В июне 2010 года Европейское космическое агентство показало первые подробные геологические карты нашей планеты, также мир впервые увидел, какая форма у Земли на самом деле. Все это стало возможным благодаря исследовательскому спутнику GOCE, который запустили на орбиту в 2009 году.
Понятие геоида было введено в 1873 году немецким математиком Иоганном Листингом с целью характеристики формы Земли, ведь она не является сферической, а сплющенная с полюсов. За мнимую поверхность геоида было взято уровень океана в “состоянии покоя” и гипотетически продолжено его под поверхностью материков, в результате, ученые получили идеальную фигуру – эллипсоид. Эта, довольно гипотетическая фигура, и до сих пор используется в геодезии. Однако, в новейшие времена стало понятно, что гравитационное поле Земли не является однородным. Сначала, какие-то отклонения от эллипсоида считали местными гравитационными аномалиями, однако с развитием систем спутниковой навигации и глобального позиционирования (GPS) стало понятно, что “местные” аномалии носят планетарный характер! К примеру, приборы GPS на борту самолета или корабля во время движения показывают колебания высоты, хотя она реально неизменна. Это вызывается тем, что в программу навигационного спутника за точку отсчета была заложена гипотетическая поверхность эллипсоида с центром масс Земли, а усиление или ослабление силы притяжения, которое существует в реальности, и приводит к отклонению в показаниях приборов GPS. Более того, по разной интенсивности силы тяжести, предметы, свободно падают, отклоняются от классической перпендикулярной эллипсоида линии, однако, движутся по перпендикулярной траектории именно к поверхности геоида.
GOCE в своем инструментарии содержит сверхточный градиометр с тремя парами платиновых акселометров, которые способны зафиксировать малейшие колебания, вплоть до одной десятитриллионной доли гал (1 гал = 1 м / с2 – мера ускорения), В гравитационном поле Земли. Для картирования изменений силы тяжести, спутник вращается на экстремально низкой орбите – всего 254,9 км, проходя через опасные полярные области. На такой высоте сила трения разреженной атмосферы замедляет движение GOCE, поэтому для того чтобы поддержать скорость и не сойти с орбиты, в спутнике есть система ускорения – ионный двигатель, который время от времени выстреливает струей сжатого инертного газа ксенона.
Как оказалось, благодаря работе GOCE, геоид не только не имеет той идеальной формы эллипсоида, а вообще похож на “увядшее и сморщенное за зиму яблоко” со своими выступлениями и впадинами… Анализ данных показал, что гравитационное поле Земли имеет три огромных участка с повышенной силой притяжения: Северная Америка, Индия и Гималаи, а также Южный Тихий океан с Антарктидой. Самый высокий уровень гравитации установлен в северной части Индийского океана и на полуострове Индостан, где уровень поверхности океана более чем на 100 м ниже плоскости эллипсоида! Одновременно, существует и три участка со слабой гравитацией – это Северная Атлантика с Европой, Океания с Австралией и Южным Индийским океаном. Самый низкий уровень силы земного притяжения существует над Исландией и Папуа-Новой Гвинеей – уровень океанических вод здесь возвышается примерно на 80 м над плоскостью поверхности эллипсоида.
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.
В июне 2010 года Европейское космическое агентство показало первые подробные геологические карты нашей планеты, также мир впервые увидел, какая форма у Земли на самом деле. Все это стало возможным благодаря исследовательскому спутнику GOCE, который запустили на орбиту в 2009 году.
Понятие геоида было введено в 1873 году немецким математиком Иоганном Листингом с целью характеристики формы Земли, ведь она не является сферической, а сплющенная с полюсов. За мнимую поверхность геоида было взято уровень океана в “состоянии покоя” и гипотетически продолжено его под поверхностью материков, в результате, ученые получили идеальную фигуру – эллипсоид. Эта, довольно гипотетическая фигура, и до сих пор используется в геодезии.
Однако, в новейшие времена стало понятно, что гравитационное поле Земли не является однородным. Сначала, какие-то отклонения от эллипсоида считали местными , однако с развитием систем спутниковой навигации и глобального позиционирования (GPS) стало понятно, что “местные” аномалии носят планетарный характер! К примеру, приборы GPS на борту самолета или корабля во время движения показывают колебания высоты, хотя она реально неизменна. Это вызывается тем, что в программу навигационного спутника за точку отсчета была заложена гипотетическая поверхность эллипсоида с центром масс Земли, а усиление или ослабление силы притяжения, которое существует в реальности, и приводит к отклонению в показаниях приборов GPS. Более того, по разной интенсивности силы тяжести, предметы, свободно падают, отклоняются от классической перпендикулярной эллипсоида линии, однако, движутся по перпендикулярной траектории именно к поверхности геоида.
GOCE в своем инструментарии содержит сверхточный градиометр с тремя парами платиновых акселометров, которые способны зафиксировать малейшие колебания, вплоть до одной десятитриллионной доли гал (1 гал = 1 м / с2 – мера ускорения), В гравитационном поле Земли. Для картирования изменений силы тяжести, спутник вращается на экстремально низкой орбите – всего 254,9 км, проходя через опасные полярные области. На такой высоте сила трения разреженной атмосферы замедляет движение GOCE, поэтому для того чтобы поддержать скорость и не сойти с орбиты, в спутнике есть система ускорения – , который время от времени выстреливает струей сжатого инертного газа ксенона.
Как оказалось, благодаря работе GOCE, геоид не только не имеет той идеальной формы эллипсоида, а вообще похож на “увядшее и сморщенное за зиму яблоко” со своими выступлениями и впадинами… показал, что гравитационное поле Земли имеет три огромных участка с повышенной силой притяжения: Северная Америка, Индия и Гималаи, а также Южный Тихий океан с Антарктидой. Самый высокий уровень гравитации установлен в северной части Индийского океана и на полуострове Индостан, где уровень поверхности океана более чем на 100 м ниже плоскости эллипсоида! Одновременно, существует и три участка со слабой гравитацией – это Северная Атлантика с Европой, Океания с Австралией и Южным Индийским океаном. Самый низкий уровень силы земного притяжения существует над Исландией и Папуа-Новой Гвинеей – уровень океанических вод здесь возвышается примерно на 80 м над плоскостью поверхности эллипсоида.
Результаты полученные зондом еще нужно проработать, однако уже сейчас становится ясно, что неоднородность гравитационного поля Земли играет едва ли не ключевую роль в циркуляции океанических течений, причем как горизонтальных, так и вертикальных. Ученые также надеются усовершенствовать существующие модели изменения климата будущего, ведь теперь они получили точный инструмент прогнозирования динамики льда в полярных районах. Кроме того, зная уровень океана, который обусловлен земной гравитацией, а не только приливами и отливами, возникающие под действием притяжения Луны, океанологам и экологам будет гораздо проще отслеживать его изменения. В целом эта миссия во многих аспектах поспособствует о Земле, а также коммерчески окупится.
(Андрей М. Заморока)
