Дистанционные методы исследования земли. Методы изучения географического прошлого земли

В свое время я тоже заинтересовался тем, что находится у нас под ногами, и начал изучать ее подробнее. Проблема изучения внутреннего строения и состава нашей планеты с давних времен привлекала внимание ученых. Наиболее значимых результатов удалось добиться в XX веке, потому что по сложности и важности эта задача стоит в одном ряду с изучением космоса.

Методы изучения Земли

При изучении внутреннего строения Земли используются различные методы, которые можно объединить в две группы: методы прямого наблюдения и методы косвенного исследования. Первый тип – наиболее простой для понимания, ученые просто изучают горные породы, шахты и материалы, которые получают при бурении скважин. Интересно, что сегодня самые глубокие шахты достигают глубины 6 км, нефтяные скважины – 9 км. Отдельно стоит упомянуть об очень занимательной Кольской сверхглубокой скважине, расположенной на Кольском полуострове. Её глубина достигает 12,5 километров, что делает ее самой глубокой скважиной в мире. Она была создана специально для научно-исследовательской работы. Короче говоря, методом прямого наблюдения можно узнать о строении Земли до глубины около 20-ти километров.

Косвенные методы исследования

Другой, более сложный, тип методов исследования – косвенные методы. Они используются для изучения недр Земли, т.е. того, что находится ниже 20-ти км. Вот их перечень:

Сейсмический.
Гравиметрический.
Геомагнитный.
Геоэлектрический.

Самый важный из них – сейсмический, который использует сейсмические волны, они изменяют свою скорость распространения в зависимости от материала, через который они проходят. Этих волн существует два типа: продольные и поперечные.

Проще говоря, данный метод позволил определить границы, отделяющие разные оболочки Земли друг от друга, и установить то, в каком состоянии они находятся: вязком, жидком, твердом и т.д.

Итог

Сегодня мы знаем, что у Земли есть три оболочки: земная кора, мантия и ядро. Сейсмическая модель внутреннего строения Земли выглядит так, как показано на рисунке выше.

Человека всегда интересовало всё, что его окружало: минералы, горные породы, вода, огонь, воздух, растения, животные.

Древние учёные собирали факты, а затем их систематизировали и устанавливали закономерности. В своей работе они пользовались различными способами и приёмами, т. е. методами (от греческого слова «методос» - путь исследования, теория, учение).

Как и все науки, география обладает специальными методами исследований. Рассмотрим некоторые из них.

Географическое описание

Этим методом обычно пользовались землепроходцы, мореплаватели, путешественники, записывавшие первые сведения об открытых землях и населяющих их народах. Они пытались ответить на вопросы: где расположено? На что похоже? Какие имеет особенности?

Сейчас этим методом широко пользуются участники полевых исследований и экспедиций, изучающих рельеф, Мировой океан, атмосферу Земли, а также Арктику и Антарктиду.

Картографический метод

Карта - это особый источник географических знаний. Она отражает и систематизирует информацию, полученную путём наблюдений и описаний.

Первые географические карты появились в Древней Греции в VIII-VI вв. до н. э.. Шло время. Карты уточнялись, совершенствовались. В настоящее время широкое распространение получили компьютерные карты.

Картографы создают различные карты - географические, климатические, полезных ископаемых и др. Таким образом, картографический метод исследования представляет собой применение карт для научного и практического познания изображённых на них объектов и явлений. Он является неотъемлемой частью большинства географических изысканий.

Сравнительно-географический метод

Сравнительно-географический метод - один из старейших в географии. Он позволяет с помощью сравнения выявлять общее и особенное в географических объектах, явлениях, процессах.

Аэрокосмический метод

В настоящее время этот метод стал одним из важнейших в географии. Наблюдения и снимки с самолётов, спутников, космических станций позволяют не только составлять очень точные карты, но и находить новые месторождения полезных ископаемых, следить за , за деятельностью человека, загрязнениями земной поверхности, получать информацию о других планетах Солнечной системы, о Галактике, Вселенной.

Статистический метод

Статистический метод используют для анализа статистических - количественных и качественных - данных. Статистический учёт вёлся ещё в глубокой древности. Например, в Древнем Китае проводились переписи населения. В настоящее время статистический метод применяют практически во всех отраслях. В географии статистический материал представлен в тексте учебников, в картах, а также в виде диаграмм, графиков, таблиц.

Как древние люди изучали Землю?
В чём заключается метод географического описания?
Какую роль играет в наше время картографический метод?
Что даёт современной географии аэрокосмический метод?
Применяют ли в век компьютерных технологий методы географических исследований, которыми пользовались учёные древности?

Земля - уникальная планета: только на ней существует жизнь. тесно взаимосвязаны, они изменяют и дополняют друг друга. Процессы, происходящие в природе и изменяющие её, - - делят на физические и биологические. Огромное влияние на изменение облика Земли оказывает человек.

Называют естественными науками. К ним относят астрономию, физику, химию, географию, биологию, геологию, экологию.

Образует группу взаимосвязанных наук, количество которых постоянно увеличивается. Выделяют два основных раздела: физическую и социально-экономическую географию.

Специальными методами географических исследований являются географическое описание, картографический, сравнительно-географический, аэрокосмический и статистический методы.

Основные понятия и термины раздела:

живая природа
неживая природа
явления природы: физические, биологические
естественные науки
физическая география
социально-экономическая география
методы географических исследований

Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:

Поиск по сайту.

Гравиметрия - раздел науки об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли и об использовании их для определения фигуры Земли, изучения ее общего внутреннего строения, геологического строения ее верхних частей, решения некоторых задач навигации и др.

В гравиметрии гравитационное поле Земли задается обычно полем силы тяжести (или численно равного ей ускорения силы тяжести), которая является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением. Центробежная сила, направленная от оси вращения, уменьшает силу тяжести, причем в наибольшей степени на экваторе. Уменьшение силы тяжести от полюсов к экватору обусловлено также и сжатием Земли.

Сила тяжести, то есть сила, действующая на единичную массу в окрестностях Земли (или другой планеты) складывается из сил тяготения и сил инерции (центробежной силы):

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

Потенциал силы тяжести, соответственно, определяется соотношением:

где - широта точки измерения.

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

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

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

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

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

Исследование планеты Земля в Солнечной системе: история, описание поверхности, запуск космических аппаратов, вращение, орбита, достижения, знаменательные даты.

Речь идет о родной планете, поэтому давайте посмотрим, как проходило исследование Земли. Большую часть земной поверхности успели изучить к началу 20-го века, включая внутреннее строение и географию. Загадочными оставались Арктика и Антарктика. Сегодня практически все участки удалось запечатлеть и нанести на карту благодаря фотографическому картированию и радиолокаторам. Одной из последних исследованных областей был полуостров Дариен, расположенный между Панамским Каналом и Колумбией. Ранее выполнить обзор было сложно из-за постоянных дождей, густой растительности и плотного облачного покрова.

Изучение глубинных особенностей планеты долгое время не проводили. До этого занимались исследованием поверхностных формирований. Но после Второй мировой войны принялись за геофизические исследования. Для этого использовали специальные датчики. Но так можно было рассмотреть ограниченную часть подповерхностного слоя. Получалось пробраться лишь под верхнюю кору. Максимальная глубина скважины – 10 км.

Основные цели и достижения при исследовании Земли

В исследовании Земли учеными движет научное любопытство, а также экономическая выгода. Население увеличивается, поэтому растет спрос на ископаемые, а также воду и прочие важные материалы. Многие подземные операции проводят для поиска:

нефти, угля и природного газа;
коммерческих (железо, медь, уран) и строительных (песок, гравий) материалов;
подземных вод;
пород для инженерного планирования;
геотермальных запасов для электричества и отопления;
археологии;

Также возникла необходимость в создании безопасности через туннели, хранилища, ядерные реакции и плотины. А это приводит к необходимости уметь предсказать силу и время землетрясения или уровень подповерхностной воды. Активнее всего землетрясениями и вулканами занимается Япония и США, потому что эти страны чаще всего переносят подобные бедствия. Периодически скважины бурят для профилактики.

Методология и инструменты исследовании Земли

Следует знать, какие существуют методы исследования планеты Земля. В геофизике используют магнетизм, гравитацию, отражательные способности, упругие или акустические волны, тепловой поток, электромагнетизм и радиоактивность. Большая часть замеров осуществляется на поверхности, но есть спутниковые и подземные.

Важно понимать, что находится внизу. Иногда не удается добыть нефть только из-за блока другим материалом. Выбор метода основывается на физических свойствах.

Сравнительная планетология

Астроном Дмитрий Титов о типах планет Солнечной системы, динамике атмосфер и парниковом эффекте на Марсе и Венере:

Дистанционное зондирование

Используется ЭМ-излучение от земли и отраженная энергия в разнообразных спектральных диапазонах, добытых самолетами и спутниками. Методы основываются на использовании комбинаций изображений. Для этого участки фиксируют с разных траекторий и создают трехмерные модели. Их также выполняют с интервалами, что позволяет проследить изменение (рост урожая за сезон или перемены от шторма и ливня).

Радарные лучи пробиваются сквозь облака. Боковой видимый радиолокатор отличается чувствительностью к перемене поверхностного наклона и шероховатости. Оптико-механический сканер регистрирует теплую ИК-энергию.

Чаще всего используют технику Landsat. Эти сведения добываются мультиспектральными сканерами, размещенными на некоторых американских спутниках, расположенных на высоте в 900 км. Кадры охватывают площадь 185 км. Используется видимый, ИК, спектральный, зеленый и красный диапазоны.

В геологии эту технику применяют для вычисления рельефа, обнажения горных порог и литологии. Также удается фиксировать перемены в растительности, породах, находить подземные воды и распределение микроэлементов.

Магнитные методы

Не будем забывать о том, что исследования Земли проводят из космоса, предоставляя не только фото планеты, но и важные научные данные. Можно вычислить полное земное магнитное поле или же конкретных компонентов. Наиболее старый метод – магнитный компас. Сейчас используют магнитные балансы и магнитометры. Протонный магнитометр вычисляет радиочастотное напряжение, а оптико-накачивающий отслеживает наименьшие магнитные флуктуации.

Магнитные съемки проводят магнитометрами, летающими на параллельных линиях с удаленностью в 2-4 км и на высоте в 500 м. Наземные исследования рассматривают магнитные аномалии, произошедшие в воздухе. Могут размещаться на специальных станциях или перемещающихся кораблях.

Магнитные эффекты формируются из-за намагниченности, созданной осадочными породами. Скалы не способны удерживать магнетизм, если температура превышает 500°C, а это ограничение для глубины в 40 км. Источник должен располагаться глубже и ученые полагают, что именно конвекционные токи генерируют поле.

Методы гравитации

Космические исследования Земли включают различные направления. Гравитационное поле можно определить через падение любого объекта в условиях вакуума, вычисление периода маятника или другими способами. Ученые используют гравиметры – вес на пружине, способной растягиваться и сжиматься. Они действуют с точностью до 0.01 миллиграмма.

Отличия в гравитации происходят из-за локальной плоскости. На определение данных уходит несколько минут, но вычисление позиции и высоты занимает больше времени. Чаще всего, плотность осадочных пород возрастает с глубиной, потому что давление повышается и теряется пористость. Когда подъемники переносят скалы ближе к поверхности, то формируют аномальные тяжести. Отрицательные аномалии вызывают и полезные ископаемые, поэтому понимание гравитации может указать на источник нефти, а также на расположение пещер и прочих подземных полостей.

Методы сейсмической рефракции

Научный метод исследования Земли основывается на вычислении временного интервала между началом волны и ее прибытием. Волна может создаться взрывом, упавшим весом, воздушным пузырьком и т.д. Для ее поиска используют геофон (суша) и гидрофон (вода).

Сейсмическая энергия прибывает к детектору различными путями. Сначала, пока волна близка к источнику, она выбирает самые короткие дорожки, но с увеличением дистанции начинает вилять. Сквозь тело могут проходить две разновидности волн: Р (первичные) и S (вторичные). Первые выступают волнами сжатия и перемещаются на максимальном ускорении. Вторые – сдвиговые, движущиеся с небольшой скоростью и не способны пройти сквозь жидкости.

Главная разновидность поверхностного типа – волны Рэлея, где частичка перемещается по эллиптическому пути в вертикальной плоскости от источника. Горизонтальная часть выступает главной причиной землетрясений.

Большая часть информации о земной структуре основывается на анализе землетрясений, так как они генерируют сразу несколько волновых режимов. Все они отличаются по компонентам движения и направлению. В инженерных исследованиях задействуют мелкую сейсмическую рефракцию. Иногда достаточно простого удара кувалдой. Также их применяют для обнаружения неисправностей.

Электрические и ЭМ-методы

При поиске полезных ископаемых методы зависят от электрохимической активности, изменения удельного сопротивления и эффектов диэлектрической проницаемости. Сам потенциал основывается на окислении верхней поверхности металлических сульфидных минералов.

Резистивность использует передачу тока от генератора к другому источнику и определяет разность потенциалов. Удельное сопротивление породы зависит от пористости, солености и прочих факторов. Скалы с глиной наделены низким удельным сопротивлением. Этим методом можно изучать подводные воды.

Зондирование точно вычисляет, как удельное сопротивление меняется с глубиной. Токи с диапазоном в 500-5000 Гц проникают глубоко. Частота помогает определить уровень глубины. Естественные токи индуцируются из-за возмущений в атмосфере или атаке верхнего слоя солнечным ветром. Они охватывают широкий диапазон, поэтому позволяют исследовать различные глубины эффективнее.

Но электрические методы не способны проникнуть слишком глубоко, поэтому не дают полноценных сведений о нижних слоях. Но с их помощью можно изучить металлические руды.

Радиоактивные методы

Этим способом можно выявить руды или горные породы. Наиболее естественная радиоактивность поступает от урана, тория и радиоизотопа калия. Сцинтиллометр помогает обнаружить гамма-лучи. Главный эмиттер – калий-40. Иногда скалу специально облучают, чтобы измерить воздействие и ответную реакцию.

Геотермические методы

Вычисление температурного градиента приводит к определению аномалии теплового потока. Земля наполнена различными жидкостями, химический состав и перемещение которых определяются чувствительными детекторами. Элементы трассировки иногда связаны с углеводородами. Геохимические карты помогают отыскать промышленные отходы и загрязненные участки.

Раскопки и выборка

Чтобы идентифицировать различные виды топлива, нужно добыть образец. Многие скважины создаются вращательным способ, где жидкость циркулирует через долото для смазки и охлаждение. Иногда используют перкуссию, где тяжелое сверло опускают и поднимают, чтобы срезать куски скал.

Выводы о земных глубинах

О форме узнали в 1742-1743 гг., а среднюю плотность и массу вычислил Генри Кавендиш в 1797 году. Позже выяснили, что плотность горных пород на поверхности ниже показателя средней плотности, а значит данные внутри планеты должны быть выше.

В конце 1500-х гг. Уильям Гилберт изучил магнитное поле. С того момента узнали о дипольном характере и перемене геомагнитного поля. Волны землетрясений наблюдали в 1900-х гг. Черта между корой и мантией характеризуется крупным ростом скорости на разрыве Мохоровича с глубиной в 24-40 км. Граница мантии и ядра – разрыв Гутенберга (глубина – 2800 км). Внешнее ядро жидкое, потому что не пропускает поперечные волны.

В 1950-х гг. случилась революция в понимании нашей планеты. Теории континентального дрейфа перешли в тектонику плит, то есть литосфера плавает на астеносфере. Пластины смещаются и формируется новая океаническая кора. Также литосферы могут сближаться, удаляться и врезаться. Многие землетрясения возникают на местах субдукции.

Об океанической коре узнали благодаря серии буровых скважин. В рифтовых участках материал из мантийных колодцев охлаждается и затвердевает. Постепенно осадки накапливаются и создается базальтовый фундамент. Кора тонкая (5-8 км в толщину) и практически вся молодая (меньше 200 000 000 лет). Но реликты достигают возраста в 3.8 млрд. лет.

Континентальная кора намного старше и формировалась сложнее, поэтому ее тяжелее изучать. В 1975 году команда ученых использовала сейсмические методы, чтобы найти залежи нефти. В итоге им удалось обнаружить несколько низкоугловых тяговых листов под горами Аппалачи. Это сильно отразилось на теории формирования континентов.

Введение

Краткий исторический обзор

Изученность формы и размеров Земли на современном этапе

Методы изучения фигуры Земли

1 Гравиметрический метод

2 Определение общего земного сфероида

3 Космический метод

4 Геометрический метод

Заключение

Список использованных источников

Введение

Определение формы и размеров Земли является одной из главных задач современной науки.

Человек всегда хотел ориентироваться в окружающем мире. Человек стремился представить Землю в виде изображения которое помогло бы ему ориентироваться в окружающем мире.

Так еще в каменном веке поверхность Земли изображалась в виде рисунка на костях животных, на стенах пещер и т. д. На этих рисунках были обозначены места жительства, основные тропы, реки, в общем все необходимое для жизни человека в то время.

С пришествие времени на картах стали изображать границы владений разных государств и именно после этого у человека стал серьезный вопрос, - Как изобразить поверхность Земли максимально точно для лучшего ориентирования в этом мире?

Но Земля ни шар, ни эллипс и не имеет форму, которую можно выразить математически. Поэтому человечество стремилась максимально точно определить истинную форму Земли, используя разные методы.

Позже с изучением гравиметрии у человека появилась новая цель в изучении формы Земли - это максимально точно определить форму и размер Земли не только для составления карт, но и для построения физических теорем. Зная которые человек лучше воспринимал природу и процессы, проходящие в ней.

Поэтому я с уверенность могу говорить, что данная тема очень актуальна на современном этапе.

Основная цель данной курсовой работы - дать описание основных методов определения формы и размеров Земли.

Для решения поставленной цели нужно выполнить следующие задачи:

дать краткий исторический обзор в изучении формы и размеров Земли.

дать характеристику изученности формы и размеров Земли на современном этапе.

Данная курсовая работа состоит из введения, 3 разделов, которые структурированы на пункты, заключения и списка использованных источников, и содержит 3 рисунка.

1. Краткий исторический обзор

Земля - третья планета от солнца и наиболее крупный и наиболее сложный динамический объект из всех внутренних планет. (рисунок 1)

Рисунок 1

Земля имеет форму, близкую к шарообразной. Радиус шара, равновеликого Земле, - 6371 км. Земля обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. Вокруг Земли обращается один естественный спутник - Луна.

Обычно под фигурой Земли понимают тело, ограниченное ее физической поверхностью и невозмущенной поверхностью морей и океанов. При определении фигуры Земли не нужно подробно изображать ее физическую поверхность в виде карт, достаточно определить положение на ней сети точек в единой пространственной системе координат. В формировании Земли существенную роль играло тепло недр и процессы радиоактивного распада. Формирование земной коры происходило в течении длительного периода, который по данным палеонтологии разделен на эры, периоды, эпохи, века. Большую роль в эволюции Земли сыграло наличие гидросферы и появление органической жизни на ней.

Представления о форме Земли. Со школьных лет мы привыкли считать Землю шаром, и никаких сомнений у нас на этот счет не возникает. Между тем вопрос о форме Земли далеко не так прост, как он представляется нам в настоящее время. Потребовалось очень много труда и времени, прежде чем человечество сумело разрешить этот очень важный и сложный вопрос.

Представление древнейших народов о Земле исходило из того, что они видели. Земля - обширное плоское пространство, над которым опрокинут твердый свод неба, усеянный звездами. Это представление в различных вариациях мы встречаем у всех древнейших народов, населявших западную Азию и юго-восточную Европу.

Однако по мере накопления наблюдений постепенно возникла мысль о выпуклой форме Земли. Скрывающиеся за горизонтом предметы, лучи восходящего солнца, освещающие сначала вершины, а потом основания гор, и другие факты привели к необходимости признать, что Земля имеет форму выпуклого вверх щита или плоско-выпуклого купола. Подобные представления мы находим у древних вавилонян, индусов и некоторых других культурных народов древнего Востока.

Форма и размеры Земли. По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,6-4,7 млрд. лет назад из захваченного притяжением Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних из изученных горных пород потребовалось 100-200 млн. лет.

Ее орбита находится между орбитами Венеры и Марса. Она движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167). Среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, В перигелии оно уменьшается до 147 млн. км, а в афелии увеличивается до 152 млн. км. Период одного обращения по орбите 365,24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,3·10-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе - около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33? 22??. Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а ее вращение вокруг оси - смену дня и ночи. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

В целом по форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. В нашей стране принят термин «эллипсоид Красовского» Средний радиус Земли 6371 км, полярный - 6356 км, экваториальный - 6378 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя плотность 5518 кг/м3. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км2.

Фактически уровневая поверхность Земли не совпадает с поверхностью эллипсоида. Геоид - условное наименование истинной фигуры Земли, предложенное в 1873 г. немецким ученым И. Листингом (геоид - землеподобный). Геоид это геометрически сложная поверхность равных значений потенциала силы тяжести, совпадающая с невозмущенной поверхностью Мирового океана и продолженная под континентами. Он близок к эллипсоиду со сжатием 1: 298,2.Благодаря суточному вращению Земли существуют единственные неподвижные точки земной поверхности - географические полюса - это точки пересечения воображаемой земной оси с земной поверхностью. Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток с амплитудой 0,36??. Кроме того, имеются и небольшие сезонные их перемещения.

По отношению к полюсам определяют экватор, проводят параллели и меридианы. Экватор - это линия на глобусе или карте, расположенная на одинаковом расстоянии от полюсов. Его длина 40076 км. Параллели - линии, параллельные экватору. Это круги мысленного сечения Земли плоскостями, перпендикулярными ее оси. По параллелям определяют географическую широту - расстояние в градусах от экватора до какой-либо точки. Она изменяется от 90º с.ш. до 90º ю.ш. Меридианы - линии, соединяющие полюса. Это круги, образованные пересечением земного шара плоскостями, проходящими через земную ось. По меридианам определяют географическую долготу - расстояние в градусах от начального меридиана до какой-либо точки. Долготы бывают западные и восточные и изменяются от 0 до 180°.

Представление о фигуре и размерах Земли создавалось постепенно, на основе наблюдений, измерений и расчетов.

Уже в VII в до н.э. древнегреческие ученые высказали предположение о шарообразности Земли. В IV веке до н.э. Аристотель собрал уже имеющиеся доказательства шарообразности Земли, дополнил и обосновал их (круглая тень Земли при затмениях, изменение вида звездного вида и т.д.). Эратосфен Киренский во II веке до н.э. определил близкую к действительной длину большого круга (40 000 км) и одного градуса меридиана (110,6 м. - действительная 111,2 м.).

Кругосветные путешествия только подтвердили доказательства шарообразности. С появлением точных методов измерений расстояний и углов (триангуляция) в 1669-70 гг. французские ученый Жан Пикар точно измерил длину меридиана и пришел к выводу, что Земля не идеальный шар с радиусом - 6371,7 км. Французский астроном Рише проделав опыты с маятником пришел к сходным выводам.

Ньютон сформулировал закон об обязательном отклонении фигуры вращающегося тела от шара. Одновременно с Христианом Гюйгенсом он определили полярное сжатие Земли.

2. Изученность формы и размеров Земли на современном этапе

Учение о Земле как о шаре. По мере расширения знаний стал накапливаться уже более точный материал об изменении длины полуденной тени на разных широтах Земли. История не сохранила нам точных сведений о том, когда и где впервые появилось представление о шарообразности Земли. Но есть основания думать, что зародились они еще у вавилонян, а потом перешли в древнюю Грецию.

Так, например, греческий мыслитель Парменид уже определенно говорил о Земле как о шаре. В работах известного греческого философа Аристотеля приведен целый ряд весьма убедительных доказательств шарообразной формы Земли.

Ученик Аристотеля Дикеарх уже делал попытку измерить Землю, взяв за основание два пункта, расположенные на одном меридиане. Согласно Дикеарху окружность Земли имеет около 300 тыс. стадий2, т. е. около 47 тыс. км. Во всяком случае, эта величина не так уж далека от действительных размеров.

Гораздо полнее сохранились сведения об измерении меридиана, произведенные александрийским ученым Эратосфеном. Эратосфену было известно, что в городе Сиене, расположенном к югу от Александрии, солнце один раз в году, 22 июня, т. е. в день летнего солнцестояния, в полдень освещает дно самых глубоких колодцев.

Иначе говоря, в этот день в полдень в Сиене солнце стоит в зените, и вертикально стоящие предметы не дают теней. В то же самое время в Александрии предметы дают тень. Пользуясь высоким вертикально поставленным столбом и его тенью, Эратосфен вычислил, что в Александрии 22 июня в полдень луч солнца и вертикаль образуют угол. Нетрудно видеть, что угол этот равен центральному углу АОС. Зная длину дуги отмеченного нами угла (она является расстоянием между Сиеной и Александрией), Эратосфен вычислил длину окружности земного шара. Расстояние между Сиеной и Александрией 5 тыс. египетских стадий, стало быть длина окружности Земли тыс. стадии.

После очень долгого перерыва первое измерение градуса с целью определить размеры земного шара было сделано французским ученым Френелем в 1528 г. Взяв расстояние от Амьена до Парижа (измерив его числом оборотов колеса экипажа) и определив астрономически разницу широт, он получил размеры Земли, довольно близкие к современным.

Земля как эллипсоид. (рисунок 2) До половины XVII в. Землю считали правильным шаром, но потом были замечены факты, которые заставили усомниться в правильности подобного представления.

Рисунок 2

Так, астрономические часы, перевезенные в 1672 г. из Парижа в Кайену (Гвиана), стали ежедневно отставать. Чтобы добиться правильного показания времени, пришлось укоротить маятник часов. Дальнейшие наблюдения, произведенные в других местах, показали, что скорость качания маятника по мере движения от полюсов к экватору уменьшается. Первоначально это явление пытались, объяснить центробежной силой вращения Земли. Однако более точные расчеты показали, что для подобных изменений потребовалось бы увеличить скорость вращения Земли в 17 раз. Оставалась единственная возможность допустить, что уменьшение силы тяжести от полюсов к экватору зависит от полярного сжатия Земли.

Заключение о полярном сжатии Земли встретило ряд возражений. Разгоревшийся около этих вопросов спор заставил Французскую академию снарядить две экспедиции для измерения длины градуса в полярных и экваториальных широтах. Обе экспедиции, работая совершенно независимо (одна в Перу в 1735 г. и другая в Лапландии в 1736 г.), дали следующие результаты: длина градуса в Лапландии равна 57 437 туазам, длина градуса в Перу равна 56 753 туазам. Следовательно, экваториальный градус оказался короче полярного на 648 туаза. Отсюда можно было сделать совершенно определенный вывод о полярном сжатии Земли, Позже эти выводы были подтверждены и другими еще более точными измерениями. Полярный радиус Земли оказался на 21,4 км короче экваториального.

Земля как геоид. Продолжавшиеся в XIX в. градусные измерения и измерения силы тяжести в различных пунктах показали, что форма Земли сложнее, чем это предполагалось. Например, напряжение силы тяжести на многих океанических островах оказалось значительно больше, чем на материках. Исходя из этих фактов, пришлось допустить, что уровень воды в океанах неодинаков, форма Земли во многих случаях отступает от формы эллипсоида вращения. Дальнейшие измерения показали, что Земля по своей форме хотя и приближается к эллипсоиду вращения, но имеет более сложную, присущую только ей форму, которая получила название геоида3. Эта индивидуальная форма Земли пока еще недостаточно изучена. Известно, что поверхности теоретически вычисленных эллипсоида и геоида не совпадают, однако несовпадение это не превышает 100 м. Практически для геодезии и картографии подобное отступление от формы эллипсоида роли не играет, а потому геодезисты при всех своих расчетах исходят из того, что Земля имеет форму эллипсоида вращения.

Размеры Земли. В Советском Союзе в настоящее время приняты размеры земного шара, вычисленные советскими учеными Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым. Они характеризуются следующими данными.

Сжатие Земли

Поверхность Земли S = 510 млн. км2.

Водная поверхность Земли Sb = 71 % всей поверхности Земли.

Поверхность суши Sc = 29% всей поверхности Земли.

Объем Земли V = 1083 млрд. км3.

Масса Земли m = 6Х1021 т, из которых около 7% приходится на воду.

Длина дуги в 1° на разных географических широтах различна:

Для вычисления размеров земного эллипсоида Ф. Н. Красовский привлек большие материалы по градусным измерениям не только Советского Союза, но также Западной Европы и США. Кроме того, впервые для вычислений размеров Земли были использованы результаты измерений силы тяжести. Выведенные таким путем размеры эллипсоида более отвечают фигуре Земли в ее континентальной части, чем все ранее полученные. Поэтому 7 апреля 1946 г. Совет Министров СССР принял постановление, согласно которому все геодезические работы должны вестись на основе эллипсоида Ф. Н. Красовского.

Географическое значение формы и размеров Земли. Шарообразная форма Земли обусловливает неравномерное распределение тепла на земной поверхности. Солнечные лучи падают на выпуклую поверхность шара под разными углами. В экваториальной зоне они падают отвесно или почти отвесно, а при удалении от экватора угол падения солнечных лучей на земную поверхность уменьшается. В связи с этим нагревание Земли в один и тот же момент от экватора к полюсам уменьшается, что приводит к изменению климатов, к изменению условий природы на различных широтах

Вряд ли нужно много писать о форме Земли. Всем ясно, что Земля представляет собой шар, слегка сплюснутый у полюсов, т. е. так называемый эллипсоид. Однако правильное, современное представление о форме и размерах Земли было достигнуто далеко не сразу и достигалось порою в тяжелой борьбе науки с религией.

Греческий поэт Гомер (IX-VIII в. до н. э.) изображал Землю в виде круга, схваченного со всех сторон рекой Океаном, «которая катит свои могучие воды по ободу богатого щита»; такое изображение Земли было выгравировано, якобы, на щите мифического героя Ахиллеса. Философ Фалес (VI в. до н. э.) полагал, что Земля - шар, а его ученик Анаксимандр изображал Землю в виде цилиндра. Другие философы и ученые Древней Греции представляли Землю то в виде куба, то в виде лодки и т. д.; ученики Ксенофонта и Анаксимена считали, что Земля - очень высокая гора. Греческая мифология содержит легенду о том, как Зевс, желая определить размеры Земли, выпустил одновременно двух орлов, одного на запад, другого на восток: они встретились в городе Дельфах; это называлось «обнаружение Земли путем слета двух орлов».

На протяжении ряда веков, через дебри схоластики и религии средневековья, пробивала себе путь истина.

Еще совсем недавно, в 1862 г., немецкий ученый П. Иоселиани, определяя «глубину толстоты земного шара», получил 4536,8 км, что в 11/2 раза меньше действительной величины. Трудно поверить, но еще в 1876 г. в Петербурге была издана брошюра под названием: «Земля неподвижна, популярная лекция, доказывающая, что земной шар не вращается ни около оси, ни около Солнца. Читана в Берлине, доктором Шепфером. Перевод с немецкого Н. Соловьева. Издание 2-е, исправленное». Мы не будем останавливаться на подобных заблуждениях, и не будем касаться истории вопроса. Рассмотрим сведения, более существенные для нас в данном случае.

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

3. Методы изучения фигуры Земли

3.1 Гравиметрический метод

Гравиметрия - раздел науки об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли <#"59" src="doc_zip6.jpg" />

Потенциал силы тяжести, соответственно, определяется соотношением:

где - широта точки измерения.

3.2 Определение общего земного сфероида

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

3.3 Космический метод

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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