Геодезия: форма Земли, гравитационное поле, GPS и геодинамика

Геодезия представляет собой научное изучение размеров и формы Земли, её гравитационного поля, а также точное определение местоположения точек на поверхности планеты. Эта отрасль науки о Земле исследует временные изменения формы планеты и положения её точек под влиянием приливов, вращения и движения тектонических плит. Геодезические измерения в значительной степени опираются на данные о местоположении, получаемые от спутниковых систем глобального позиционирования (GPS), измерений силы тяжести и радиолокационной альтиметрии над океанскими бассейнами. Наука об измерении размеров Земли, вероятно, началась с Эратосфена в Древней Греции, который измерил расстояние между Александрией и Асуаном в Египте и рассчитал кривизну планеты на основе своих наблюдений. В последующие столетия геодезия развивалась благодаря работам арабских и европейских учёных, заложивших основы триангуляции и гравиметрии.

Одна из ключевых областей геодезии сосредоточена на измерении гравитационного поля Земли и геоида, который определяется как поверхность с равным гравитационным потенциалом. Вес человека — сила притяжения Земли — будет одинаковым в каждой точке этой гипотетической поверхности. Однако из-за неоднородной внутренней плотности Земли сам геоид имеет неправильную форму. Геоид имеет приблизительно эллиптическую форму, слегка сплющенную на полюсах в результате вращения планеты; эта форма аппроксимируется математической поверхностью, известной как эталонный эллипсоид. Колебания высоты геоида относительно эталонного эллипсоида называются высотой геоида, которая во многих регионах часто достигает 30–50 футов (десятков метров). Такие колебания отражают поперечные различия в распределении массы в недрах Земли, включая конвекцию мантии и изменения толщины земной коры.

Небольшие временные колебания геоида могут быть вызваны океанскими приливами или изменениями в распределении океанских масс под действием ветра. Следовательно, точные модели геоида необходимы для преобразования высот, полученных с помощью GPS, в значимые ортометрические высоты, используемые при проектировании и картографировании. Современные глобальные модели геоида, такие как EGM2008 и EGM2020, объединяют спутниковые данные и наземные гравиметрические съёмки, достигая сантиметровой точности. Все геодезические измерения требуют наличия согласованной системы отсчёта, которая может быть астрономической (небесной) или инерциальной по своей природе. Многие геодезические наблюдения проводятся между различными точками поверхности, и эти наземные измерения оказываются полезными для обнаружения деформации поверхности, например, движения вдоль активных разломов.

Региональные геодезические сети основаны на искусстве триангуляции, впервые разработанном голландским учёным Геммой Фризиус в XVI веке. Триангуляция использует точные измерения углов и расстояний между точками сети или сетки для отслеживания временных изменений в геометрии сетки, тем самым количественно оценивая деформацию поверхности. Впоследствии метод трилатерации и нивелирования дополнил арсенал геодезистов, позволив создавать национальные геодезические сети с высокой точностью. Космическая геодезия использует методы спутникового позиционирования, при которых спутники GPS передают микроволновые сигналы, закодированные с указанием местоположения спутника и точного времени передачи. Наземные GPS-приёмники улавливают и декодируют эти сигналы, а затем вычисляют расстояние до каждого спутника, умножая время прохождения сигнала на скорость распространения микроволнового излучения в атмосфере.

При первоначальном расчёте приёмник помещается в любой точке сферы с центром на спутнике, но эта неоднозначность устраняется, поскольку известно, что приёмник находится на поверхности Земли. Обрабатывая сигналы с нескольких спутников GPS одновременно, приёмник определяет своё уникальное местоположение, в котором рассчитанные сферы пересекаются в одной точке. Стандартное GPS-позиционирование обеспечивает точность в несколько футов (один метр или меньше), которая может быть увеличена с помощью дифференциального GPS (DGPS). В DGPS стационарный приёмник в известном местоположении передаёт поправки на подвижный приёмник, что значительно снижает общие ошибки, такие как атмосферные задержки и погрешности спутниковых часов. Кроме того, передовые технологии, такие как многоприёмная интерферометрическая система GPS и кинематическая система GPS, улучшают измерения местоположения до субмиллиметрового уровня.

Эта исключительная точность произвела революцию в наблюдениях за деформацией поверхности, необходимых для прогнозирования землетрясений и извержений вулканов, и поддерживает точную навигацию, геодезию и системы наведения в гражданском строительстве, сельском хозяйстве и автономных транспортных средствах. В дополнение к GPS, современная космическая геодезия использует интерферометрию со сверхдлинной базой (VLBI), которая принимает радиосигналы от далёких квазаров для измерения вращения Земли и движения тектонических плит с точностью до миллиметра. Спутниковая лазерная локация (SLR), доплеровская орбитография и радиопозиционирование, интегрированные со спутником (DORIS) предоставляют дополнительные данные для мониторинга глобального повышения уровня моря, баланса массы ледниковых покровов и послеледникового поднятия. В совокупности эти методы реализуют Международную наземную систему отсчёта (ITRF), которая лежит в основе всех высокоточных геодезических и геофизических приложений.

Геодинамика — наука о внутренних и поверхностных движениях Земли — в значительной степени опирается на повторяющиеся геодезические измерения для моделирования конвекции мантии, деформации литосферы и циклических процессов землетрясений. Например, непрерывные сети GPS вдоль границ плит обнаруживают медленное накопление межсейсмических напряжений, что помогает оценить сейсмическую опасность. Аналогичным образом, данные измерений приливов и спутниковой альтиметрии объединяются с моделями геоидов, чтобы отделить абсолютное изменение уровня моря от вертикального перемещения суши — критический фактор в исследованиях изменения климата. Современные геодезические технологии также позволяют отслеживать опускание грунта в городах, вызванное добычей подземных вод, и деформации вулканических построек задолго до извержений. Развитие спутниковых миссий, таких как GRACE и GRACE-FO, открыло возможность измерять сезонные и многолетние изменения запасов воды на континентах по вариациям гравитационного поля, что имеет огромное значение для гидрологии и климатологии.

Дополнительная литература: Теркотт, Дональд Л. и Джеральд Шуберт. Геодинамика. 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2002.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.