Мета та завдання дисципліни. Зв’язок дисципліни з іншими науками і галузями знань. Геодезичні задачі на морі. Особливості виконання морських геодезичних робіт. Вимоги щодо точності геодезичних вимірювань і визначення координат в морі.

Тема 1. Мета та завдання дисципліни

1.1. Зв’язок дисципліни з іншими науками і галузями знань

Початок 50-х років ХХ століття став періодом становлення нового розділу в геодезії, призначеного розв’язувати ряд специфічних задач на акваторіях морів і океанів. Основою для його формування були роботи, направлені на комплексне вивчення та засвоєння біологічних, мінеральних та енергетичних ресурсів Світового океану.

За нашого часу світова економіка розвивається в умовах дефіциту запасів мінеральної сировини на суходолі. Тому швидкими темпами розвиваються роботи в морі з розвідки на нафту і газ. Виявлено, що запаси нафти в океані складають біля 25% світових запасів. Посилилося всебічне дослідження океану, а саме його геофізичних полів, рельєфу дна, течій, гідрологічних характеристик води, впливу океану на клімат, флору і фауну та т.п. Надалі збільшується значення океану як транспортного середовища, прокладаються трубопроводи та кабелі по морському дну. Усі перелічені та багато інших видів діяльності в океані потребують відповідного геодезичного забезпечення із застосуванням засобів та методів геодезичних вимірювань, пристосованих до специфіки морських умов і відмінних від вимірювань, що застосовуються на суходолі. Важливою задачею такого забезпечення є геодезична прив’язка – визначення координат точок.

За нашого часу в геодезичних вимірюваннях на морі використовуються різні типи радіогеодезичних і радіонавігаційних систем наземного базування, супутникові навігаційно-геодезичні системи, автономні інерційні і гідроакустичні засоби, інтегральні навігаційно-геодезичні системи.

В середині 60-х років в самостійні розділи науки оформилися:

-морська геологія – вивчення в межах Світового океану геологічної побудови земної кори і Землі в цілому;

-морська геофізика – розв`язання проблеми вивчення глибинної побудови Землі геофізичними методами та проведення пошуку і розвідки корисних копалин під океанами і морями геофізичними методами;

-морська геоморфологія – вивчення форм рельєфу дна і берегів Світового океану;

-морська гідрометрія – розробка методів та засобів океанографічних досліджень;

-морська метеорологія – дослідження особливостей атмосферних процесів над океанами та взаємодія атмосфери з океаном.

Широке розгортання в океані різного роду досліджень відкрило нові можливості розв’язання головної наукової проблеми геодезії – визначення форми та розмірів нашої планети.

1

Так, вивчення поверхні геоїда в океані виконується в основному супутниковими методами. Результати гравіметричного знімання на поверхні моря допомагають виявляти місцеві аномалії гравіметричного поля.

Викладене показує, що засвоєння океану ставить перед наукою і технікою ті самі геодезичні задачі на морі, які розв’язують на суходолі, але специфіка умов вимагає застосування інших засобів і методів.

Комплекс робіт, що пов’язаний з розв’язанням наукових і прикладних задач геодезії на морі, називають морською геодезією. Першим цей термін на початку 19 століття застосував російський дослідник-моряк Г.Саричєв.

Головною науково-технічною задачею морської геодезії є визначення з відповідною точністю положення точок і об’єктів на морській поверхні, на дні океанів, морів і гідросфері в єдиній системі координат.

В морській геодезії можна виділити наступні основні напрями:

-створення морських геодезичних мереж;

-топографічне знімання дна океанів і морів;

-геодезичне забезпечення науково-дослідних та пошуково-розвідувальних робіт, які пов’язані з вивченням і всебічним засвоєнням Світового океану, та робіт з побудови морських інженерних споруд і прокладання підводних комунікацій;

-вивчення фізичної поверхні і зовнішнього гравітаційного поля Землі в межах Світового океану та їх варіацій з часом;

-розробка і створення спеціалізованих технічних засобів, технологій, методів вимірів та математичної обробки їх результатів.

1.2.Геодезичні задачі на морі

На сьогодні, у багатьох державах світу значно посилилась увага питанням засвоєння Світового океану з його мінеральними й харчовими ресурсами. Це перш за все розвідувальні роботи в морі на нафту, газ, марганцево-залізну руду та їх видобуток.

Значно зросли об’єми робіт, пов’язані з дослідженням геофізичних полів, рельєфу дна, течій, гідрологічних характеристик води, впливу океану на клімат, флори, фауни тощо. Збільшується значення океану як транспортного середовища, ріст флоту і обсягів морських перевезень.

Для виконання вище вказаних робіт в океані необхідне відповідне геодезичне забезпечення з використанням методів і технічних засобів вимірювань стосовно морських умов. Важливою геодезичною задачею такого забезпечення є визначення координат точок акваторії морів і океанів. Для виявлення запасів нафти і газу необхідно скласти карту з рельєфом дна. Нові вимоги щодо точності і детальності топографічного знімання рельєфу дна необхідні для безпеки плавання і забезпечення можливості визначення координат підводного судна за рельєфом. Висока точність визначення координат

2

необхідна для прокладання кабелів, монтажу трубопроводів, при бурінні свердловин, будівництві портових та інших споруд у морі.

У зв’язку з освоєнням шельфу важливе значення має точність визначення кордонів між акваторіями різних держав. Для виконання великомасштабних топографічних знімань і високоточного визначення координат точок, віддалених від берегів, на дні моря створюється мережа опорних геодезичних пунктів, яка повинна бути прив’язана до пунктів континентальних мереж. Це можна здійснити з допомогою двох видів вимірювань: підводних (гідроакустичних) і надводних (супутникових, радіотехнічних). Донні опорні геодезичні пункти встановлюють на територіях океанів, щоб їх можна було використати для випробовування і еталонування радіонавігаційної, радіогеодезичної, супутникової та навігаційної систем, для визначення координат підводних апаратів, для точного визначення місцеположення судна при пошуках затоплених об’єктів.

Для вирішення головної наукової проблеми геодезії необхідно вивчати форму рівневої поверхні в морях і океанах. Перш за все це вивчення поверхні геоїда за спостереженнями збурень орбіт штучних супутників Землі і реєстрації реального профілю поверхні моря під орбітами штучних супутників Землі з допомогою супутникової альтиметрії. Багатолітні спостереження дають можливість визначати положення середнього рівня моря біля берегів, а прокладання нівелірних ходів – різниці висот цих рівнів у різних місцях материка. Визначення фігури геоїда на морі має велике значення для науки і практики. Форма геоїда необхідна для редукування виконаних на морі вимірювань. Точність визначення місцеположення за штучними супутниками Землі залежить від врахування висот геоїда.

Геодезичне забезпечення є елементом практичної діяльності на морі. Одна з геодезичних задач – визначення координат рухомого судна, є основною задачею морської навігації.

Також до задач морської геодезії та навігації в Україні належать:

-Делімітація водної акваторії

-Вибір безпечного і найбільш вигідного шляху для судна

-Врахування впливу зовнішніх факторів, які викликають відхилення судна від вибраного шляху

-Визначення положення судна за наземними орієнтирами і навігаційними штучними супутниками, та оцінка точності цих визначень

-Геодезичне обслуговування будівництва та експлуатації нафтових та газових родовищ на Чорному морі

-Вивчення та вибір найбільш зручних для суден картографічних проекцій та вирішення на них аналітичними та графічними методами навігаційних задач.

3

1.3. Особливості виконання морських геодезичних робіт

Визначення планових координат на морі мають ряд особливостей, від яких залежить вибір технічних засобів і вимоги до ідеального засобу прив’язки.

Головними особливостями є:

-процедура вимірювання навігаційно-геодезичного параметра повинна бути короткотривалою внаслідок неперервного руху об’єкта в морі;

-труднощі, що пов’язані з неможливістю визначення напряму вертикалі з точністю, необхідною для визначення з відповідними похибками вимірювань навігаційно-геодезичного параметра;

-неможливість закріплення пункту спостережень у морських умовах окрім дуже мілководних ділянок, через що необхідно передбачити апаратурні можливості контролю і підтвердження кожного виміру навігаційногеодезичного параметра;

-відсутність у більшості випадків прямої видимості опорних пунктів через їх віддаленості або через метеорологічні умови спостереження.

-фізичні властивості водного середовища.

До ідеального засобу планової прив’язки відносять:

1)забезпечення заданої точності визначення місцеположення рухомого об’єкта і елементів його руху;

2)висока продуктивність планової прив’язки і неперервність спостережень;

3)мінімальні затрати засобів і праці на планову прив’язку;

4)зручність розміщення і компактність бортової апаратури на судні;

5)забезпечення високої продуктивності основного виду морських геодезичних робіт;

6)незалежність від метеорологічних умов і віддаленості від берега;

7)мінімальні вимоги щодо кількості та кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Оскільки ідеального засобу не існує, то з усієї сукупності вимог вибирають ті, які в даний момент для конкретного випадку забезпечують найкраще наближення між ідеальними і отриманими характеристиками.

На поверхні, в гідросфері і на дні моря розв’язують різні наукові та технічні задачі, які вимагають різної точності визначення координат точок.

4

1.4. Вимоги щодо точності геодезичних вимірювань і визначення координат в морі

Вимоги до точності залежать в основному від особливостей умов виконання геодезичних робіт, технології їх проведення, детальності і масштабу знімання, віддалення від берега і пунктів континентальних геодезичних мереж, технічних характеристик і можливостей вимірювальної апаратури, степені впливу похибок зовнішніх і апаратурних джерел та їх врахування, фізичного стану гідросфери тощо. Більш високі вимоги ставляться до точного взаємного (відносного) положення пунктів і об’єктів, ніж до точності визначення їх абсолютних положень. Точність визначення координат в основному залежить від технічних засобів і пристроїв. Перш за все це супутникові, радіонавігаційні і радіогеодезичні системи. Для підвищення точності визначення координат необхідно удосконалювати методику виконання геодезичних робіт.

При розробці вимог до точності морських геодезичних робіт необхідно враховувати особливості умов їх виконання. Однією з них є нестаціонарність морського середовища.

Як правило, геодезичні виміри на морі проводяться з плавзасобів. В залежності від розмірів судна, глибини і наявності хвиль, від напряму і сили вітру та морської течії судно переміщується в межах від долей метра до десятків метрів, а іноді і більше. За таких умов величини геометричних параметрів безперервно змінюються, тому виконувати багаторазові виміри неможливо. За тих самих причин неможливо з борта судна виконувати високоточні кутові виміри.

До особливостей геодезичних вимірів на морі відносять відсутність на акваторіях Світового океану геодезичної основи. Це обумовлює необхідність прив`язки до пунктів континентальних геодезичних мереж.

Впровадження в практику морських геодезичних робіт супутникових навігаційно-геодезичних систем частково розв`язує проблему підвищення точності визначення координат об`єктів в морі.

Приведемо дані про точність геодезичного забезпечення деяких знімальних робіт, які регламентуються діючими інструкціями та іншими нормативними документами. Хоча в опублікованих до даного часу роботах рекомендуються різні точності щодо вимірювань і визначень координат.

Так визначення координат опорних морських геодезичних пунктів, встановлених на дні океану, необхідно виконувати з максимально можливою точністю. Точність визначення положення таких пунктів, враховуючи вплив похибок супутникових систем та гідроакустичних вимірів, знаходиться в межах 5-10 м. При встановленні донного гравіметра необхідна точність визначення його координат 70 м. Середня квадратична похибка визначення положення контурів і об’єктів донної ситуації відносно берегових або морських опорних

5

пунктів при топографічному зніманні шельфової зони морів і океанів не повинна перевищувати 1,5 мм масштабу карти.

Середньоквадратична похибка абсолютного положення об’єктів при геологічному зніманні, глибинному геологічному картографуванні складає 1 мм у масштабі карти.

При засвоєнні мінеральних ресурсів океану на різних стадіях робіт вимоги до точності різні. Згідно різних літературних джерел при виконанні у відкритому океані регіональних геофізичних знімань достатньою точністю визначення координат є 2500 м, при виконанні рекогностувальних робіт необхідна точність 100-150 м, при детальних знімальних роботах – 20-50 м. Так при сейсмічному зніманні абсолютна точність повинна бути біля 150 м, а точність точок зондування одна відносно іншої – 6-15 м.

Дуже високі вимоги до точності визначення місцеположення точок на дні відносно точок на поверхні при бурінні глибоководних свердловин. Похибки в даному випадку не повинні перевищувати 3 м. Така ж точність вимагається при прокладанні трубопроводів та кабелів. Висока абсолютна точність (10 м) вимагається при встановленні границь на нафтоносних ділянках шельфу.

Найбільш часто засоби і методи визначення координат на морі використовують у судноплавстві. В даному випадку вимагається безперервне знання місцеположення у відкритому морі з точністю 180 м. Узагальнені дані про вимоги щодо точності визначення координат при виконанні геодезичних робіт на морі на основі різних літературних джерел наведені в табл. 2.2.

Суттєве значення для підвищення точності визначень координат на морі має удосконалення методики робіт. Так, наприклад, застосування диференціальних методів у радіонавігаційній системі “Omega” зменшило похибку визначення місця з 2-3 км до 200 м.

Визначене підвищення точності досягається при об’єднанні різних систем у комплекси або інтегральні системи, де недоліки одних засобів компенсуються перевагами інших.

6

Таблиця 2 Вимоги щодо точності визначення координат і висот

Для визначення координат точок, звичайно, виконують надлишкові виміри і такі, що пов`язують точки, координати яких необхідно визначити, між собою. В результаті таких зв’язків формується геодезична мережа. Мережі, що складаються із закріплених на морському дні пунктів, формуються за допомогою зв’язків між собою та з пунктами континентальних мереж, виміряних на поверхні Землі.

Специфічним для морських умов та недостатньо висвітленим у літературі видом мережі є мережа, утворена положенням судна в різні моменти часу, пов`язаними між собою вимірами за допомогою наближених значень – числення віддалей та напрямів.

При зніманні геофізичних полів та рельєфу зі знімальних маршрутів (галсів) формується більш складна мережа – мережа галсів, що перетинаються.

Неспівпадіння значень визначених параметрів (сили ваги, глибини), отриманих з різних галсів у точках перетину, використовується для оцінки якості знімання та для подальшого врівноваження мережі галсів. Дане врівноваження є підставою для підвищення точності результатів визначення місцеположення та якості знімання.

Необхідно зауважити, що при розширенні робіт на морських акваторіях, вимоги до точності геодезичного обґрунтування будуть підвищуватися. Це необхідно враховувати при розробці та створенні нових технічних засобів і методів морської геодезії.

7

Загальна характеристика Світового океану.

Зони Світового океану. Рельєф дна океанів. Рівень Світового океану.

Розділ 1. Загальна характеристика Світового океану

Однією з актуальних проблем людства є всебічне засвоєння Світового океану з його мінеральними і харчовими ресурсами. Такі дослідження направлені на вивчення геофізичних полів, рельєфу дна, течій, гідрологічних характеристик води, вплив океану на клімат, флори, фауни тощо. Не менш важливим є значення океану як транспортного середовища і рибного промислу, прокладання трубопроводів і кабелів по морському дну.

Якщо материки в основному розділені між собою, то водна оболонка Землі створює безперервний простір, що називається Світовим океаном. Відомо, що Світовий океан займає 70,8% площі поверхні Землі. Середня глибина його складає 3795 м. Найбільша глибина знаходиться в Маріанській западині і дорівнює 11022 м.

Єдиного підходу до розподілу Світового океану на зони поки не існує. Звичайно, такий розподіл виконують за особливостями гідрологічного режиму, фізико-географічною ознакою та за обмеженістю окремих частин Світового океану материками, островами і підводними височинами. Світовий океан умовно розділяють на чотири частини: Тихий, Атлантичний, Індійський і Північний Льодовитий океани. Характеристики океанів представлені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Характеристики складових Світового океану

До океанів віднесені відповідні сектори Антарктиди, а також прибережні моря, які складають у сумі 3% маси і 10% площі Світового океану. Об’єм води Світового океану становить 1420 млн. км3, тобто майже 94% всіх вод гідросфери нашої планети. Маса води оцінюється величиною 1,42.1021 кг, що складає біля 1/4200 маси Землі і ця кількість є сталою.

Кругообіг води в природі відбувається під впливом випромінювання Сонця і гравітації. З поверхні океану щорічно випаровується біля 520000 км3 води і така сама кількість води у вигляді опадів падає на поверхню нашої планети. В атмосфері Землі знаходиться біля 12300 км3 води, кількість якої змінюється протягом року. В водах океану розчинено в середньому 3,5% солей і ряд газів. В верхніх шарах океану при межі з атмосферою в 1 л води є в середньому 50 мл СО2, 13 мл N2, 2-8 мл О2, 0,32 мл А2 і мала кількість інших благородних газів.

Середнє значення солоності в морях і океанах представлені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Солоність океанів і морів

Густина і солоність морських вод залежить від температури води, яка у свою чергу залежить від температури атмосфери, опадів. На рис. 1 приведені графіки змін солоності, кількості опадів, випаровування води, густини і температури води та повітря над

Атлантичним океаном у меридіональному перерізі. В даному випадку, дані про густину

морських вод, обчислені як функції температури і солоності.

В табл. 1.3 приведені середні значення температури приповерхневих вод в океанах і морях. Зміна температури з глибиною залежить від кліматичних умов. Температура і солоність морської води впливають на швидкість звуку у воді, яка є важливою характеристикою при вимірюваннях глибин моря, ехолокації тощо. Дані про залежність швидкості звуку у воді від температури t і солоності S представлені в табл. 1.4.

Таблиця 1.3

Температура води в океанах і морях

Рис. 1. Графіки змін кількості опадів, солоності, випаровування, густини, температури води та температури повітря

Таблиця 1.4

Швидкість звуку у воді (м/с)

Найбільшою складовою частиною Світового океану є океан – поверхня, яка розташована посеред материків, має самостійну систему циркуляції води та специфічні особливості гідрологічного режиму. В кожному океані виділяють моря – частина океану, яка вклинюється в сушу або відокремлена від неї островами, та в ній, внаслідок її особливостей, формуються специфічні риси гідрологічного режиму. Моря розрізняють за наступними ознаками: за розташуванням, за глибиною, за формою рельєфу дна.

За розташуванням моря розділяють на середземні, околишні та міжострівні.

Середземні моря (Середземне, Карибське) розташовані між материками і з`єднуються з

океаном одною або декількома протоками. Внутрішні моря (Чорне, Балтійське) розташовані в межах одного материка та з`єднуються з океаном одною або декількома протоками. Околишні моря (Берингове, Охотське) неглибоко вдаються в сушу. Міжострівні моря (Бланда, Сулу) відокремлюються від океану островами.

За глибиною моря розрізняють на глибоководні та мілководні.

Глибоководні моря мають глибини до декількох тисяч метрів (Чорне, Охотське, Японське); мілководні – до декількох сотень метрів (Баренцове, Північне, Балтійське).

За формою рельєфу дна моря розрізняють на басейнові та плесові. Перші мають глибоку замкнену котловину, чітко обмежену підводним порогом. У других – глибина постійно збільшується з віддаленням від берега. Глибоководні моря, як правило, басейнові, мілководні – плесові.

Більш мілкими підрозділами океану є протоки, затоки, лагуни, фіорди та бухти. Протока – відносно вузька частина океану (моря), оточена двома частинами суходолу та з`єднує різні водні частини. Затока - частина океану (моря), що вдається в сушу і слабо відділена від основного водного басейну, внаслідок чого її режим мало відрізняється від режиму основного басейну. Лагуна – акваторія, постійно або тимчасово відділена від океану (моря) косою. Фіорд – вузька та глибока затока з високими берегами. Бухта – невелика затока, відділена мисами або островами від основного басейну та має специфічний режим.

1.1. Походження океанів

Вік найдавніших порід, які виявлено на океанічних западинах, становить біля 200 мільйонів років. Породи, які знаходять на материках, оцінюються віком більше 3 мільярдів років. Існують різні гіпотези щодо природи та походження материків і океанів. Широкого розповсюдження набула теорія мобілізму. Суть цієї теорії базується на гіпотезі про дрейф континентів, яку в 1912 році сформулював німецький учений-геофізик Вегенер. Згідно цієї гіпотези основні рухи, які формують лік Землі, – горизонтальні. В далекі часи, приблизно 300 млн. років тому назад, на Землі існував єдиний континент – Пангея і єдиний океан – Пангаласа. З плином часу цей материк почав розколюватись і розповзатись. Спочатку утворились два нових праконтиненти: Гондвана (Африка, Південна Америка, Індія, Австралія і Антарктида) і Лавразія (Євразія і Північна Америка). Пізніше ці праматерики

розкололись, розповзлись і зайняли сучасне положення. Це переміщення привело до

виникнення Атлантичного, Індійського і “Австралійського” океанів (останній знаходиться в стадії зародження).

З рухом материків, а точніше з рухом тектонічних плит, пов’язана наявність гігантських тріщин в океанічному дні, які проходять по середині підводних хребтів, що опоясують Землю і називаються рифовими долинами. Так, наприклад, рифова долина в Атлантичному океані має місцями глибину 1,5 км і ширину 15 км. Тектоніка плит є більш впевненою науковою концепцією, ніж інші гіпотези, оскільки вона може передбачити

факти, які можна перевірити зі спостережень. Зв’язок із спостереженнями забезпечує два

кількісних моменти цієї теорії: геометрична точність і надійне визначення часу. Геометрична точність базується на геометричних ідеях, які лежать в основі гіпотези. Перша з них полягає в тому, що Земля має певну шарову будову. Її зовнішній шар – літосфера, представляє собою сферичну тверду і жорстку оболонку товщиною біля 80 км, а в її середині мають місце невеликі деформації. Друга геометрична ідея полягає в тому, що