Глава 2. Изученность формы и размеров Земли на современном этапе

Современный этап можно разделить на подэтапы:

1) со второй половины XIX в. до сороковых годов XX в., когда установили, что более правильно представлять Землю трехосным эллипсоидом, который является моделью более сложной формы Земли – геоида;

2) с сороковых годов XX в до настоящего времени, когда за фигуру Земли принимают тело, ограниченное физической поверхностью Земли.

В середине XIX в. закончился до современный 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 (1789 – 1865 гг.) и в 1878 г. английским ученым Кларком.

Но и трехосный эллипсоид недостаточно точно представлял действительную Землю. Однако практического применения в геодезии трехосный эллипсоид не получил вследствие усложнения всех формул. К тому же и определяется он неуверенно.

В связи с работой Клеро и Стокса фигуру Земли начали понимать как уровненную поверхность, т. е. такую поверхность, в каждой точке которой действующая сила тяжести направлена по нормали. Эта уровненная поверхность не совпадает строго с эллипсоидом. Ее уклонения от общего земного эллипсоида характеризуются аномалиями силы тяжести.

В 1873 г. немецкий физик Листинг ввел термин геоид. Под геоидом понимается уровненная поверхность потенциала силы тяжести, совпадающая на океанах с уровнем невозмущенной воды и продолжающаяся под материками, где она определилась бы уровнем воды в сети каналов, сообщающихся с океаном, при условии сохранения всех масс над ними (Рис.2.1).

Рис.2.1. Поверхность геоида, эллипсоида и уровненной поверхности Земли

Понятие геоида как поверхности, представляющей фигуру Земли, сохранилось до наших дней.

Но геоид — поверхность неправильная; для него нельзя составить простые геометрические соотношения. Поэтому геодезические измерения невозможно обрабатывать на геоиде. Для того чтобы обрабатывать геодезические измерения, необходимо пользоваться простой математической поверхностью, но достаточно близкой к геоиду. Такой поверхностью является плоскость для малых площадей (десятки километров) и эллипсоид для значительных площадей. Все геодезические измерения, производящиеся на физической поверхности Земли, должны быть редуцированы на эллипсоид. Это относится к углам, направлениям и расстояниям,. Эллипсоид, принятый для обработки триангуляций, на который относятся или редуцируются все геодезические измерения, называется рсференц-эллипсоидом или эллипсоидом относимости. Путь редуцирования на референц-эллипсоид был таков: измеренные элементы редуцировались на «уровень моря», т.е. на геоид по известным направлениям отвесной линии и высотам. После этого все редуцированные элементы переносились на эллипсоид без изменений. Это так называемый метод развертывания. При этом методе на концах больших рядов триангуляций для большой страны неизбежно накопятся значительные искажения.

В 30-е годы Ф. А. Красовский (1878—1948) предложил метод проектирования. В котором геодезические величины измеренные на местности проецировались на геоид откуда на эллипсоид. Однако метод проектирования скрывал за собой ряд ошибок, которые исправил Молоденский и ввел теорию с помощью которой были найдены точные размеры Земли.

При такой постановке проблемы фигура Земли определяется с той необходимой точностью, которая вытекает из требований данной конкретной задачи с учетом, если это нужно, всех неровностей ее поверхности.

В таблице 2.1. приведены основные параметры эллипсоидов XX в.

Таблица.2.1

Основные параметры эллипсоидов XX в.

Автор	Год	Экваториальный радиус, м	Сжатие
Гельмерт	1906	6378200	1/298.3
Хейфорд	1909	6378246	1/298.8
Красовский	1940	6378245	1/298.3
GRS 80	1980	6378137	1/298.3

Революцию в измерения размера Земли сделал запуск искусственных спутников. Использование искусственных спутников Земли дало геодезии методы, позволяющие решать ранее неразрешимые задачи, и чрезвычайно расширило ее возможности, причем спутниковые методы обогатили как геометрическую геодезию, так и физическую — гравиметрическую.

Одной из наиболее важных и очевидных новых задач явилась возможность создания единой геодезической сети, охватывающей весь земной шар, а на первых шагах — возможность геодезической связи континентов. Спутник, движущийся на большой высоте, может наблюдаться одновременно с весьма удаленных пунктов, и таким образом возможно построение триангуляции с очень большими сторонами треугольников, в тысячу и более километров. Но это еще не все. Наблюдая возмущения элементов орбит спутников, оказалось возможным определить координаты самого спутника, координаты станций наблюдения и основных элементов гравитационного поля. Соответственно возникли два метода спутниковой геодезии: геометрический, в котором спутник используется как пассивный элемент, когда спутник служит чем-то вроде сигнала в триангуляции, и орбитальный, или динамический, в котором, по возмущениям элементов орбиты находятся силы, их возмутившие, т. е. гравитационное поле и уклонения его от нормы, а по предвычисленными наблюденным положениям уточняются координаты стаций. Так возникли методы трехмерной спутниковой триангуляции, методы определения центра масс Земли и координат с началом в этом центре масс, появилась возможность связи триангуляций отдельных континентов и создания единой общеземной геодезической системы, а также построения пространственной геодезической системы без необходимого ранее введения вспомогательной отсчетной поверхности в виде референц-эллипсоида. Широкие перспективы открыли спутники и в физической геодезии, изучающей гравитационное поле и фигуру Земли. Уже первые наблюдения возмущения орбит спутников позволили уточнить сжатие Земли и определить его на два порядка выше, чем это позволяли сделать гравиметрический или геометрический методы. Этот способ дает возможность также установить главные крупные черты отклонения формы Земли от общего гравиметрического эллипсоида; он подтвердил и открыл полярную и экваториальную асимметрию Земли.

В настоящее время действуют специальные системы позиционирования, включающие в себя большое количество геодезических спутников, предназначенных для определения не только геодезических величин, но и гравиметрических. Примерами таких систем является ГЛОНАСС (ГЛОбаяьная НАвигационная Спутниковая Система, Россия) и KAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time And Range, - навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения, США).