3. Краткий исторический очерк о развитии геодезии

Определением формы и размеров Земли занимались в древнейшие времена и продолжают заниматься до настоящего времени. Можно выделить четыре основных этапа решения этой проблемы:

1. с древнейших времен до конца XVIIв., когда землю принимали за шар;

2. с конца XVIIв. до второй половиныXIXв., когда считали, что земля является сплюнутым у полюсов шаром, т.е. сфероидом, близким к эллипсоиду вращения;

3. со второй половины XIXв. до 40-х годовXXв., когда установили, что более правильно представлять Землю трехосным эллипсоидом, который является моделью более сложной формы Земли;

4. с 40-х годов XXв. до настоящего времени, когда за фигуру Земли стали принимать тело, ограниченное физической поверхностью Земли.

В VIв. до н.э. мысль о шарообразности Земли высказал Пифагор. Он считал, что в природе все должно быть совершенным, поэтому Земля должна быть шаром. ВIVв до н.э. Аристотель, наблюдая за постепенным исчезновением в море кораблей, пришел к выводу, что Земля – всюду выпуклое тело. Наблюдение за лунными затмениями показали, что отбрасываемая на поверхность Луны тень Земли имеет форму круга. ВIIIв до н.э. Эратосфен определил радиус Земного шара, выполнив астрономические наблюдения для определения разности широт.

Второй период изучения формы и размеров Земли связан с работами И.Ньютона (1642-1727 гг.), который показал, что фигурой равновесия жидкого тела, в котором илы притяжения направлены по радиусам в центр, является шар. На вращающийся жидкий шар кроме силы тяжести действуют центробежные силы, возрастающие от полюсов к экватору и стремящиеся приплюснуть шар у полюсов. В результате фигурой равновесия вращающего жидкого тела становится эллипсоид вращения с малым сжатием, и сила тяжести возрастает от экватора к полюсам.

В середине XIXв. закончился второй этап в изучении фигуры Земли, стало ясно, что эллипсоид вращения лишь приближенно описывает действительную фигуру Земли. Первые представления фигуры Земли трехосным эллипсоидом были сделаны в 1860 г. русским геодезистом Ф.Ф. Шубертом, но и трехосный эллипсоид недостаточно точнопредставлял действительную Землю.

Современный период в изучении фигуры Земли связан с работами Ф.Н. Красовского (1878-1948 гг.) и М.С. Молоденского. М.С. Молоденский разработал метод точного определения физической поверхности Земли, основной задачей при изучении фигуры Земли становится изучение поверхности Земли, ее гравитационного поля.

4. Уровенная поверхность, геоид, референц-эллипсоид.

Реальная поверхность Земли представляет собой сложную структуру, не поддающуюся математическому описанию, что исключает ее использование в качестве общей фигуры Земли для использования в геодезии. Учитывая, что поверхность воды Мирового океана имеет относительно простую форму и занимает почти ¾ (71%) поверхности Земли, целесообразно за общую фигуру Земли принять тело, ограниченное поверхностью воды океанов. Такая поверхность называется уровенной. Основное ее свойство заключается в том, что на ней потенциал сил тяжести имеет одно и то же значение, т.е. эта поверхность перпендикулярна к отвесной линии и, таким образом везде горизонтальна.

В общем случае уровенных поверхностей можно провести бесчисленное множество, но все они будут располагаться на разном расстоянии от центра Земли (рис. 1.1,а). Та из них, которая совпадет с поверхностью Мирового океана, находящегося в состоянии полного покоя и равновесия, называется основной уровенной поверхностью и продолженная под материками образует фигуру, которая в геодезии принята за общую фигуру Земли и носит название геоид.

В России за основную принята уровенная поверхность, проходящая через нуль Кронштадского футштока, который на 10 мм выше среднего уровня Балтийского моря. (Футшток – рейка с делениями, установленная на водомерном посту для наблюдения за уровнем воды в океане, море, реке и т.д. Кронштадский футшток установлен на мосту через Обводной канал. Ноль Кронштадского футштока соответствует среднему уровню оды в Финском заливе за период наблюдения с 1825-1840 гг. Ноль футштока называется ординар). Основная уровенная поверхность из-за различий температуры и солености воды в различных точках Мирового океана других причин не совпадает со средней невозмущенной поверхностью морей и океанов. Отклонение среднего уроня океана от геоида может достигать 1 м, поэтому различают поверхность геоида и топографическую поверхность морей и океанов.

Кривизна поверхности геоида меняется по законам, неподдающимся или трудноподдающимся математическому описанию.

Более точное рассмотрение и исследования со спутников показали, что Земля имеет грушевидную форму, у нее имеются «вмятины» и «выступы», отчетливо просматривающиеся на фоне сложной структуры геоида (крупнейшие вмятна расположены к юго-западу от Индии – глубина 59м и около Антарктиды – 30 м; наиболее значительные выступы у Папуа-Новой Гвинеи – 57 м и во Франции – 35 м) (рис. 1.1,б). Южный полюс на 44 м 70 см ближе к центру, чем северный полюс, при этом Южный полюс располагается на 25 м 80 см ниже поверхности эллипсоида, а Северный полюс выступает на 18 м 90 см. Установлено также, что экватор Земли не круг, а эллипс, при этом один из его «диаметров» больше другого на 200 м. Все это заставило отказаться от использования геоида для геодезических вычислений.