2. Сведения о форме и размерах Земли

Фигура Земли формируется под влиянием внутренних и внешних сил. Основными являются сила внутреннего тяготения и центробежная сила. По данным геофизики Земля ведет себя как пластичное тело. Если бы она была неподвижным и однородным по плотности телом, то под действием только сил внутреннего тяготения она, как фигура равновесия, имела бы форму шара.

Вследствие центробежной силы, вызванной вращением вокруг оси, Земля приобрела форму эллипсоида вращения с малой степенью сжатия в направлении полюсов. В каждой точке такой строго эллипсоидной Земли направление силы тяжести, как равнодействующие сил притяжения и центробежной, было бы нормальным, т.е. ┴ к поверхности; иначе говоря направления силы тяжести совпадало бы в каждой точке с нормалью к поверхности эллипсоида.

Поверхности, нормальные в каждой точке к направлению силы тяжести (отвесные линии) называют уровенными поверхностями силы тяжести.

В действительности картина намного сложнее. Под действием процессов, связанных с образованием и жизнью Земли как планеты, внутреннее строение Земли неоднородно, хотя оно и подчинено закономерностям.

Оказывается, что в общем Земля состоит из слоев, плотность которых возрастает по направлению к центру. Плотность в каждом слое приблизительно постоянно. Теоретические соображения и опытные данные показывают, что при таком строении Земли имела бы форму эллипсоида, но с другим сжатием, чем в случае однородной Земли. Однако в наружном слое Земли – земной коре (толщиной от 6 до 70 км.) закономерностей в распределении плотностей нет; ее строение весьма сложно. Это объясняется тем, что она представляет граничную область между твердой Землей, гидросферой и атмосферой. Она принимает на себя энергию Солнца, в ней без особых препятствий происходит перемещения пород под действием внутренних и внешних сил. Так образуется внешняя, физическая или топографическая поверхность Земли, представляющая собой сочетание материков и океанических впадин со сложными геометрическими формами.

Под действием неравномерно расположенных масс в земной коре изменяются направления сил притяжения, а следовательно и сил тяжести. Уровенная поверхность Земли, как ┴ к направлению силы тяжести, отступает от эллипсоидной, становится сложной и неправильной в геометрическом отношении. Она совпадает с невозмущенной водной поверхностью морей и океанов и математически не выражается какой-либо из известных аналитических форм. Ей присвоено особое название – геоид.

Геоидом называется уровенная поверхность, совпадающая с поверхностью океанов и морей при спокойном состоянии водных масс и мысленно продолженная под материками таким образом, чтобы направления силы тяжести пересекали ее под прямым углом.

Для математической обработки геодезических измерений необходимо знание формы поверхности Земли. Принять для этой цели физическую поверхность или геоид нельзя вследствие их сложности – они не выражаются конечными математическими уравнениями. Поэтому для геодезических вычислений берут правильную математическую поверхность тела, наиболее близкого к геоиду – эллипсоида вращения, называемого земным эллипсоидом. Его размеры характеризуются параметрами: большой «а» и малой «в» полуосями и большой полуосью «а» и полярным сжатием α = (а-в) / а.

Размеры земного эллипсоида определялись по результатам геодезических измерений длины отрезков дуги меридиана в 1º на всех континентах, на различных широтах неоднократно.

В 1946 г. для геодезических картографических работ в нашей стране приняты размеры земных эллипсоида, полученные геодезистом Ф.Н. Красовским в 1940 г.:

а = 6378245 м., в = 6356863 м., α = 1:298,3.

До сих пор, чтобы максимально приблизить поверхность земного эллипсоида к поверхности геоида, эллипсоид соответствующим образом ориентируют в теле Земли. Такой эллипсоид называют референц-эллипсоидом.

В практике инженерно-геодезических работ поверхность эллипсоида и геоида считают совпадающими. Во многих случаях значительные по размерам участки земной поверхности принимают даже за плоскость, а при необходимости учета сферичности Земли считают ее шаром, равным по объему земному эллипсоиду. Радиус такого шара равен 6371, 11 км.