Главная > Французский > На что похожа форма земли. Какую форму имеет земля


На что похожа форма земли. Какую форму имеет земля




19 июня греческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский, живший с 276 по 194 год до нашей эры, вычислил радиус Земли. Он был не единственным, кто внёс неоценимый вклад в исследование планеты. Конечно же, с тех незапамятных времен человечество совершило не один научный прорыв, расширив и даже перевернув представление о голубой планете. На пути от "щита на спинах слонов" до геоида, Земля в умах наших предков была и плоской, и дискообразной, и выпуклой по полюсам. Возможно, многие удивятся, узнав, что она вовсе не круглая, и никогда такой не являлась. Именно к такому выводу пришли ученые благодаря последним исследованиям. Как же в действительности выглядит планета, на которой мы живем? Как раз об этом и пойдет речь далее.

Заблуждения древних учёных

Примечательно, что некоторое время назад большинство людей, среди которых были и учёные, отвергали идею о том, что Земля может быть шарообразной. Например, в III веке знаменитый писатель и философ Лактанций писал, что только самый взбалмошный мечтатель может вообразить, что существует человек, ходящий вниз головой, деревья, растущие сверху вниз, и град, падающий в обратном направлении. Критику поддержал и Козма Индикополов, написавший книгу "Христианская топография".

Греческий поэт Гомер изображал планету в виде круга, а Анаксимандр, ученик философа Фалеса - в виде цилиндра. Существовали версии о том, что Земля имеет форму куба, лодки, высокой горы... Несмотря на это, истина всё таки пробила себе путь через огромное количество ложных данных.

На сегодняшний день сложно представить, что еще в 1876 году на территории Санкт-Петербурга была издана брошюра с названием "Земля неподвижна". Она включала в себя лекцию, доказывающую, что планета не вращается ни вокруг собственной оси, ни вокруг Солнца. Автором работы стал немецкий специалист доктор Шепфер, выступивший с соответствующим докладом в Берлине.

Исследование формы Земли

Греческий философ Аристотель в IV веке до нашей эры одним из первых доказал, что Земля имеет форму шара. В качестве подтверждения своей теории учёный привёл простой и в то же время неопровержимый факт: во время лунных затмений планета отбрасывает на спутник именно круглую тень.

Постепенно идея о том, что Земля представляет собой шар, висящий в пространстве, распространялась всё шире. Спустя тысячи лет знаменитый физик и математик Исаак Ньютон дополнил эту информацию, заявив, что планета обладает не шарообразной, а шароподобной формой, приплюснутой на полюсах. Подтверждением этому послужил еще один случай, зафиксированный в 1672 году. Из Парижа в Гвиану были перевезены астрономические часы, которые со временем начали отставать. Позднее учёные выяснили, что маятник механизма качается более интенсивно около экватора, а на полюсах, наоборот, замедляет своё движение.

В XIX веке измерения силы тяжести в различных регионах также показали, что форма Земли представляет собой не эллипсоид вращения, а нечто более сложное . На многих островах притяжение оказывалось значительно большим, чем на материках. В связи с этим специалистам пришлось согласиться с тем, что уровень воды в морях и океанах может быть неодинаковой.

В ходе дальнейших исследований эксперты приняли термин "геоид", описывающий уникальную форму планеты.


Вышеупомянутое слово с древнегреческого языка переводится как "нечто, подобное Земле ". Это выпуклая замкнутая поверхность, параллельная поверхности воды в морях и океанах, когда они находятся в спокойном состоянии, и перпендикулярная к силе тяжести в любой точке. Такое понятие и его описание предложил немецкий математик Иоганн Бенедикт Листинг в 1873 году.


17 марта 2009 года на орбиту Земли был отправлен спутник GOCE, просуществовавший до 11 ноября 2013 года. Аппарат с помощью электростатического гравитационного градиометра изучал гравитационное поле планеты и её форму - геоид. Стрелообразная форма корпуса позволяла устройству сохранять ориентацию и уменьшала торможение в верхних слоях атмосферы. Благодаря информации, полученной с GOCE, сотрудники Европейского космического агентства смогли понять некоторые моменты в поведении океана, изучить опасные вулканические регионы и более точно осмыслить форму Земли.

Интересные факты

Современным учёным удалось выяснить, что на орбите Земли ранее существовал еще один объект - космическое тело под названием Тейя. Около 4,5 миллиардов лет оно врезалось в планету, в результате чего и образовалась Луна. О том, что эта теория вполне может оказаться правдой, свидетельствует и то, что нынешний спутник Земли слишком велик для неё и содержит такие же изотопы.

Некоторые исследователи утверждают, что у планеты есть еще одно тело, вращающееся вокруг неё. Это небольшой объект, чей диаметр не превышает и метра. Он называется "временной луной", так как его регулярно заменяют похожие осколки планет и астероидов. При этом хотя бы один миниатюрный спутник всегда находится на орбите Земли.

Специалисты уверены, что миллионы лет назад планета могла быть не зеленой а фиолетовой. Древние микробы, по словам учёных, использовали не хлорофил, а ретиналь - молекулу, защищающую их от солнечных лучей. Эти элементы и придавали Земле такой оттенок. В то время с неё уже практически исчезли гигантские грибы, которые были предшественниками деревьев и кустарников.

Одной из особенностей земного шара является и то, что жизнь на нём существовала без кислорода. Когда же элемент появился здесь, около 99% организмов вымерли, уступив место новым обитателям. По словам экспертов, в скором времени та же участь может постигнуть и человечество. Дело в том, что в какой-то момент в атмосфере станет слишком мало углекислого газа, из-за чего растения не смогут осуществлять фотосинтез и выделять кислород.

Многие специалисты уже начали готовиться к переселению людей в космос. Регулярно проводятся поиски и исследования планет, имеющих хотя бы незначительные сходства с Землёй. При этом существует риск обнаружить инопланетную цивилизацию. Будет ли она настроена враждебно или дружелюбно, пока неизвестно, однако чтобы подготовиться к встрече, в 2010 году ООН назначила официального посла, которому предстоит первым вступить в контакт с пришельцами, а позднее и вести с ними переговоры.


Также довольно интересным фактом о Земле является то, что ежегодно она становится на 1 000 тонн тяжелее. Это связано не только с популяцией живых организмов, но и с тем, что на её поверхность практически без остановки выпадает космическая пыль. Различные астероиды и другие сравнительно небольшие тела, приближаясь к Солнцу, разрушаются, тем самым загрязняя атмосферу и поверхность близлежащих планет. Исследователи считают, что этот факт не должен сильно настораживать и пугать человечество, так как в воздухе, которым дышат живые организмы, и так содержится огромное количество разнообразных веществ. Среди них азот, кислород, аргон, метан, гелий, неон, угарный газ и целый ряд других элементов.

Ученые отмечают, что истинная форма Земли имеет отличия и от геоида - слишком уж высокие отличия температур, солености морей и атмосферного давления... Возможно, новые спутники помогут разгадать эту загадку, и человечество забудет о шарообразных глобусах.

Игорь Рыжаков

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

История вопроса Ещё в VI в. до нашей эры Пифагор считал, что Земля имеет шарообразную форму. 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). 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

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. 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.

(Visited 93 times, 1 visits today)

Кто сказал, что земля круглая? December 17th, 2014

Говорят, что вот такая …

Впрочем, гипотеза о том, что наша планета имеет форму шара, существовала очень давно. Первым эту мысль высказал ещё в VI веке до нашей эры древнегреческий философ и математик Пифагор. Другой философ, Аристотель, живший в Древней Греции двумя веками позже, привёл наглядные доказательства шарообразности: ведь во время лунных затмений Земля отбрасывает на Луну тень именно круглой формы!

Постепенно идея о том, что Земля - шар, висящий в пространстве и ни на что не опирающийся, распространялась всё шире. Прошли века, людям давно известно, что Земля не плоская и не покоится на китах или слонах… Мы обошли вокруг света, пересекли наш шарик буквально во всех направлениях, облетели его на самолёте, сфотографировали из космоса. Мы даже знаем, почему не только наша, но и все другие планеты, и Солнце, и звёзды, и Луна, и другие большие спутники именно «круглые», а не какой-нибудь другой формы. Ведь они большие, обладают огромной массой. Их собственная сила тяготения - гравитация - стремится придать небесным телам форму шара.

Если бы даже объявилась некая сила, большая, чем гравитация, которая придала бы Земле форму, скажем, чемодана, кончилось бы всё равно тем же: как только бы действие этой силы прекратилось, сила тяготения начала бы снова собирать Землю в шар, «втягивая» выступающие части, пока все точки поверхности не оказались бы на равном расстоянии от центра.

Давайте продолжим размышления на эту тему …

Не шар!

Ещё в XVII веке знаменитый физик и математик Ньютон, сделал смелое предположение, что Земля - никакой не шар, вернее, не совсем шар. Предположил - и математически это доказал.

Ньютон «пробурил» (разумеется, мысленно!) до центра планеты два сообщающихся канала: один от Северного полюса, другой - от экватора, и «заполнил» их водой. Расчёты показали, что вода установилась на разных уровнях. Ведь в полярном колодце на воду действует только сила тяготения, а в экваториальном - ей ещё противостоит центробежная сила. Учёный утверждал: для того чтобы оба столба воды оказывали на центр Земли одинаковое давление, то есть чтобы они имели равный вес, уровень воды в экваториальном колодце должен бы быть выше - по подсчётам Ньютона на 1/230 от среднего радиуса планеты. Иными словами, расстояние от центра до экватора больше, чем до полюса.

Чтобы проверить расчёты Ньютона, Парижская академия наук отправила в 1735 - 1737 годах две экспедиции: в Перу и в Лапландию. Участники экспедиции должны были измерить дуги меридиана - по 1 градусу каждая: одну - в экваториальных широтах, в Перу, другую - в полярных, в Лап ланд ни. После обработки данных экспедиций, руководитель северной, геодезист Пьер-Луи Мопертюи, объявил, что Ньютон прав: Земля сжата у полюсов! Это открытие Мопертюи увековечил Вольтер в… эпиграмме:

Посланец физики, отважный мореход,
Преодолев и горы, и моря.
Влача квадрант средь снега и болот,
Почти что превратившись в лопаря.
Узнал ты после множества потерь.
Что знал Ньютон, не выходя за дверь.

Напрасно Вольтер был столь язвителен: разве наука может существовать без экспериментальных подтверждений её теорий?!

Как бы то ни было, теперь мы точно знаем, что Земля сплюснута у полюсов (если угодно - растянута у экватора). Растянута, впрочем, совсем немного: полярный радиус составляет 6357 км, а экваториальный - 6378 км, всего на 21 км больше.

Похожа на грушу?

Однако можно ли назвать Землю пусть не шаром, но «сплюснутым» шаром, а именно эллипсоидом вращения? Ведь, как мы знаем, рельеф у неё неровный: есть горы, есть и впадины. Кроме того, на неё действуют силы притяжения других небесных тел, в первую очередь Солнца и Луны. Пусть их влияние невелико, но всё-таки Луна способна на несколько метров искривлять форму жидкой оболочки Земли - Мирового океана, - создавая приливы и отливы. Значит - в разных точках радиусы «вращения» разные!

К тому же на севере находится «жидкий» океан, а на юге - «твёрдый» материк, покрытый льдом - Антарктида. Получается, что Земля имеет не совсем правильную форму, напоминает грушу, вытянутую к Северному полюсу. А по большому счёту поверхность её настолько сложна, что вообще не поддаётся строгому математическому описанию. Поэтому для формы Земли учёные предложили особое название - геоид. Геоид является неправильной стереометрической фигурой. Его поверхность приблизительно совпадает с гладью Мирового океана и продолжается на материковой части. Та самая «высота над уровнем моря», которую указывают в атласах и словарях, отсчитывается именно от этой поверхности геоида.

Ну и по научному:

Гео́ид (от др.-греч. γῆ - Земля и др.-греч. εἶδος - вид, буквально - «нечто подобное Земле») - выпуклая замкнутая поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах в спокойном состоянии и перпендикулярная к направлению силы тяжести в любой ее точке. Геометрическое тело, отклоняющееся от фигуры вращения Эллипсоид вращения и отражающее свойства потенциала силы тяжести на Земле (вблизи земной поверхности), важное понятие в геодезии.

1. Мировой океан
2. Земной эллипсоид
3. Отвесные линии
4. Тело Земли
5. Геоид

Геоид определяется как эквипотенциальная поверхность земного поля тяжести (уровенная поверхность), приблизительно совпадающая со средним уровнем вод Мирового океана в невозмущённом состоянии и условно продолженная под материками. Отличие реального среднего уровня моря от геоида может достигать 1 м.

По определению эквипотенциальной поверхности, поверхность геоида везде перпендикулярна отвесной линии.

Геоид не геоид!

Если быть совсем честными, стоит признаться, что из-за различия температуры в разных точках планеты и солёности океанов и морей, атмосферного давления и прочих факторов поверхность водной глади не совпадает по форме даже с геоидом, а имеет отклонения. Например, на широте Панамского канала разница уровней Тихого и Атлантического океанов составляет 62 см.

На форме Земного шара сказываются и сильные землетрясения. Одно из таких 9-балльных землетрясений произошло 26 декабря 2004 года в Юго-Восточной Азии, на Суматре. Профессора Миланского университета Роберто Сабадини и Джорджио Далла Виа считают, что оно оставило «шрам» на гравитационном поле планеты, в результате чего геоид существенно прогнулся. Чтобы проверить это предположение, европейцы намерены отправить на орбиту новый спутник GOCE, оснащённый современной высокочувствительной аппаратурой. Надеемся, что вскоре он пришлёт нам точную информацию о том, какую форму имеет Земля сегодня.

Около Александрийской библиотеки во время положения Солнца над Сиеной в зените, сумел измерить длину земного меридиана и вычислить радиус Земли. То, что форма Земли должна отличаться от шара впервые показал Ньютон.

Известно, что планета сформировалась под действием двух сил — силы взаимного притяжения её частиц и центробежной силы, возникающей из-за вращения планеты вокруг своей оси. Сила тяжести представляет собой равнодействующую этих двух сил. Степень сжатия зависит от угловой скорости вращения: чем быстрее вращается тело, тем больше оно сплющивается у полюсов.

Рис. 2.1. Вращение Земли

Понятие фигуры Земли может трактоваться по-разному в зависимости от того, какие требования предъявляются к точности решения тех или иных задач. В одних случаях Землю можно принять за плоскость, в других - за шар, в третьих - за двухосный эллипсоид вращения с малым полярным сжатием, в четвертых - трехосный эллипсоид.




Рис. 2.2. Физическая поверхность Земли (вид из космоса)

Суша составляет приблизительно одну треть от всей поверхности Земли. Она возвышается над уровнем моря в среднем на 900 - 950 м. По сравнению с радиусом Земли (R = 6371 км) это весьма малая величина. Поскольку большую часть поверхности Земли занимают моря и океаны, то за форму Земли можно принять уровенную поверхность, совпадающую с невозмущенной поверхностью Мирового океана и мысленно продолженную под материками.По предложению немецкого ученого Листинга данную фигуру назвали геоидом .
Фигура, ограниченная уровенной поверхностью, совпадающей с поверхностью воды Мирового океана в спокойном состоянии, мысленно продолженная под материками, называется геоидом.
Под Мировым океаном понимают поверхности морей и океанов, связанные между собой.
Поверхность геоида во всех точках перпендикулярна отвесной линии.
Фигура геоида зависит от распределения масс и плотностей в теле Земли. Она не имеет точного математического выражения и является практически неопределимой, в связи с чем в геодезических измерениях вместо геоида используется его приближение - квазигеоид. Квазигеоид , в отличие от геоида, однозначно определяется по результатам измерений, совпадает с геоидом на территории Мирового океана и очень близок к геоиду на суше, отклоняясь лишь на несколько сантиметров на равнинной местности и не более чем на 2 метра в высоких горах.
Для изучения фигуры нашей планеты сначала определяют форму и размеры некоторой модели, поверхность которой является сравнительно хорошо изученной в геометрическом отношении и наиболее полно характеризует форму и размеры Земли. Затем, принимая эту условную фигуру за исходную, определяют относительно нее высоты точек. Для решения многих задач геодезии за модель Земли принят эллипсоид вращения (сфероид).

Направление отвесной линии и направление нормали (перпендикуляра) к поверхности эллипсоида в точках земной поверхности не совпадают и образуют угол ε , называемый уклонением отвесной линии . Данное явление связано с тем, что плотность масс в теле Земли неодинакова и отвесная линия отклоняется в сторону более плотных масс. В среднем его величина составляет 3 - 4", а в местах аномалий достигает десятков секунд. Реальный уровень моря в разных регионах Земли отклонятся более чем на 100 метров от идеального эллипсоида.

Рис. 2.3. Соотношение поверхностей геоида и земного эллипсоида.
1) мировой океан; 2) земной эллипсоид; 3) отвесные линии; 4) тело Земли; 5) геоид

Для определения размеров земного эллипсоида на суше проводились специальные градусные измерения (определялось расстояние по дуге меридиана в 1º). На протяжении полутора веков (с 1800 по 1940 гг.) были получены различные размеры земного эллипсоида (эллипсоиды Деламбера (д"Аламбера), Бесселя, Хейфорда, Кларка, Красовского и др.).
Эллипсоид Деламбера имеет только историческое значение как основа для установления метрической системы мер (на поверхности эллипсоида Деламбера расстояние в 1 метр равно одной десятимиллионной расстояния от полюса до экватора).
Эллипсоид Кларка используется в США, странах Латинской Америки, Центральной Америки и других странах. В Европе используется эллипсоид Хейфорда. Он же был рекомендован в качестве международного, однако параметры указанного эллипсоида получены по измерениям, выполненным только на территории США, и, кроме того, содержат большие ошибки.
До 1942 г. в нашей стране применялся эллипсоид Бесселя. В 1946 г. размеры земного эллипсоида Красовского были утверждены для геодезических работ на территории Советского Союза и действуют до настоящего времени на территории Украины.
Эллипсоид, который используется данным государством, либо обособленной группой государств, для производства геодезических работ и проектирования на его поверхность точек физической поверхности Земли, называют референц-эллипсоидом. Референц-эллипсоид служит вспомогательной математической поверхностью, к которой приводят результаты геодезических измерений на земной поверхности. Наиболее удачная математическая модель Земли для нашей территории в виде референц-эллипсоида была предложена проф. Ф. Н. Красовским. На этом эллипсоиде основана геодезическая система координат Пулково-1942 (СК-42), которая использовалась в Украине для создания топографических карт с 1946 по 2007 год.

Размеры земного эллипсоида по Красовскому


Малая полуось (полярный радиус)

Большая полуось (экваториальный радиус)

Средний радиус Земли, принимаемой за шар

Полярное сжатие (отношение разницы полуосей к большой полуоси)

Площадь поверхности Земли

510083058 км²

Длина меридиана

Длина экватора

Длина дуги 1° по меридиану на широте 0°

Длина дуги 1° по меридиану на широте 45°

Длина дуги 1° по меридиану на широте 90°

При вводе Пулковской системы координат и Балтийской системы высот Совет Министров СССР возложил на Генеральный Штаб вооруженных сил СССР и Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР перевычисление в единую систему координат и высот триангуляционной и нивелирной сети, выполненной до 1946 года, и обязал их закончить эту работу в 5-летний срок. Контроль за переизданием топографических карт был возложен на Генеральный Штаб вооруженных сил СССР, а морских карт на Главный Штаб военно-морских сил.
1 января 2007 года на территории Украины введена УСК-2000 - Украинская система координат взамен СК-42. Практической ценностью новой системы координат является возможность эффективного использования глобальных навигационных спутниковых систем в топографо-геодезическом производстве, которые имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными методами.
Сведений о том, что в Украине произведено перевычисление координат СК-42 в УСК-2000 и изданы новые топографические карты автор этого учебного пособия не имеет. На учебных топографических картах, изданных в 2010 году Государственным научно-производственным предприятием «Картография», в левом верхнем углу по-прежнему осталась надпись «Система координат 1942 г.».
Система координат 1963 года (СК-63) являлась производной от предыдущей государственной системы координат 1942 года и имела определенные параметры связи с ней. Для обеспечения секретности в СК-63 были искусственно искажены реальные данные. С появлением мощной вычислительной техники для высокоточного определения параметров связи между различными координатными системами эта система координат утратила свой смысл в начале 80-х годов. Следует заметить, что СК-63 была отменена решением Совета Министров СССР в марте 1989 года. Но впоследствии, учитывая большие объемы накопленных геопространственных данных и картографических материалов (включая результаты выполнения землеустроительных работ времен СССР), срок ее использования был продлен до тех пор, пока все данные не будут переведены в действующую государственную систему координат.
Для спутниковой навигации используется трёхмерная система координат WGS 84 (англ. World Geodetic System 1984). В отличие от локальных систем, является единой системой для всей планеты. WGS 84 определяет координаты относительно центра масс Земли, погрешность составляет менее 2 см. В WGS 84 нулевым меридианом считается IERS Reference Meridian. Он расположен в 5,31″ к востоку от Гринвичского меридиана. За основу взят сфероид с большим радиусом - 6 378 137 м (экваториальный) и меньшим - 6 356 752,3142 м (полярный). Отличается от геоида менее чем на 200 м.
Особенности строения фигуры Земли полностью учитываются при математической обработке высокоточных геодезических измерений и создании государственных геодезических опорных сетей. Ввиду малости сжатия (отношение разности большой, экваториальной полуоси (а ) земного эллипсоида и малой полярной полуоси (b ) к большой полуоси [a - b ]/b ) ≈ 1:300) при решении многих задач за фигуру Земли с достаточной для практических целей точностью можно принять сферу , равновеликую по объему земному эллипсоиду . Радиус такой сферы для эллипсоида Красовского R = 6371,11 км.

2.2. ОСНОВНЫЕ ЛИНИИ И ПЛОСКОСТИ ЗЕМНОГО ЭЛЛИПСОИДА

При определении положения точек на поверхности Земли и на поверхности земного эллипсоида пользуются некоторыми линиями и плоскостями.
Известно, что точки пересечения оси вращения земного эллипсоида с его поверхностью являются полюсами, один из которых называется Северным Рс , а другой - Южным Рю (рис. 2.4).


Рис. 2.4. Основные линии и плоскости земного эллипсоида

Сечения земного эллипсоида плоскостями, перпендикулярными к малой его оси, образуют след в виде окружностей, которые называются параллелями. Параллели имеют различные по величине радиусы. Чем ближе расположены параллели к центру эллипсоида, тем больше их радиусы. Параллель с наибольшим радиусом, равным большой полуоси земного эллипсоида, называется экватором . Плоскость экватора проходит через центр земного эллипсоида и делит его на две равные части: Северное и Южное полушария.
Кривизна поверхности эллипсоида является важной характеристикой. Она характеризуется радиусами кривизны меридианного сечения и сечения первого вертикала, которые называются главными сечениями
Сечения поверхности земного эллипсоида плоскостями, проходящими через его малую ось (ось вращения), образуют след в виде эллипсов, которые называются меридианными сечениями .
На рис. 2.4 прямая СО" , перпендикулярная к касательной плоскости КК" в точке ее касания С , называется нормалью к поверхности эллипсоида в этой точке. Каждая нормаль к поверхности эллипсоида всегда лежит в плоскости меридиана, а следовательно, пересекает ось вращения эллипсоида. Нормали к точкам, лежащим на одной параллели, пересекают малую ось (ось вращения) в одной и той же точке. Нормали к точкам, расположенным на разных параллелях, пересекаются с осью вращения в различных точках. Нормаль к точке, расположенной на экваторе, лежит в плоскости экватора, а нормаль в точке полюса совпадает с осью вращения эллипсоида.
Плоскость, проходящая через нормаль, называется нормальной плоскостью , а след от сечения этой плоскостью эллипсоида - нормальным сечением . Через любую точку на поверхности эллипсоида можно провести бесчисленное множество нормальных сечений. Меридиан и экватор являются частными случаями нормальных сечений в данной точке эллипсоида.
Нормальная плоскость, перпендикулярная к плоскости меридиана в данной точке С , называется плоскостью первого вертикала , а след, по которой она пересекает поверхность эллипсоида, - сечением первого вертикала (рис. 2.4).
Взаимное положение меридиана и любого нормального сечения, проходящего через точку С (рис. 2.5) на данном меридиане, определяется на поверхности эллипсоида углом А , образованным меридианом данной точки С и нормальным сечением.


Рис. 2.5. Нормальное сечение

Этот угол называется геодезическим азимутом нормального сечения. Он отсчитывается от северного направления меридиана по ходу часовой стрелки от 0 до 360°.
Если принять Землю за шар, то нормаль к любой точке поверхности шара пройдет через центр шара, а любая нормальная плоскость образует на поверхности шара след в виде окружности, которая называется большим кругом.

2.3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИГУРЫ И РАЗМЕРОВ ЗЕМЛИ

При определении фигуры и размеров Земли использовались следующие методы:

Астрономо - геодезический метод

Определение фигуры и размеров Земли основано на использовании градусных измерений, суть которых сводится к определению линейной величины одного градуса дуги меридиана и параллели на разных широтах. Однако непосредственные линейные измерения значительной протяженности на земной поверхности затруднены, ее неровности существенно снижают точность работ.
Метод триангуляции. Высокая точность измерения значительных по протяженности расстояний обеспечивается применением метода триангуляции, разработанного в XVII в. голландским ученым В. Снеллиусом (1580 - 1626).
Триангуляционные работы для определения дуг меридианов и параллелей проводились учеными разных стран. Еще в XVIII в. было установлено, что один градус дуги меридиана у полюса длиннее, чем у экватора. Такие параметры характерны для эллипсоида, сжатого у полюсов. Этим подтверждалась гипотеза И. Ньютона о том, что Земля в соответствии с законами гидродинамики должна иметь форму эллипсоида вращения, сплюснутого у полюсов.

Геофизический (гравиметрический ) метод

Он основан на измерении величин, характеризующих земное поле силы тяжести, и их распределении на поверхности Земли. Преимущество этого метода в том, что его можно применять на акваториях морей и океанов, т. е. там, где возможности астрономо-геодезического способа ограничены. Данные измерений потенциала силы тяжести, выполненные на поверхности планеты, позволяют вычислить сжатие Земли с большей точностью, чем астрономо-геодезическим методом.
Начало гравиметрическим наблюдениям было положено в 1743 г. французским ученым А. Клеро (1713 - 1765). Он предположил, что поверхность Земли имеет вид сфероида, т. е. фигуры, которую приняла бы Земля, находясь в состоянии гидростатического равновесия под влиянием только сил взаимного тяготения ее частиц и центробежной силы вращения около неизменной оси. А. Клеро предположил также, что тело Земли состоит из сфероидальных слоев с общим центром, плотность которых возрастает к центру.


Космический метод

Развитие космического метода и изучения Земли связано с освоением космического пространства, которое началось с момента запуска советского искусственного спутника Земли (ИСЗ) в октябре 1957 г. Перед геодезией были поставлены новые задачи, связанные с бурным развитием космонавтики. В их числе - наблюдение за ИСЗ на орбите и определение их пространственных координат в заданный момент времени. Выявленные отклонения реальных орбит ИСЗ от предвычисленных, вызванные неравномерным распределением масс в земной коре, позволяют уточнить представление о гравитационном поле Земли и в конечном результате о ее фигуре.

Вопросы и задания для самоконтроля

    Для каких целей используются данные о форме и размерах Земли?

    По каким признакам в древности определили, что Земля имеет шарообразную форму?

    Какую фигуру называют геоидом?

    Какую фигуру называют эллипсоидом?

    Какую фигуру называют референц-эллипсоидом?

    Каковы элементы и размеры эллипсоида Красовского?

    Назовите основные линии и плоскости земного эллипсоида.

    Какие методы используются для определения фигуры и размеров Земли?

    Дайте краткую характеристику каждому методу.

Нет, наверное, на нашей прекрасной планете человека, который хотя бы раз в жизни не задавал себе вопрос: "Какая форма у Земли?"

Этот вопрос волновал и многие ученые умы на протяжении всей истории человечества. Изучая историю нашей планеты, приходим к выводу, что представление о форме Земли складывалось у разных народов по разному. Но теперь очень трудно определить, у какого народа это представление было наиболее правильным. Достоверных древних документов, изучающих этот момент, сохранилось очень и очень мало. По большей части это легенды, предания, мифы.

Наиболее распространенное предание - это представление древних индейцев. Они представляли себе Землю плоской, лежащей на спинах слонов.

Сохранились ценные письменные документы жителей древней Вавилонии, возраст которых более 6 тысяч лет. Как известно, вавилоняне унаследовали свою культуру от других народов, более древних. Эти народы видели Землю в виде горы. На одном из склонов которой, а точнее на западном, Вавилония. Они точно знали, что на юге от Вавилонии есть море, а на восточной стороне горы. Древние народы боялись пересекать эти величественные горы, вот им и казалось, что Вавилония находится на западном склоне горы "мира". Вокруг горы море, а на море опирается небо (твердое по своей природе) - небесный мир. Небесный мир имел форму опрокинутой чаши. И там тоже есть своя суша, воздух и вода. Небесная суша - это созвездия Зодиака. Всего их двенадцать. По небесной суше движутся Солнце, которое бывает в каждом из созвездий около месяца, Луна и еще пять планет. Под Землей расположился ад - бездна, туда спускаются души умерших людей, зверей, птиц. Когда в Вавилонии ночь, Солнце находится в подземелье, опускается туда на западе, а начинает свой путь с восточного края. Древние вавилоняне свои представления о Земле составляли на основе наблюдений за природой. Но правильно объяснить не могли.

Древние евреи, жившие на равнине, представляли Землю равниной, на которой есть горы. Эти представления складывались от того, что евреи жили на равнинной территории. Они делили небо на верхний и нижний пояса. В верхнем поясе неба обитали небесные воды (снег, дождь, град), в нижнем поясе - ветры. Под Землей находились воды, которые питали реки и озера.

Однако наибольший вклад, в развитие представлений о форме Земли, внесли греки. В представлении Гомера, Земля выпуклый диск, напоминающий щит воина. Суша омывается рекой Океан. Над Землей - медный свод, по которому движется Солнце. Солнце каждый день поднимается из Океана с восточной стороны и опускается в воды на западе. Эти представления очень хорошо описаны в поэмах Гомера "Илиада" и "Одиссея".

Вселенная жидкая масса, внутри находится огромный пузырь, который имеет форму полусферы. Вогнутая поверхность - небесный свод, а нижняя океан, на поверхности которого в виде пробки плавает Земля. Так представлял строение мира философ Фалес (VI в. до н. э.).

По Анаксимандру Мелецкому - Земля отрезок колонны, на одном из оснований которой расположена жизнь.

Совершая далекие путешествия люди постепенно пришли к выводу, что Земля выпуклая. Выпуклость Земли подтверждалась наблюдениями за удаляющимися кораблями. Постепенно люди приходили к выводу, что Земля шарообразная.

Пифагор (р. ок. 580 - ум. 500 до н. э.) и его последователи, пожалуй, первыми стали считать Землю и другие планеты шаровидными.

Аристотель (IV в. до н. э.), наблюдая за лунными затмениями заметил, что тень от Земли, падающая на поверхность Луны всегда круглая. Он также отметил, что именно шар отбрасывает круглую тень.

Аристарх Самосский, живший в конце IV - первой половине III века до нашей эры, предположил, что Земля и все планеты вращаются вокруг Солнца, вопреки существовавшему мнению, что светило и все планеты движутся вокруг Земли. Однако он не смог подтвердить свое предположение фактами. И вот, понадобилось еще примерно 1700 лет, прежде чем польскому ученому Копернику удалось доказать это предположение.

Если бы наша планета находилась в равновесии, установившемуся под воздействием силы тяжести, не имела вращения вокруг собственной оси и состояла из однородного вещества. Вот тогда можно было бы сказать, что наша планета имеет Шарообразную форму. Но Земля вращается. Возникает центробежная сила, под ее влиянием появляется полярное сжатие. Земля принимает форму сфероида, точнее эллипсоида вращения.

Изучая закон всемирного тяготения, в конце XVII начале XVIII веков И. Ньютон теоретически обосновал сжатие Земли. Затем это было доказано практически по разности качания маятника на разных широтах.

Проводились многочисленные геодезические измерения, предлагались различные значения размеров земной формы. В советское время с 1946 г. принят эллипсоид Ф. Н. Красовского, размеры которого: экваториальный радиус равен 6378245м, полярный радиус 6356863м, полярное сжатие 1:298,3. Разность между экваториальным и полярным радиусами Земли составляет всего 21382 метров. Если внимательно посмотреть на эти размеры, становится понятным, почему в географии форму Земли считают шарообразной.

Однако вернемся к нашим рассуждениям. Вещество, из которого состоит Земля неоднородно, масса распределяется неравномерно. Значит фигура Земли отклонятся от правильной формы сфероида, кроме того не нужно забывать и о действии гравитационного поля Галактики. Появляется новое обозначение формы Земли - геоид.

Термин «геоид» применительно к обозначению фигуры Земли, предложен в 1873 году немецким математиком Иоганном Бенедиктом Листингом. Эта геометрическая фигура наиболее точно отражала форму Земли, чем эллипсоид.

Геоид - фигура, которая совпадает со средней поверхностью Мирового океана (это уровенная поверхность). В каждой точке этой фигуры направление силы тяжести перпендикулярно к его поверхности. В связи с тем, что земная кора неоднородна, геоид имеет поднятия и опускания. Относительно эллипсоида Красовского поднятия не превышают 136 метров, опускания 162 метра. Поднятия расположены над океаническими впадинами, погружения равны материкам. Тяжелая океаническая базальтовая кора отклоняет силу тяжести в сторону океанов от более легкой материковой гранитной коры. Поднятия и опускания геоида зеркальны по отношению к действительному рельефу Земли.

При изучении движения искусственных спутников Земли установлена полярная асимметрия земного эллипсоида. Благодаря этому появились новые представления о форме Земли. Земля имеет сердцевидную форму, северный полюс ее приподнят, по сравнению с южным полюсом, примерно на 30 метров. Такую форму Земли называют кардиоид. И опять причина - воздействие гравитационного поля Галактики.

Таким образом, физическая поверхность твердой Земли отклоняется от поверхности эллипсоида. Максимальная высота физической поверхности над эллипсоидом 8848 метров (г. Джомолунгма), максимальная глубина 11022 метров (Марианская впадина).

Так какая же форма у Земли? Фигура Земли полностью зависит от распределения масс и плотностей в ее теле, точного математического выражения эта фигура не имеет. Точно определить ее невозможно, именно поэтому в геодезических измерения в России и некоторых других странах используется название квазегеоид. Это приближение к геоиду. Квазегеоид определяется по результатам измерений, совпадает с геоидом на территории Мирового океана. На суше приближается к форме геоида. Отклонения составляют от нескольких сантиметров на равнине и до двух метров в горах.