Вам, земляне

Как это ни удивительно, наша Земля на самом деле грушевидна, что отражается в движении ее искусственных спутников, вызывая изменение расстояния перигея их орбит от центра Земли. Судя по данным спутников, Северный полюс поднят относительно эллипсоида примерно на 10 м, а Южный полюс опущен под эллипсоид на 30 м. В общей сложности «грушевидность» Земли характеризуется 40 метрами — величиной, конечно, небольшой, но тем не менее вполне ощутимой.

Как уже говорилось, земной экватор представляет собой (во втором приближении) слабосжатый эллипс. На самом деле его форму также можно представить как сумму нескольких гармоник. Иначе говоря, если учесть, что гравитационный потенциал зависит не только от широты, но и от долготы точки, в которой он вычисляется, то форма геоида очень сложная, заметно отличающаяся от сфероида.

На рис. 7 показаны превышения геоида над сфероидом (со сжатием 1:298,3 и экваториальным радиусом 6378,165 км).

Рис. 7. Карта превышений (в метрах) геоида над сфероидом.

Заштрихованные участки — области понижений геоида.

Волнистость всхолмленного геоида здесь особенно наглядна. Обращают на себя внимание впадина глубиной 73 м в Южной Индии и возвышенность высотой 63 м вблизи Новой Гвинеи. Эта карта получена в 1965 г по 26 000 наблюдений искусственных спутников Земли — ведь именно эти наблюдения позволяют определять параметры различных гармоник. Аналогичные карты получены по другим наблюдениям спутников. Правда, они отличаются от рис. 7 в деталях. Карта геоида, несомненно, отражает неоднородности земных недр.

Спутниковая триангуляция

Мы уже не раз отмечали большую роль искусственных спутников Земли в выяснении формы ее физической поверхности. Уточним теперь, в чем заключается так называемая спутниковая триангуляция — метод, позволяющий говорить о космической геодезии как об одной из «космических» дисциплин.

Представим себе три наземные станции — А, В и С (рис. 8).

Рис. 8. Принцип спутниковой триангуляции.

Спутник S₁ наблюдается (визуально или фотографически) со всех трех станций, спутник S₂ — со станций А и Б, спутник S₃ — со станций В и С. Кстати, метод применим и тогда, когда S₁, S₂ и S₃ не три разных спутника, а три положения одного и того же спутника для разных моментов времени.

По наблюдениям спутника S1 со станций А и Б определяют направление прямых AS₁ и BS₁ относительно звезд и тем самым фиксируют положение плоскости ABS₁. Аналогично по наблюдениям спутника S₂ находят положение плоскости ABS₂ в пространстве. Очевидно, эти плоскости пересекаются по прямой АВ. Положение ВС определяют из пересечения плоскостей BCS₁ и BCS₃. Прямые АВ и ВС фиксируют плоскость треугольника АВС, и их пересечение с ACS₁ определяет отрезок АС. Следовательно, по данным спутников можно найти стороны и углы треугольника АВС, т. е. решить первый главный треугольник в триангуляционной сети. Если в этом треугольнике положения точек А и В (а значит, базис АВ) известны, то по спутникам находят положение третьей вершины — С. Примечательно, что при этом обязательно знать не точное положение спутников в пространстве, а направление к ним от наземных станций. Чтобы наблюдения с разных станций были синхронными, на «геодезических» спутниках устанавливают специальные импульсные лампы, дающие очень яркие вспышки. Эти вспышки фиксируют фотокамеры всех станций, занимающихся спутниковой триангуляцией.

При наземной триангуляции стороны треугольников, как правило, равны 20–30 км. В «космической» триангуляционной сети треугольники в десятки и сотни раз крупнее, что резко сокращает промежуточные этапы измерений. Прежний метод годился только для суши. Для спутниковой триангуляции даже океаны не являются непреодолимым препятствием — спутник может одновременно наблюдаться с разных континентов, например из Европы и из Америки.

Спутниковая триангуляция возникла совсем недавно — в 1963 г. Но это «дитя» космонавтики подает большие надежды. Дело не только в уточнении формы Земли, в составлении все более и более точных карт, что, конечно, очень важно для практической, производственной деятельности человека. С помощью спутников можно узнать, как изменяется наша планета во времени, как движутся материки, как медленно перераспределяются массы в твердом теле Земли, — словом, как «дышит» и «живет» наша планета. И часть этих задач успешно решается уже сегодня.

Многогранная Земля

После всего, что говорилось об относительной гладкости Земли, о большом сходстве ее с шаром, сфероидом, трехосным эллипсоидом и, наконец, геоидом, — фигурами гладкими, хотя, конечно, идеализированными, разговор об угловатости Земли может показаться странным.