Небесный землемер

Мы говорим, что высота Джомолунгмы (Эвереста) 8882 метра над уровнем моря, а Москва лежит выше уровня моря только на 120 метров. Какое море при этом имеется в виду?

Зеркало Черного моря, например, ниже Балтийского. А уровень этого последнего, в свою очередь, ниже Белого моря и выше уровня Тихого океана. Тихий же океан возвышается над Атлантическим.

Если говорить строго, так и одно и то же море не всегда находится на одинаковом уровне. На Балтике, в Кронштадте, вода осенью — в период дождей — всегда стоит выше, чем зимой или весной. Подобное явление наблюдается и на Черном море. Здесь летом воды больше, чем осенью. Замечено, что Атлантический океан у берегов Мексиканского залива наклонен к востоку, а кроме того, тот же Атлантический и Тихий океаны приподняты с севера и «текут» на юг. Балтийское же море наклонено, наоборот, на север, и на южном побережье его уровень выше.

Как же считать высоту от такого непостоянного основания?

Оказывается, говоря «высота над уровнем моря», имеют в виду вовсе не то или иное конкретное море, а некий средний уровень Мирового океана. Если поверхность совершенно спокойного «среднего» океана мысленно продолжить под материками, то эта воображаемая поверхность и образует тот уровень, от которого отсчитываются высоты любых точек на земном шаре.

Вот тут мы и подошли к понятию геоида.

Когда выяснилось, что наша Земля не похожа ни на простой, ни на трехосный эллипсоид и стало ясно, что земной шар вообще не является правильным геометрическим телом, пришлось придумывать какой-то новый способ измерения неправильной бугристой Земли.

Но прежде надо было выяснить: что считать поверхностью планеты — землю или воду? Самой земли здесь не так уж много. Лишь четвертую часть всей поверхности занимает выступающая из воды суша. А намного ли она возвышается над уровнем океана? Даже самые высокие горы — ничтожные песчинки на лике громадной планеты. В среднем материки выше океана всего на тысячную долю земного радиуса. Океаны же и моря, сообщаясь друг с другом, образуют почти сплошную водную гладь.

Это и навело на мысль, что Землю в первом приближении можно представить состоящей из одних океанов. Поверхность среднего океана, как бы ограничивающая собой Землю, и была названа геоидом.

Слово это специально придумано учеными для обозначения фигуры Земли. Его предложил известный немецкий физик и астроном И. Листинг. Никакого геометрического смысла оно не имеет. Буквально это значит: тело, имеющее форму Земли. Поэтому, если вы попросите назвать какую-нибудь геометрическую фигуру, похожую на геоид, вы услышите в ответ, что в геометрии не существует такой. Ближе всего к ней подходит только наша Земля, представляющая собой неправильное тело очень сложных очертаний.

Единственный «твердый» признак, которым можно охарактеризовать геоид, заключается в том, что направление силы тяжести в любой его точке должно быть перпендикулярно его поверхности. Вот все, что про него известно.

Мы уже встречались с геометрическими линиями и точками, которые вдруг начали приобретать физические свойства. Геоид — это нечто прямо противоположное. Не имея никакого подобия в геометрии, он обладает вполне определенными физическими свойствами: форма его воображаемой поверхности зависит от распределения на ней силы тяжести.

Свободная поверхность морей и океанов состоит из подвижных частичек воды, и ее вид определяется силой тяжести, под действием которой каждая такая частичка стремится занять ближайшее к центру Земли положение. Земное тяготение как бы натягивает невидимые ниточки, на которых висят капельки в море. В итоге поверхность моря в любой точке становится перпендикулярной к направлению силы тяжести в них.

Раз форму Мировому океану придает сила тяжести, то, измеряя ее величину и направление, можно определить вид этой поверхности, а тем самым и почти точную фигуру нашей планеты. Так, в исследование фигуры Земли включилась еще одна наука — гравиметрия, измеряющая силу тяжести на Земле.

Поначалу казалось, что определить геоид не очень сложно. Стоит только найти закон, подчиняясь которому распределяется на поверхности геоида сила тяжести.

Теперь уже никто не сомневался, что вес одних и тех же предметов в разных местах Земли может быть различным. Все знали, что сила тяжести больше всего на полюсе, а чем ближе к экватору, тем она становится меньше. Если удастся определить, насколько она меняется с широтой, то силу тяжести в разных точках земного шара можно будет вычислять прямо по ее координатам, и, значит, без труда окажется найденной форма геоида.

Но неожиданно обнаружились довольно странные вещи.

Казалось бы, на морях геоид будет совпадать с поверхностью воды, а продолженный на материки — проходить где-то внутри них. Во всяком случае так должен был себя вести теоретический геоид. Но ученых подстерегал очередной сюрприз.