книги из ГПНТБ / Арнольд К. Методы спутниковой геодезии

как причина части ондуляции истинного геоида известна навер­ няка: изо статическая структура земной коры.

Надо исключить из ондуляции истинного геоида ондуляции изостатического геоида (см. рис. 49) и остаточные ондуляции ис­ пользовать для интерпретации геофизических явлений, как это

тока, континентального дрейфа и конвекционных потоков следует, что аномалии плотности образуются в мантии Земли, это подтвер­ ждается анализом результатов спутниковой геодезии.

140° 100" 60° 20° 20° 60° 100° 140° 180°

Рис. 50. Остаточные ондуляции (в м) по С. К. Рункорну. Эти ондуляции обра­ зованы путем вычитания от ондуляции геоида, полученных Гайером и Ньютоном (1965) из наблюдений спутников, ондуляции изостатического геоида при условии соблюдения изостатической компенсации.

Если разложить ондуляции изостатического геоида (см. рис. 49) по сферическим функциям и сравнить коэффициенты этого разло­ жения с коэффициентами разложения по сферическим функциям гравитационного поля Земли (рис. 40 — 43, 47), полученными из наблюдений спутников, то найдем, что обе системы слабо коррелированы друг с другом. Эту слабую корреляцию нельзя усилить, изменяя глубину компенсации или плотность масс земной коры.

Можно заключить, что аномалии плотности, вызывающие ано­ малии силы тяжести, слабо коррелированы с топографией. Их можно истолковать либо как поверхностные образования на коре, которые не коррелированы с топографией, либо как аномалии плотности в мантии Земли, которые тоже не коррелированы с топографией.

Но и в случае поверхностных образований на коре мантия Земли не осталась бы в гидростатическом равновесии. Эти образования

будут вызывать дополнительный потенциал, который деформирует уровенные поверхности и тем самым нарушает гидростатическое равновесие, в то время как согласно предпосылке, поверхности одинаковой плотности не должны изменяться.

Анализ результатов спутниковой геодезии подтверждает, что в мантии Земли должны появляться аномалии плотности, т. е. отклонение от распределения плотностей, которое следует из теорий

номических наблюдений, можно с уверенностью заключить, что в мантии Земли имеются отклонения плотности от состояния гидро­ статического равновесия по Клеро и Дж. Дарвину.

Из спутниковых наблюдений с высокой степенью точности опре­

До появления искусственных спутников Земли считали надежно определенной величину сжатия, которую вычисляли из прецесси­ онных постоянных Р и отношения массы Луны m f f к массе Солнца т 0

ц = — - '"о

Зная величины Р и ц, можно вычислить динамическое сжатие Земли Н по формулам

Так, Ситтер и Спенсер Джонс нашли

/ I і = 297,300 ±0,065 .

Даже если средняя квадратическая ошибка этой величины ха­ рактеризует внутреннюю точность метода, то расхождение между

можно вычислить теоретически по / и т с высокой точностью при

быть известен точнее, чем это дают сейсмические наблюдения. Если пренебречь уточнениям по Дж. Дарвину, то здесь надо применить следующую формулу

При этом можно рассуждать следующим образом. Если исходить из полученного по наблюдениям спутников значения, независимого от гипотезы,

/ 2 = 1 : 299,6.

Полученные значения сжатия расходятся. Отсюда следует, что нельзя исходить из предпосылки о состоянии гидростатического равновесия.

Чтобы прийти к численной оценке аномалий плотности в мантии Земли, исходят в дальнейшем из значения q.

Из астрономических наблюдений, используя прецессионные по­ стоянные, получают очень точно

И = 0,00327260 ± 6,9 • 1СГ7,

a Jo надежно определяют из наблюдений спутников; далее получают q как отношение обоих эмпирически полученных, независимо от гипо­ тезы о внутреннем строении, значений

На основании сказанного эта модель Земли не может находиться в состоянии гидростатического равновесия. Для состояния гидро­

Для идеальной, находящейся в состоянии гидростатического равновесия Земли с сжатием / должны изменяться q и dq и тем самым должно нарушаться гидростатическое равновесие, чтобы обеспечивалось распределение плотности, соответствующее при­ нятой модели Земли. При таких изменениях плотности не должен изменяться потенциал в точках на поверхности Земли и во внешнем

в реальной моделе Земли и распределением плотности для состояния

ная расстоянию элемента объема dv от исходного пункта, располо­ женного на поверхности о•

Если бы аномалии плотности 8 имелись только в земной коре, то гипотезу можно было бы объяснить только поверхностными об­ разованиями мощностью около 12 км, что невозможно геофизи­ чески.

Аномалии плотности должны обязательно иметься и в мантии Земли.

Порядок разности давлений, возникающих в мантии Земли, оценивается из исследований максимальной величиной 108 дин/см2 = = 100 бар (Джеффрис 40 бар, Капуто 30 бар).

Отклонения от состояния гидростатического равновесия часто объясняют «ископаемым» сжатием в недрах Земли. Земля в ранние геологические эпохи вращалась быстрее и достигла теперешней ско­ рости вследствие тормозящего действия приливов и отливов.

Уменьшение скорости вращения Земли могло быть также след­ ствием расширения Земли, как это трактуется некоторыми авторами на основе теории Дирака об уменьшении со временем гравитацион­ ных постоянных и на основе других теорий. Если проследить за гипотезой о расширении Земли, то с точки зрения геофизики трудно представить, что «ископаемое» сжатие в верхней мантии Земли могло сохраняться более чем 100 ООО лет, в то время как согласно гипотезе об изостатическом равновесии на время релаксации блоков верхнего слоя верхней мантии Земли отводится только 7000 лет. «Ископаемое» сжатие могло появляться раньше и в более глубоких недрах Земли, потому что там кинематическая вязкость больше.

Поэтому предполагают, что при отклонениях от состояния гидро­ статического равновесия речь идет о явлении, возникновение ко­ торого относится к ледниковому периоду.

Тогда полярные области были покрыты мощными слоями льда, которые давили на лежащие под ними слои и, конечно, влияли на структуру земной коры и верхней мантии Земли. Надо исследовать, достаточно ли было давления полярных шапок, чтобы объяснить вытекающие из спутниковых наблюдений отклонения от состояния гидростатического равновесия, продолжающиеся еще и в настоящее время.

Полученный из наблюдений спутников вывод (245) об аномалиях в мантии Земли имеет значение, по крайней мере, для работ по Про­ екту Верхняя мантия.

Некоторые авторы считают, что ондуляции в граничном слое между ядром и мантией Земли тоже могут являться причиной ано­ малий силы тяжести, определяемых из наблюдений спутников, так как скачок плотности достигает там значительной величины,

Если исходить из того, что параметр этого возмущающего потенциала tn должен быть установлен таким, чтобы коэффициент / „ при зональной сферической функции п-ото порядка в разложении гравитационного поля Земли получался равным 0,1 • 10~6 (такое

значение вполне приемлемо), то мощность поверхностных образова­ ний tn на границе ядра принимает следующие значения в зависи­ мости от порядка сферической функции п.

11.4.БОЛЬШАЯ ПОЛУОСЬ ОБЩЕГО ЗЕМНОГО ЭЛЛИПСОИДА

Вгл. 9 было показано, как можно, зная массу Земли и период обращения спутника, по третьему закону Кеплера (171) получить большую полуось орбиты и, таким образом, масштаб в орбитальном

Эти точки, расположенные на общем земном эллипсоиде, поз­ воляют определить его большую полуось R E , после того, как по / 2 очень точно определено сжатие эллипсоида, которое может рассмат­ риваться как исходная величина.

Для точек О', полученных проектированием на общий земной эллипсоид, имеем прямоугольные координаты

Введем земной эллипсоид, центр которого совпадает с центром масс Земли, и который имеет такой же эксцентриситет еЕ, и сжатие /, как и общий земной эллипсоид

задачи. Для каждого отдельного пункта надо определить радиальные

= /?д--і?в(і--|е|; 8т2ф' + -|-е|; 8т2 ф'-|е|; зт4 фЧ- • • .)

Потребуем, чтобы при определении R E сумма квадратов радиаль­ ных остаточных отклонений равнялась бы минимуму. Уравнение ошибок будет

Если положения 12 станций заданы с достаточной точностью порядка 10—20 м, то ошибка этого метода по внутренней сходимо­ сти едва ли может превысить ± 5 — ± 1 0 м.

Проблемой является только проектирование станций наблюде­ ний на общий земной эллипсоид в точки Q' вдоль нормали на вели­ чину высоты над уровнем моря h и на локальные ондуляции геоида N (см. рис. 51).

Высоту над уровнем моря h можно определить из нивелирования с ошибкой всегда меньше метра.

Определение локального значения ондуляции геоида N сложнее. Для Л' можно взять значение, которое получается из наблюдений спутников как превышение геоида над эллипсоидом. Но это регио­ нальное среднее значение, которое может отличаться от используе­ мого здесь локального значения на 10—20 м. Поэтому лучше для зоны радиусом около 1000 км вокруг станции определять локаль­ ные деформации геоида геометрически из астрономического нивели­ рования по методу площадей или гравиметрически по формуле Стокса в том случае, если из наземных измерений имеются подроб­ ные данные о поле силы тяжести для близких и далеких зон. Таким образом, получим значения N, которые близки локальным значениям, Эту часть поверхности геоида, содержащую детальные структуры, можно связать с геоидом, полученным из наблюдений спутников,

по методу наименьших квадратов.

Представленный метод является сейчас самым точным для опре­ деления большой полуоси общего земного эллипсоида. Лучшее значение, полученное таким образом,

Д в = 6 3 7 8 1 4 2 ± 6 м.

Имеется еще другой метод определения RE, в котором также используются наблюдения искусственных небесных тел. Но тогда привлекают и наземные измерения силы тяжести.

При этом используют уравнение из физической геодезии

где / и т — известные значения (243), уЕ — нормальная сила тяжести на экваторе, которую можно получить, вычитая из сфери­ ческой функции нулевого порядка в разложении поля силы тяжести Земли постоянную Потсдамской системы, равную примерно 14 мгл.

Так как произведение кМ определено очень точно из наблюдений лунных зондов

RE •= 6 378 138 м,

хорошо согласованное со значением, полученным по координатам

Если сферическая функция нулевого порядка в разложении поля силы тяжести Земли изменяется на 6g0 , а сжатие — на б/, то сила тяжести на экваторе изменится в соответствии с уравнением

6 У я = б £ 0 4 - | у 6 / .

Определение величины RE из наблюдений спутников с точностью около 1 : 1 000 000, безусловно, является большим достижением