализа большинства глобальных географических процессов и закономерностей допустимо принимать Землю за шар.

В настоящее время научными доказательствами шарообразности Земли считаются фотографии и измерения из Космоса с искусственных спутников Земли с разных расстояний и точек траекторий полетов, а также градусные измерения на поверхности Земли и лунные затмения.

Постепенное появление предметов из-за горизонта, увеличение дальности (радиуса) видимого горизонта при подъеме, изменение вида звездного неба при движении по меридиану, освещение высоких частей предметов перед восходом и после захода Солнца, кругосветные плавания и другие следствия свидетельствуют лишь о выпуклости Земли.

Фигура и размеры Земли имеют большое географическое значение. Шарообразная форма Земли обусловливает уменьшение угла падения солнечных лучей на земную поверхность от экватора к полюсам и, как следствие этого явления, образование нескольких тепловых поясов.

Тепловые пояса, в свою очередь, наряду с другими факторами (величиной и массой Земли, определенным расстоянием ее от Солнца) обусловливают закономерное изменение многих природных процессов и компонентов в географической оболочке по направлению от экватора к полюсам, т. е.

широтную зональность.

Размеры и масса Земли предопределяют такую силу земного притяжения, которая удерживает атмосферу определенного состава и

гидросферу, без которых была бы невозможна жизнь, основанная на органических полимерах. Важно при этом и расстояние Земли от Солнца. При более близком положении Земли к Солнцу, чем теперь, она могла бы превратиться в раскаленную пустыню, при более отдаленном – приобрести постоянный ледяной панцирь.

От размеров Земли зависят масштабы процессов, происходящих на планете, а также спектр природных зон: при больших размерах он был бы богаче и разнообразнее, при меньших – гораздо беднее, чем сейчас.

Таким образом, жизнь на Земле, возникновение и существование на ней географической оболочки в значительной мере зависят от формы и размеров нашей планеты, а также расстояния ее от Солнца.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/11_57237_glava--figura-i-razmeri-zemli-i-ih-geograficheskie-sledstviya.html

Гранит и камень

Фигура Земли
 

Знание фигуры и размеров Земли необходимо во многих областях и прежде всего для определения положения объектов на земной поверхности и правильного её изображения в виде карт, планов и цифровых моделей местности.

Земная поверхность представляет собой ряд неровностей: горы, лощины, овраги, равнины, долины, плато и прочие очертания суши чередуются с водным пространством океанов, морей, рек, озер и других водоемов.

Площадь поверхности океанов и морей во много раз больше площади суши. Из 510 млн. кв. км всей поверхности нашей планеты 361 млн. кв. км (71 %) занимают водоемы, и лишь 149 млн. кв. км (29 %) — суша.

Подводная поверхность включает в себя систему срединно-океанических хребтов, подводные вулканы, океанические желоба, подводные каньоны, океанические плато и абиссальные равнины.

Надводная часть земной поверхности также характеризуется многообразием форм — горы, овраги, возвышенности, низменности и т. д.

С течением времени поверхность Земли из-за тектонических процессов и эрозии постоянно изменяется.

Если представить карту земной поверхности в целом, то отдельные неровности — горы, овраги, лощины и т. д. в сравнении с рельефом всей земной поверхности будут настолько незначительными, что общий вид Земли представится в виде формы, близкой к форме шара, радиус которого — около 6370 км.

Последние исследования формы земной поверхности показали, что она уклоняется от правильной геометрической формы сфероида и в реальности имеет форму неправильной объемной фигуры, отдаленно напоминающей грушу, и получившей название «геоид«, от греческого «гео» — Земля.
Термин «геоид» для обозначения реальной формы Земли предложил в 1873 году немецкий физик Иоганн Листинг.

Теоретически поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии, и мысленно продолжается под (или над) сушей. Эта поверхность принимается за математическую поверхность Земли, или, как ее называют в обиходе, «уровень моря», от которого отсчитывают высоты точек суши (так называемые ортометрические высоты).

Реальная форма геоида весьма сложна и зависит от распределения масс и плотностей в теле Земли. Точно установить положение поверхности геоида на суше очень сложно, поскольку измерения силы тяжести выполняются на физической поверхности Земли, а затем довольно сложными приемами редуцируются на математическую поверхность (геоид) с некоторой долей погрешности.

Для упрощения расчетов поверхности геоида и получения более точных результатов моделирования, математики применяли и применяют различные приемы (поверхность квазигеоида Молоденского, модель геоида EGM96, использующая сферические функции — гармоники и т. д.). Все эти математические приемы достаточно сложны.

В последние годы заметный прогресс в получении реальной модели земной поверхности позволило получить развитие спутниковой системы измерений.

В настоящее время наиболее широкое использование получил геоцентрический эллипсоид WGS84 (World Goodetic System 1984). Он служит основой для измерения местоположений во всем мире. Система спутниковой навигации GPS сообщает координаты в системе эллипсоида WGS84 (World Goodetic System 1984).

Общеземной эллипсоид ориентируется в теле Земли согласно следующим условиям (определяемыми международными геодезическими организациями, которые организуются и направляются Международной ассоциацией геодезии, действующей по инициативе и в рамках Международного геодезического и геофизического союза):

  • Малая полуось должна совпадать с осью вращения Земли.
  • Центр эллипсоида должен совпадать с центром масс Земли.
  • Сумма квадратов отступлений геоида от общеземного эллипсоида должна быть по всей Земле наименьшей из всех возможных.

Тем не менее, некоторые погрешности и отступления от реальной поверхности имеются при любых, применяемых в настоящее время, расчетах и измерениях.
Для геодезических работ рекомендуется использовать средний эллипсоид GRS80 (Geodetic Reference System 1980), принятый Генеральной Ассамблеей Международной ассоциацией геодезии в 1979 г.

Фигура геоида связана с направлением силы тяжести и, следовательно, существенно зависит от неравномерного распределения масс в земной коре. Поэтому поверхность геоида имеет неправильную, в геометрическом отношении весьма сложную фигуру с неравномерно изменяющейся кривизной.

Однако исследованиями установлено, что поверхность геоида в общем близка к поверхности эллипсоида вращения с небольшим сжатием по направлению малой (полярной) оси. Иногда такой эллипсоид называют сфероидом.

В геодезии для обозначения формы земной поверхности часто используют термин «фигура Земли».

* * *



Математическая поверхность Земли

Рассмотрим любое тело в виде материальной точки А на физической поверхности Земли (рис. 1).

На точку А оказывают влияние две силы: сила притяжения Fп, направленная к центру Земли, и центробежная сила вращения Земли вокруг своей оси , направленная от оси вращения по перпендикуляру.
Равнодействующая этих сил называется силой тяжести .

В любой точке земной поверхности направление силы тяжести, называемое ещё вертикальной или отвесной линией, можно легко и просто определить с помощью уровня или отвеса. Оно играет очень большую роль в геодезии. По направлению силы тяжести ориентируется одна из осей пространственной системы координат.

Если через точку А построить замкнутую поверхность, которая в каждой своей точке будет перпендикулярна отвесной линии (направлению силы тяжести), то данную поверхность можно принять в качестве математической при решении некоторых частных задач в геодезии.

Такая поверхность получила название уровенной или горизонтальной. Её недостаток в том, что она содержит элемент неопределенности, т. е. через любую точку можно провести свою уровенную поверхность, и таких поверхностей будет бесчисленное множество. Для устранения этой неопределенности при решении общих геодезических задач принимается так называемая общая математическая поверхность, т. е. уровенная поверхность, которая в каждой своей точке совпадает со средним уровнем морей и океанов в момент полного равновесия всей массы воды под влиянием силы тяжести. Такая поверхность носит название общей фигуры Земли или поверхности геоида.

Геоид — выпуклая замкнутая поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах в спокойном состоянии и перпендикулярная к направлению силы тяжести в любой её точке (см. рис.1).

Из-за неравномерного распределения масс внутри Земли геоид не имеет правильной геометрической формы, и в математическом отношении его поверхность характеризуется слишком большой сложностью. Поэтому там, где это допустимо, поверхность геоида заменяется приближенными математическими моделями, в качестве которых принимается в одних случаях земной сфероид, в других — земной шар, а при топографическом изучении незначительных по размеру территорий — горизонтальная плоскость, т. е. плоскость, перпендикулярная к вертикальной линии в данной точке.

Земной сфероид — эллипсоид вращения, который получается вращением эллипса вокруг его малой оси b (см. рис.1), совпадающей с осью вращения Земли, причем центр эллипсоида совмещается с центром Земли.

Размеры эллипсоида подбирают при условии наилучшего совпадения поверхности эллипсоида и геоида в целом (общеземной эллипсоид) или отдельных его частей (референц-эллипсоид). Фигура референц-эллипсоида наилучшим образом подходит для территории отдельной страны или нескольких стран.

Как правило, референц-эллипсоиды принимают для обработки геодезических измерений законодательно.

Размеры земного эллипсоида в разное время определялись многими учеными по материалам градусных измерений.

В США, Канаде, Мексике, Франции при создании карт пользуются размерами эллипсоида Кларка, в Финляндии и некоторых других странах — размерами эллипсоида Хейфорда, в Австрии — размерами эллипсоида Бесселя .

Наиболее удачная математическая модель Земли в виде референц-эллипсоида была предложена проф. Ф. Н. Красовским с большой полуосью a = 6378245 м, малой — b = 6356863 м и коэффициентом сжатия у полюсов α = (a-b)/a = 1/298.3 ~ 1/300.

Постановлением Совета Министров СССР № 760 от 7 апреля 1946 года эллипсоид Красовского принят для территории нашей страны в качестве математической поверхности Земли.

В инженерной геодезии для практических расчетов за математическую поверхность Земли принимают шар со средним радиусом R = 6371.11 км. Объем шара равен объему земного эллипсоида.

Если на поверхности такого эллипсоида выделить фигуру в виде треугольника со сторонами примерно 25 км каждая, то окажется, что все линии в пределах поверхности этого треугольника, проложенные по поверхности эллипсоида, будут различаться по длине всего на 20 мм от длины прямых линий, соединяющих одноименные точки. Такая разница для многих вычислений и измерений является настолько незначительной, что ей можно пренебречь и считать данные линии спроектированными не на сферическую поверхность, а на плоскость. Этим приемом пользуются при составлении планов и крупномасштабных карт. Таким образом, участок сферической поверхности Земли в пределах треугольника со сторонами в 25 км (площадью до 320 кв. км) можно принять за плоскость.

При геодезических измерениях, не требующих повышенной точности, за плоскость условно принимается и окружность на поверхности Земли радиусом до 10 км.

* * *

Физическая поверхность Земли

При топографическом изучении физической поверхности Земли надводная и подводная части рассматриваются отдельно. Надводная часть (суша) — местность (территория) является предметом изучения топографии.

Подводную часть — акваторию (поверхность, покрытую водами морей и океанов) изучает океанография. В свою очередь местность разделяют на ситуацию и рельеф.

Ситуацией называют совокупность постоянных предметов местности: рек, озер, растительного покрова, дорожной сети, населенных мест, сооружений и т. п. Границы между отдельными объектами ситуации называются контурами местности.
Рельефом (от лат.

«relevo» — поднимаю) называют совокупность неровностей суши, дна океанов и морей, разнообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития.
О рельефе местности можете почитать отдельные статьи сайта.

Рельеф как совокупность неровностей физической поверхности Земли рассматривается по отношению к её уровенной поверхности.

Рельеф слагается из положительных (выпуклых) и отрицательных (вогнутых) форм и образуется главным образом в результате длительного одновременного воздействия на земную поверхность эндогенных (внутренних) и экзогенных (внешних) процессов.

Рельеф изучает раздел геодезии — геоморфология.

* * *

Уровненная поверхность и горизонтальное проложение



Источник: http://granit2006.ru/geodezia/forma/

Booksm
Добавить комментарий