Савчук підручник

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

нескінченно близької до неї рівневої поверхні C dC,

Але для переходу від одної рівневої поверхні до другої, як показує формула (5.2), необхідно знати закон зміни сили ваги g з висотою. Оскільки закон зміни сили ваги з висотою

всередині земної маси точно не відомий, то теоретична можливість переходу від одної рівневої поверхні до другої рівневої поверхні Землі не може бути здійснена строго у практичному відношенні.

Вибір і вивчення довільної рівневої поверхні для того, щоб потім визначати відносно неї елементи конкретно заданої рівневої поверхні теж не може бути абсолютно умовним. Для геодезії особливе значення має вивчення вигляду і розмірів безпосередньо тієї рівневої поверхні, яка проходить близько до фізичної поверхні Землі та найкращим чином характеризує її дійсну фігуру. Зрозуміло, що вона має бути вибрана у повній відповідності до будови і характеру зовнішньої поверхні Землі як планети в цілому. Це означає, що нормальний потенціал U необхідно встановити так, щоб збурюючий потенціал T був гармонійною функцією з високою точністю наближення.

5.2. Відхилення прямовисних ліній та відступи геоїда від земного еліпсоїда

Напрям сили ваги в деякій точці, або напрям прямовисної лінії повністю визначається виглядом рівневої поверхні в цій точці. Визначає вигляд рівневої поверхні, а, відповідно, і напрям прямовисних ліній розподіл мас в земній поверхні. Це ж саме стосується і відступів геоїда від земного еліпсоїда: відступи обумовлені існуючим розподілом мас на земній поверхні і всередині її та відповідають цьому розподілу.

252

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

Порушення певного розподілу мас, при якому густина речовини змінюється в горизонтальному напрямі (має різні значення в різних місцях на одній глибині), охоплюють лише зовнішній шар Землі, товщина якого не перевищує 70 км. В порівнянні з розмірами та масою всієї Землі така незначна величина означає, що відступи геоїда від еліпсоїда та відхилення прямовисних ліній від нормалей до цього еліпсоїда повинні бути малими величинами.

На основі сучасної моделі гравітаційного поля EGM96 можна характеризувати відступи геоїда від загального земного еліпсоїда. Доказаним фактом є існування глобальних хвиль геоїда, тобто загальних відступів його від земного еліпсоїда. Висоти цих хвиль складають до 70 м, а їхня зміна має як довготний так і широтний характер. Цим глобальним відступам геоїда відповідають і глобальні відхилення прямовисних ліній

від нормалей до еліпсоїда (до 10").

Місцеві особливості будови земної кори викликають локальні хвилі геоїда, яким відповідають і локальні відхилення прямовисної лінії. Причинами, що викликають локальний характер, можуть бути аномальне залягання порід всередині земної кори, берегові лінії океанів та морів, гірські утворення тощо. Місцеві відступи геоїда представлені, переважно, у вигляді порівняно незначних хвиль, що мають невелику висоту та область поширення. Проте відповідні їм локальні відхилення прямовисної лінії можуть досягати дуже значних величин (десятків секунд дуги), що є наслідком значної зміни кривини рівневої поверхні.

Коли йде мова про відступи геоїда від земного еліпсоїда та відповідні відхилення прямовисних ліній, то ми повинні чітко зрозуміти про які параметри йдеться.

Відступи геоїда над земним еліпсоїдом – це перевищення точок геоїда відносно поверхні еліпсоїда. Вони не можуть бути виміряні безпосередньо. Результати астрономогеодезичних і гравіметричних вимірювань, віднесені до поверхні певного еліпсоїда, дають тільки похідні величини або градієнти відступів геоїда від поверхні віднесення. Дослідження

253

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

фігури геоїда і полягає у визначені її відступів від фігури

обчислюються за даними вимірювань.

Якщо відхилення прямовисної лінії визначають як кут між нормаллю до поверхні загального земного еліпсоїда і напрямом прямовисної лінії, то називають його абсолютним відхиленням прямовисної лінії. Якщо ж до уваги береться нормаль до поверхні референц-еліпсоїда - то отримують відносне відхилення прямовисної лінії.

Абсолютні відхилення прямовисної лінії залежать тільки від розподілу мас Землі. Відносні відхилення прямовисної лінії залежать від розподілу мас Землі, прийнятих параметрів і орієнтування референц-еліпсоїда. Очевидно, що відносні відхилення прямовисної лінії можуть значно відрізнятися від абсолютних в тих же точках і через них ми не можемо безпосередньо робити висновки про характер неправильностей у будові земної кори.

Напрям прямовисної лінії визначається на земній поверхні з астрономічних спостережень через визначення астрономічних координат - широти та довготи . Напрям

нормалі до поверхні референц-еліпсоїда визначається геодезичними координатами B і L. Звідси випливає, що відхилення прямовисних ліній можна визначити через співставлення астрономічних і геодезичних координат. Оскільки геодезичні координати традиційно визначаються на поверхні референц-еліпсоїда за результатами лінійних і кутових вимірювань на фізичній поверхні Землі, то відхилення прямовисної лінії називають також відносними астрономогеодезичними. Відзначимо, що при обчислені геодезичних координат на основі результатів супутникових спостережень, із порівняння їх з відповідними астрономічними координатами отримаємо абсолютні астрономо-“геодезичні” відхилення прямовисних ліній.

254

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

Напрям прямовисної лінії в даній точці земної поверхні збігається з напрямом нормалі до рівневої поверхні потенціалу сили ваги W в цій же точці або, точніше, з дотичною до силової лінії дійсного поля сили ваги. Напрям нормалі до земного еліпсоїда збігається з дотичною до силової лінії нормального поля сили ваги. Звідси, відхилення прямовисної лінії можна визначити як кут між дотичними до силових ліній дійсного і нормального полів сили ваги. В такому сенсі його називають гравіметричним відхиленням прямовисної лінії або відхиленням важка.

Одна із причин появи відхилень прямовисних ліній – притягання надлишкових мас на материках і недостатність цих притягальних мас в океанах. І хоча зміна зовнішніх (топографічних) форм рельєфу не є домінуючою як зміна густини порід земної кори, все ж форми топографічного рельєфу вносять певний вплив на знак і величину відхилень прямовисних ліній. Цей вплив дещо послаблюється через так звану ізостатичну компенсацію або ізостазію. Відхилення прямовисних ліній, що визначаються на основі впливу топографічних мас з врахуванням явища ізостазії, називаються топографо-ізостатичними відхиленнями.

Відступи геоїда від земного еліпсоїда теж можна класифікувати на абсолютні – висоти геоїда над загальним земним еліпсоїдом (позначається через N ) та відносні – висоти геоїда над референц-еліпсоїдом (позначається через ).

Відмітимо значення відступів геоїда та відхилень прямовисних ліній.

Відступи (висоти) геоїда над референц-еліпсоїдом, як і відхилення прямовисних ліній, безпосередньо використовуються при вивченні фігури Землі: виводі параметрів земного еліпсоїда; встановленні вихідних геодезичних дат; визначенні взаємного орієнтування різних геодезичних систем координат.

З використанням висот геоїда та відхилень прямовисних ліній розв’язують багато редукційних задач вищої геодезії.

255

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

Через відхилення прямовисних ліній встановлюється прямий зв’язок між астрономічними і геодезичним координатами.

За допомогою відхилень прямовисних ліній здійснюється перехід від безпосередньо виміряного астрономічного азимута до геодезичного азимута.

Відхилення прямовисних ліній необхідні при класичному методі визначення геодезичних висот.

5.2.1. Астрономо-геодезичні відхилення прямовисних ліній

Оскільки відхилення прямовисних ліній у будь-якій точці визначається як різниця двох векторних напрямів, то воно повинно визначатись двома параметрами - величиною кута, що

розміщується. Проте частіше відхилення прямовисних ліній визначаються двома іншими величинами: проекцією повного відхилення прямовисної лінії на площину меридіана і першого вертикала даної точки. Проекція на площину меридіана називається складовою відхилення прямовисної лінії в меридіані і позначається , а проекція на площину першого

вертикалу - складовою відхилення прямовисної лінії в першому вертикалі і позначається через .

Нехай фізична поверхня, поверхня геоїда та поверхня земного еліпсоїда в точці M співпадають. На рис. 5.1. зображений полярний сферичний трикутник zГ zAP , вершини

утворений проекціями осей систем координат ZГ ,ZA на сферу одиничного радіуса та точкою перетину геодезичного і астрономічного меридіанів точки M (лінія MP паралельна осі обертання Землі). Згідно визначення, відхилення прямовисної лінії визначається кутом ZГ MZA або стороною сферичного

256

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

довготи відраховуються від одного початкового меридіана, тоZГ PZA L. Сферичний трикутник ZГ ZAP з позначеними сторонами і кутами приведений на рис. 5.1.

cos ,

(5.3)

sin .

257

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

У формулі (5.3) через та позначено складові повного

відхилення прямовисної лінії у меридіані та першому вертикалі відповідно.

На основі формул синусів та п’яти елементів для сферичного трикутника ZГ ZAP маємо

sin cos cos(900 )sin(900 B)

.

sin(900 )cos(900 B)cos( L)

Враховуючи члени першого порядку розкладів для малих величин , L та позначення (5.3), отримаємо остаточно вирази для складових відхилення прямовисних ліній

B,

(5.4)

L cos .

На основі (5.3) отримаємо

На практиці отримують спочатку складові , за (5.4), а потім вже за формулами (5.5) і .

Можна отримати величину A відхилення прямовисної

лінії для будь-якого напряму з азимутом A. На основі рис. 5.1 (без доведення) запишемо остаточно

258

При виводі формул астрономо-геодезичних відхилень прямовисних ліній вважалося, що фізична поверхня і поверхня земного еліпсоїда в заданій точці збігаються або перетинаються. В загальному випадку точка фізичної поверхні не знаходиться на поверхні еліпсоїді, а має певну висоту H . Через це напрям прямовисної лінії, що задається безпосередньо виміряними астрономічними координатами , деякої точки Q, не

збігається з напрямом прямовисної лінії у перетині її з поверхнею еліпсоїда.

Виходом з такого становища було б редукування астрономічних координат на поверхню еліпсоїда по прямовисній лінії. Проте траєкторія прямовисної лінії всередині Землі може змінюватись невідомим нам чином внаслідок незнання густини мас земної кори, що унеможливлює точне редукування астрономічних координат.

Очевидно, що трактування поняття відхилення прямовисної лінії як кут між дотичними до силових ліній дійсного і нормального полів сили ваги буде відповідати всім можливим випадкам. Так у виміряні астрономічні координати не потрібно вводити жодних поправок, оскільки саме вони дають напрям вектора сили ваги в даній точці земної поверхні. Проте другий вектор – напрям нормалі або напрям дотичної до силової лінії нормального поля рівневого еліпсоїда, відрізняється від напряму нормалі на поверхні цього еліпсоїда. Геометричний зміст різниці між вказаними напрями полягає в тому, що від геодезичних координат на еліпсоїді здійснюється перехід до геодезичних координат, віднесених до поверхні еліпсоїда, що проходить через дану точку Q. Оскільки силові

лінії нормального гравітаційного поля є плоскими кривими, тобто відсутні викривлення в довготі, то при переміщенні по них змінюється тільки широта.

З врахуванням зроблених пояснень можемо написати

259

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

,g Bn,

(5.7)

L cos .

У(5.7) позначено: - напрям нормалі до еліпсоїда в точці Q,

або, інакше, напрям дотичної до силової лінії нормального поля, яка проходить через точку Q і утворює з площиною екватора

фізичної геодезії дається вивід цієї поправки, кінцевий вигляд якої наступний

Отже, остаточні формули для визначення астрономогеодезичних відхилень прямовисних ліній будуть мати вигляд

аг B 0.171"Hкм sin2B,

(5.9)

аг L cosB.

Знайдемо величини впливу відхилення прямовисних ліній на азимути, горизонтальні та вертикальні кути. Якщо

позначити: A - геодезичний азимут напряму з пункту Q на

суміжний пункт, a- астрономічний азимут того ж напряму, то різниця вказаних азимутів має такий вигляд

260

Розділ 5. Основи теоретичної геодезії

Звернемо увагу, що вираз (5.10) справедливий як для редукції астрономічного азимута, визначеного із астрономічних чи гіроскопічних спостережень, так і для виміряного горизонтального напряму.

У рівнянні (5.10) розрізняють дві частини: одну у вигляді tg , яка є сталою в даній точці, і другу - змінну, що

залежить від азимута конкретного напряму та його зенітної відстані.

Оскільки горизонтальний кут визначається різницею напрямів, то, очевидно, що формула

поправкою в горизонтальний кут, обумовлену відхиленням прямовисної лінії у вершині даного кута. Ця поправка вводиться при редукуванні виміряних горизонтальних кутів з фізичної поверхні на поверхню земного еліпсоїда (див. § 5.5.2).

Поправка , що визначається формулою (5.11),

переважно має досить мале числове значення у порівнянні з поправкою tg . Так, при визначенні астрономічних азимутів

сторін геодезичної мережі, зенітні відстані, як правило, близькі

Зважаючи, що астрономічний азимут a визначається з похибкою 0.7" , то для переходу до геодезичного азимута рівняння (5.11) записують у вигляді

261