Форма Земли. Планета Земля

Наша планета является одной из 9, которые вращаются вокруг Солнца. Еще в глубокой древности появились первые представления о том, каковы форма и размеры Земли.

Как менялись представления о форме Земли?

Античные мыслители (Аристотель - 3 в. до н. э., Пифагор - 5 в. до н. э. и др.) еще много веков назад высказывали мысль о том, что наша планета имеет шарообразную форму. Аристотель (на фото ниже), в частности, учил вслед за Евдоксом, что являющаяся центром Вселенной Земля шарообразна. Доказательство этого он видел в характере, который имеют лунные затмения. При них отбрасываемая нашей планетой на Луну тень имеет округлую форму по краям, что возможно лишь при условии шарообразности.

Проведенные в последующие столетия астрономические и геодезические исследования дали нам возможность судить, каковы в действительности форма и размеры Земли. Сегодня о том, что она круглая, знают от мала до велика. А ведь были времена в истории, когда считалось, что планета Земля плоская. Сегодня благодаря прогрессу науки мы уже не сомневаемся в том, что она именно круглая, а не плоская. Неоспоримое доказательство этого - космические фотоснимки. Шарообразность нашей планеты приводит к тому, что земная поверхность нагревается неравномерно.

А ведь на самом деле форма Земли не совсем такая, как мы привыкли думать. Этот факт известен ученым, и он используется в настоящее время для решения задач в области спутниковой навигации, геодезии, космонавтики, астрофизики и других смежных науках. Впервые мысль о том, какова в действительности форма Земли, высказал Ньютон на рубеже 17-18-го вв. Он теоретически обосновал предположение о том, что наша планета под воздействием на нее силы тяжести должна быть сжата в направлении оси вращения. А это значит, что форма Земли представляет собой либо сфероид, либо эллипсоид вращения. От угловой скорости вращения зависит степень сжатия. То есть чем тело вращается быстрее, тем оно сплющивается больше у полюсов. Этот ученый исходил из принципа всемирного тяготения, а также из предположения однородной жидкой массы. Он допускал, что Земля является сжатым эллипсоидом, и определял, в зависимости от скорости вращения, размеры сжатия. Через некоторое время Маклорен доказал, что если наша планета является сжатым у полюсов эллипсоидом, то равновесие покрывающих Землю океанов действительно обеспечено.

Можно ли считать, что Земля круглая?

Если планета Земля будет рассматриваться издалека, она будет казаться практически идеально круглой. Наблюдатель, которому большая точность измерений не важна, может вполне считать ее таковой. Средний радиус Земли в этом случае составляет 6371,3 км. Но если мы, приняв за идеальный шар форму нашей планеты, станем делать точные измерения различных координат точек на поверхности, у нас ничего не получится. Дело в том, что наша планета - это не идеально круглый шар.

Различные способы описания формы Земли

Форма планеты Земля может быть описана двумя основными, а также несколькими производными способами. Она может быть принята в большинстве случаев либо за геоид, либо за эллипсоид. Интересно, что математически легко описывается второй вариант, а вот первый принципиально никак не описывается, поскольку для определения точной формы геоида (а следовательно, и Земли) осуществляются практические измерения гравитации в различных точках поверхности нашей планеты.

Эллипсоид вращения

Все понятно с эллипсоидом вращения: фигура эта напоминает шар, который снизу и сверху приплюснут. То, что форма Земли - эллипсоид, вполне объяснимо: центробежные силы возникают из-за вращения нашей планеты на экваторе, тогда как их нет на полюсах. В результате вращения, а также центробежных сил Земля "располнела": диаметр планеты по экватору больше примерно на 50 км, чем полярный.

Особенности фигуры под названием "геоид"

Крайне сложная фигура - геоид. Она существует лишь теоретически, однако на практике ее нельзя ни пощупать, ни увидеть. Можно представить себе геоид в виде поверхности, сила земного притяжения в каждой точке которой направлена строго вертикально. Если бы наша планета была правильным шаром, заполненным равномерно каким-либо веществом, то отвес в любой ее точке смотрел бы в центр шара. Но ситуация осложняется тем, что неоднородной является плотность нашей планеты. В одних местах имеются тяжелые горные породы, в других пустоты, горы и впадины разбросаны по всей поверхности, так же неравномерно распределены равнины и моря. Все это меняет в каждой конкретной точке гравитационный потенциал. В том, что форма земного шара - геоид, виноват также эфирный ветер, который обдувает нашу планету с севера.

Кто изучал геоиды?

Отметим, что само понятие "геоид" было введено Иоганном Листингом (на фото ниже), физиком и математиком, в 1873 году.

Под ним, означающим в переводе с греческого "вид Земли", подразумевалась фигура, образованная поверхностью Мирового океана, а также морей, сообщающихся с ним, при среднем уровне воды, отсутствии возмущений от приливов, течений, а также разностей атмосферного давления и т. п. Когда говорят о том, что над уровнем моря такая-то высота, это означает высоту от поверхности геоида в этой точке земного шара, несмотря на то что в этом месте нет никакого моря, а оно находится за несколько тысяч километров от него.

Неоднократно уточнялось впоследствии понятие геоида. Так, советский ученый М. С. Молоденский создал свою теорию определения гравитационного поля и фигуры Земли по измерениям, выполненным на ее поверхности. Для этого он разработал особый прибор, измеряющий силу тяжести - пружинный гравиметр. Именно он предложил также использование квазигеоида, который определяется по значениям, принимаемым потенциалом силы тяжести на поверхности Земли.

Подробнее о геоиде

Если гравитацию измерить в 100 км от гор, то отвес (то есть грузик на нитке) станет отклоняться в их сторону. Такое отклонение от вертикали нашему глазу незаметно, однако легко обнаруживается приборами. Подобная картина наблюдается везде: отклонения отвеса где-то больше, где-то они меньше. А мы помним о том, что всегда перпендикулярной отвесу является поверхность геоида. Отсюда становится ясно, что геоид - весьма сложная фигура. Для того чтобы лучшее его представить, можно сделать следующее: вылепить шар из глины, после чего с двух сторон его сжать для образования приплюснутости, затем сделать пальцами на получившемся эллипсоиде бугры и вмятины. Такой сплюснутый помятый шарик будет довольно реалистично показывать форму нашей планеты.

Для чего нужно знать точную форму Земли?

Для чего же нужно знать так точно ее форму? Чем не удовлетворяет ученых шарообразная форма Земли? Следует ли усложнять картину геоидом и эллипсоидом вращения? Да, насущная необходимость в этом есть: близкие к геоиду фигуры помогают создавать координатные сетки, являющиеся наиболее точными. Ни астрономические исследования, ни геодезические изыскания, ни различные системы спутниковой навигации (ГЛОНАСС, GPS) не могут существовать и проводиться без определения довольно точной формы нашей планеты.

Различные системы координат

В мире в настоящее время действует несколько трехмерных и двухмерных систем координат с мировым значением, а также несколько десятков локальных. Своя форма Земли принята в каждой из них. Это приводит к тому, что координаты, которые были определены разными системами, несколько отличаются. Интересно, что, для того чтобы вычислить их у точек, находящихся на территории одной страны, удобнее всего будет принять форму Земли за референц-эллипсоид. Это установлено сейчас даже на высшем законодательном уровне.

Эллипсоид Красовского

Если говорить о странах СНГ или России, то на территории этих государств форма нашей планеты описывается так называемым эллипсоидом Красовского. Он был определен еще в 1940 году. Отечественные (ПЗ-90, СК-63, СК-42) и зарубежные (Afgooye, Hanoi 1972) системы координат были созданы на основании этой фигуры. Они и по сей день используются в практических и научных целях. Интересно, что ГЛОНАСС опирается на систему ПЗ-90, которая превосходит по своей точности принятую как основа в GPS аналогичную систему WGS84.

Заключение

Подводя итог, скажем еще раз, что форма нашей планеты отличается от шара. Земля приближается по своей форме к эллипсоиду вращения. Как мы уже отметили, вовсе не праздным является этот вопрос. Точное определение того, какую Земля имеет форму, дает мощный инструмент ученым для вычисления координат небесных и земных тел. А это очень важно для космической и морской навигации, при проведении строительных, геодезических работ, а также во многих других областях человеческой деятельности.