16

Гравитационное и магнитное поля земли

(72 час. В.А.Шашканов. Кафедра физики Земли физического факультета СПбГУ)

Гравитационное поле земли

(Изучение формы (фигуры) Земли гравиметрическим методом)

Введение

Перед этим разделом физики Земли стоят две основные задачи: по результатам определений (измерений) поля силы тяжести – определение формы (и частично, размеров) Земли, – определение распределения масс внутри Земли.

Форма Земли в рамках Гравиметрии может быть установлена с высокой точностью. Размеры и распределение масс - здесь требуются дополнительные данные о Земле, в частности, из других разделов геофизики. Важная практическая задача –определение распределения масс в верхних слоях Земли (земной коры). Это – задачи гравитационной разведки (разведочной гравиметрии).

Вопрос о фигуре и размерах Земли – древний вопрос естествознания.

1. Так, уже Пифагор в VI в. до н. э. (время жизни: около 571 – 497 гг. до н. э.) высказал соображения о шарообразной форме Земли.

2. Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.) выдвинул доказательства шарообразности Земли: круглая тень Земли на Луне во время лунных затмений.

3. Эратосфен (276 – 196 гг. до н. э.) выполнил первые измерения размера (радиуса) Земли как шара. (Грушинский, с.16-17)

NB: переход от нулевого приближения в представлениях о форме Земли, т.е. от плоской Земли, к первому приближению – к шарообразной Земле.

Эратосфен измерил зенитное расстояние Z Солнца в Александрии в полдень того дня, когда в Сиене (Сун, ныне Асуан) Солнце находилось в зените, т.е. его зенитное расстояние Z_o было равно нулю. Предполагая, что Сиена и Александрия находятся на одном меридиане и Солнце бесконечно удалено от Земли, угол Z – Z_o Z можно считать разностью широт двух городов. Угол Z у Эратосфена получился равным 1/50 части окружности. «Караванное» расстояние между городами было известно тогда как 5000 стадий. Значит, длина меридиана, по Эратосфену, оказалась равной 250000 стадий (по современным представлениям о греческом стадии, это равно 40000 км), длина дуги в 1 градус равна  112 км. (Истинная длина этой дуги равна 7^о07', тогда как 360^o/50 = 7^о12'). Аналогичное измерение было выполнено Посидонием (время жизни: 135-50 гг. до н. э.).

4. В 827 г. н. э. арабы в долине Тигра выполнили новое определение длины дуги в 1 градус, получив 111,82 км, что дало: R_(Земли) = 6406 км.

(При халифе Аль-Мамуне (786 – 833 гг.) в долине Синджар в Месопотамии на широте 35^о. Это была первая работа, когда фактически измерены и углы и расстояния).

Однако в средние века обо всех этих измерениях забыли, и в 1528 г они

были поставлены близ Парижа ФЕРНЕЛЕМ. Он получил длину дуги в один градус равной 110,73 км.

Существенным достижением для геодезии было изобретение Снеллиусом (1580 – 1626, Голландия) в 1614 – 17 гг. приема триангуляции. Триангуляция: один из методов создания сети опорных геодезических пунктов и сама сеть, созданная этим методом; состоит в построении РЯДОВ или СЕТЕЙ примыкающих друг к другу треугольников и в определении положения их вершин в избранной системе координат. В каждом треугольнике измеряются все три угла, а одну из его сторон определяют из вычислений путем последовательного решения предыдущих треугольников, начиная от того из них, в котором одна из его сторон получена из прямых измерений (базисная сторона). – БСЭ, т. 26, с. 195.

Итак, расстояние между двумя удаленными точками на Земле можно определить на основе сети треугольников, таких, что каждые два смежных треугольника имеют одну общую сторону. Зная одну из сторон, можно рассчитать все стороны всех треугольников сети. А эта одна, базисная, сторона может быть недлинная и выбрана на удобной для измерения расстояний местности, причем это может быть любая сторона в построенной сети. Тогда линейные измерения можно сделать максимально точно. Угловые же измерения и «всегда» делались с большей относительной точностью, чем линейные (см. рис.).

Триангуляция между пунктами А (крайняя левая точка сетки) и B (крайняя правая точка).

C помощью триангуляции (32 треугольника) длина дуги в 1 градус меридиана

между Бергеном и Амстердамом (Голландия) была определена в 107,41 км.

Пикар (1620 – 1682) повысил точность измерения углов и установил для дуги между Парижем и Амьеном: угловая длина – 1^о22'55", линейная длина – 153 689 м. Это дает для длины одного градуса дуги 111 212 м (современное значение – 111 221 м). Точность хорошая, хотя, возможно, совпадение и просто случайное.

Практически на этом закончились работы, в которых Земля принималась строго шарообразной (Пора переходить к следующему приближению в представлениях о фигуре Земли!).

Сделаем здесь небольшое отступление от нашей основной проблемы в пользу того, чтобы сказать несколько слов о Солнечной системе, в которой «живет» Земля, и собственно о Земле в ее современном геофизическом представлении. Подобные сведения, будучи самоценными вообще для геофизика, покажут нам место Земли в картине мира и зададут общее направление анализа ситуации уже конкретно с Землей.