Форма Землі. Планета Земля

Наша планета є однією з 9 які обертаються навколо Сонця. Ще в глибоку давнину з'явилися перші уявлення про те, які форма і розміри Землі.

Як змінювалися уявлення про форму Землі?

Античні мислителі (Аристотель - 3 ст. до н. е., Піфагор - 5 ст. до н. е. і ін) ще багато століть тому висловлювали думку про те, що наша планета має кулясту форму. Аристотель (на фото нижче), зокрема, вчив слідом за Евдоксом, що є центром Всесвіту Земля куляста. Доказ цього він бачив в характері, який мають місячні затемнення. При них отбрасиваемая нашою планетою на Місяць тінь має округлу форму по краях, що можливо лише за умови кулястість.




Проведені в наступні століття астрономічні та геодезичні дослідження дали нам можливість судити, які насправді форма і розміри Землі. Сьогодні про те, що вона кругла, знають від малого до велика. А адже були часи в історії, коли вважалося, що планета Земля плоска. Сьогодні, завдяки прогресу науки ми вже не сумніваємося в тому, що саме вона кругла, а не плоска. Незаперечний доказ цього - космічні фотознімки. Кулястість нашої планети призводить до того, що земна поверхня нагрівається нерівномірно. А адже насправді форма Землі не зовсім така, як ми звикли думати. Цей факт відомий вченим, і він використовується в даний час для вирішення завдань в галузі супутникової навігації, геодезії, космонавтики, астрофізики і інших суміжних науках. Вперше думка про те, яка насправді форма Землі, висловив Ньютон на рубежі 17-18-го ст. Він теоретично обгрунтував припущення про те, що наша планета під впливом на неї сили тяжіння повинна бути стиснута в напрямку осі обертання. А це означає, що форма Землі являє собою або сфероид, або еліпсоїд обертання. Від кутової швидкості обертання залежить ступінь стиснення. Тобто чим тіло обертається швидше, тим воно сплющується більше біля полюсів. Цей вчений виходив з принципу всесвітнього тяжіння, а також з припущення однорідної рідкої маси. Він припускав, що Земля є стиснутою еліпсоїдом, і визначав, в залежності від швидкості обертання, розміри стиснення. Через деякий час Маклорен довів, що якщо наша планета є стислим біля полюсів еліпсоїдом, то рівновага покривають Землю океанів дійсно забезпечено.

Чи можна вважати, що Земля кругла?

Якщо планета Земля розглядатися здалеку, вона буде здаватися практично ідеально круглим. Спостерігач, якому велика точність вимірів не важлива, може цілком вважати її такою. Середній радіус Землі в цьому випадку становить 63713 км. Але якщо ми, прийнявши за ідеальний куля форму нашої планети, станемо робити точні вимірювання різних координат точок на поверхні, у нас нічого не вийде. Справа в тому, що наша планета - це не ідеально кругла куля.

Різні способи опису форми Землі

Форма планети Земля може бути описана двома основними, а також кількома похідними способами. Вона може бути прийнята в більшості випадків або за геоїд, або за еліпсоїд. Цікаво, що математично легко описується другий варіант, а от перший принципово ніяк не описується, оскільки для визначення точної форми геоїда (а отже, і Землі) здійснюються практичні виміри гравітації в різних точках поверхні нашої планети.

Еліпсоїд обертання

Все зрозуміло з еліпсоїдом обертання: фігура ця нагадує кулю, який знизу і зверху приплюснутий. Те, що форма Землі - еліпсоїд, цілком зрозуміло: відцентрові сили, що виникають із-за обертання нашої планети на екваторі, тоді як їх немає на полюсах. В результаті обертання, а також відцентрових сил Земля "погладшала": діаметр планети по екватору більше приблизно на 50 км, ніж полярний.

Особливості фігури під назвою "геоід"

Вкрай складна фігура - геоїд. Вона існує лише теоретично, однак на практиці її не можна ні помацати, ні побачити. Можна уявити собі геоід у вигляді поверхні, сила земного тяжіння в кожній точці якої спрямована суворо вертикально. Якби наша планета була правильним кулею, заповненим рівномірно яким-небудь речовиною, то схил в будь-якій її точці дивився б в центр кулі. Але ситуація ускладнюється тим, що неоднорідною є щільність нашої планети. В одних місцях є важкі гірські породи, в інших порожнечі, гори і западини розкидані по всій поверхні, так само нерівномірно розподілені рівнини і моря. Все це змінює в кожній конкретній точці гравітаційний потенціал. У тому, що форма земної кулі - геоїд, винен також ефірний вітер, який обдуває нашу планету з півночі.

Хто вивчав геоиди?

Зазначимо, що саме поняття "геоід" було введено Іоганном Лістингом (на фото нижче), фізиком і математиком, в 1873 році. Під ним, що означає в перекладі з грецької "вид Землі", малася на увазі фігура, утворена поверхнею Світового океану, а також морів, сполучених з ним, при середньому рівні води, відсутності збурень від припливів, течій, а також різниць атмосферного тиску і т. п. Коли говорять про те, що над рівнем моря така-то висота, це означає висоту від поверхні геоїда в цій точці земної кулі, незважаючи на те що в цьому місці немає ніякого моря, а воно знаходиться за кілька тисяч кілометрів від нього. Неодноразово уточнювалась згодом поняття геоїда. Так, радянський вчений М. С. Молоденський створив свою теорію визначення гравітаційного поля і фігури Землі за вимірюваннями, виконаними на її поверхні. Для цього він розробив особливий прилад, що вимірює силу тяжіння - пружинний гравиметр. Саме він запропонував також використання квазигеоида, який визначається за значеннями, прийнятими потенціал сили тяжіння на поверхні Землі.

Детальніше про геоиде

Якщо гравітацію виміряти в 100 км від гір, то схил (тобто грузик на нитці) стане відхилятися в їх бік. Таке відхилення від вертикалі нашому оку непомітно, проте легко виявляється приладами. Подібна картина спостерігається скрізь: відхилення схилу десь більше, десь вони менше. А ми пам'ятаємо про те, що завжди перпендикулярної схилу є поверхня геоїда. Звідси стає ясно, що геоід - досить складна фігура. Для того щоб краще його представити, можна зробити наступне: виліпити кулю з глини, після чого з двох сторін його стиснути для освіти приплюснутости, потім зробити пальцями на отриманому еліпсоїді горби і вм'ятини. Такий сплюснутий пом'ятий кулька буде досить реалістично відображати форму нашої планети.

Для чого потрібно знати точну форму Землі?

Для чого ж потрібно знати точно її форму? Ніж не задовольняє вчених куляста форма Землі? Слід ускладнювати картину геоидом і еліпсоїдом обертання? Так, нагальна потреба в цьому є: близькі до геоиду фігури допомагають створювати координатні сітки, які є найбільш точними. Ні астрономічні дослідження, ні геодезичні вишукування, ні різні системи супутникової навігації ГЛОНАСС, GPS) не можуть існувати і проводитися без визначення досить точної форми нашої планети.

Різні системи координат

У світі в даний час діє кілька тривимірних і двомірних систем координат з світовим значенням, а також кілька десятків локальних. Своя форма Землі прийнята в кожній з них. Це призводить до того, що координати, які були визначені різними системами, дещо відрізняються. Цікаво, що, для того щоб обчислити їх у точок, що знаходяться на території однієї країни, зручніше за все буде прийняти форму Землі за референц-еліпсоїд. Це встановлено зараз навіть на найвищому законодавчому рівні.

Еліпсоїд Красовського

Якщо говорити про країни СНД чи Росії, то на території цих держав форма нашої планети описується так званим еліпсоїд Красовського. Він був визначений ще в 1940 році. Вітчизняні (ПЗ-90 СК-63 СК-42) та зарубіжні (Afgooye, Hanoi 1972) системи координат були створені на підставі цієї фігури. Вони й донині використовуються в практичних і наукових цілях. Цікаво, що ГЛОНАСС спирається на систему ПЗ-90 яка перевершує по своїй точності прийняту як основа GPS аналогічну систему WGS84.

Висновок

Підводячи підсумок, скажемо ще раз, що форма нашої планети відрізняється від кулі. Земля наближається за своєю формою до эллипсоиду обертання. Як ми вже відзначили, зовсім не важко вирішити це питання. Точне визначення того, яку Земля має форму, що дає потужний інструмент вченим для обчислення координат небесних і земних тел. А це дуже важливо для космічної та морської навігації, при проведенні будівельних, геодезичних робіт, а також у багатьох інших областях людської діяльності.