2. Что такое «геоид», его характеристика, форма. Почему Земля имеет именно такую форму?

Физическая фигура Земли ограничена поверхностью материков, морей и океанов. Объектом изучения является фигура твердой оболочки Земли - поверхность суши, дна морей и океанов. Физическая фигура Земли имеет сложную форму, поэтому для ее изучения, а также для решения теоретических и прикладных задач геодезии вводят более простые фигуры сравнения, среди которых важное место занимает геоид.

Поверхность, всюду перпендикулярная отвесным линиям, называется уровенной. Земля создает вокруг себя бесчисленное множество уровенных поверхностей.

Через одну точку пространства проходит только одна уровенная поверхность. С точки зрения механики уровенная поверхность есть поверхность равного потенциала силы тяжести и представляет собой фигуру равновесия жидкого или вязкого вращающегося тела, образующегося под действием сил притяжения и центробежных сил.

Среди множества уровенных поверхностей выделяют одну - главную, которую по предложению Листинга (1871г.) назвали геоидом, что означает «землеподобный». Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и мысленно продолжается под материки. Она проходит через начало счета высот и иногда называется отсчетной поверхностью.

Поверхность геоида все еще остается достаточно сложной для изучения. Она описывается бесконечными рядами, так называемыми разложениями по сферическим функциям. Если в рядах оставить конечное число членов, то получим ту или иную частную модель геоида. Наиболее простой моделью геоида является шар, далее - эллипсоид вращения, последующие модели не поддаются простой геометрической интерпретации. Поэтому изучают отступления геоида от некоторой фигуры сравнения, как правило, это будет двухосный эллипсоид.

Истинная форма поверхности Земли с ее неровностями и непрерывным изменением во времени бесконечно сложна. Определить ее для каждого момента времени практически невозможно, да и не нужно. Геодезисты ввели понятие «геоид» -- воображаемая поверхность, достаточно точно отображающая реальную поверхность нашей планеты и в то же время доступная для практического изучения.

Буквально «геоид» -- это «земноподобный». Это поверхность, которая приближенно совпадает со спокойной поверхностью Мирового океана и перпендикулярами к которой в каждой ее точке служат отвесные линии. Продолжив эту поверхность под материками так, чтобы во всех точках она оставалась уровенной, т. е. перпендикулярной к отвесной линии, получим полную поверхность геоида.

Изучение формы геоида составляет главную задачу высшей геодезии. Эта задача состоит из двух частей: определения параметроэллипсоида, наиболее близкого к геоиду, и положения отдельных точек геоида по отношению к эллипсоиду. Естественно, что в решении этих задач принимают участие и гравиметристы. Правда, гравиметрические методы позволяют определять только форму, но не размеры геоида. Вот почему сочетание геодезических и гравиметрических методов при изучении фигуры Земли совершенно необходимо.

Теоретически форму геоида можно представить следующим образом. В каждой точке Земли существует так называемый потенциал силы тяжести -- величина, характеризующая интенсивность, «напряженность» этой силы. Потенциал силы тяжести математически можно представить как сумму бесчисленного множества слагаемых, каждое из которых называется гармоникой. Чем больше слагаемых мы возьмем, тем точнее выразим потенциал силы тяжести, который и определяет форму геоида.

Как известно, геологически, Земля - активная планета. Слои, образующие Землю, имеют разную плотность и постоянно подвергаются геологическим процессам, тектонические движения пластов, смещение континентов, смещение центра инерции (хоть и минимальное), такие явления как приливы и отливы, атмосферные явления, которые происходят в гидросфере и атмосфере - все эти явления и плюс к этому вмешательство человека вызывают изменения на некоторых участках земной поверхности. Это порождает постоянные изменения в форме Земли геоиде.

Если учесть, что расстояние от центра Земли до ее поверхности есть величина постоянная (на самых высоких вершинах в год наблюдается не более 1-2 см снижения или повышения), а количество ресурсов внутри Земли почти не меняется и, проигнорировав другие воздействия, можно с легкостью утверждать, что главной причиной незначительных различий в гравитации на поверхности Земли является изменения в массе на поверхности. Таяние льдов уменьшает вес в некоторых местах, а плотины - увеличивают в других местах, все эти явления играют важное значение в различиях в гравитации на поверхности Земли. Опираясь на эти сведения, при помощи гравитационных измерений ученые могут определять, где и как меняется масса. Потому что когда масса меняет место, в той области наблюдаются изменения в гравитации.

С помощью гравитационных измерений можно определить даже малейшие изменения в массах. Изменения места одного тела на поверхности Земли значит изменение гравитации в этой области. В итоге, гравитационные измерения являются самым важным источником данных, которые используются для того, чтобы понять изменения в геоиде, более того, понять, какие явления служат причиной этих изменений. В определении мест масс, сместившихся на поверхности Земли с одного места на другое или, другими словами, в каком участке Земли вес увеличился или уменьшился, применяется метод измерения гравитаций с помощью спутников. Новейшие спутниковые технологии, применяемые для определения и наблюдения за изменениями в гравитации - это спутник Европейского Космического Агентства GOCE и спутник NASA GRACE. GOCE запланирован на то, чтобы во время полета вокруг своей орбиты точно отслеживать гравитационное поле Земли. Пролетая над местами, где сила притяжения сильная или слабая, с помощью сигналов, посылаемых прибором градиометр, спутник определяет различия в гравитации. А спутники GRACE - это спутники-близнецы, размещенные на одной орбите на расстоянии 220 м друг от друга и на высоте 500 км от Земли. С помощью микроволновых сигналов спутники измеряют расстояние между собой с такой точностью, что могут определить изменение меньше чем на сотую долю от ширины человеческого волоса. В то же время одинаково точно измеряют расстояние между ними и точкой на поверхности Земли. Пользуясь этими измерениями можно подсчитать разницу в гравитациях. Спутниковые данные GRACE предоставляют точность в 1000 раз больше, чем ныне существующие системы определения гравитации. Ученые, желающие воспользоваться преимуществами этих новых спутников, провели очень много работ и смогли определить множество интересных явлений, повлекших за собой изменения в геоиде, и выявили причины этих явлений.

Огромные волны на поверхности моря, которые возникли в результате землетрясения силой в 9 баллов по Рихтеру, произошедшего на острове Суматра в 2004 году, стали причиной возникновения на берегу прямого выступа высотой около 6 метров. По данным спутника GOCE, смещение центра инерции на поверхности Земли в этом районе вызвало смещение геоида на 18 мм. Это считается довольно высокой величиной для изменения геоида.

Изменения в массе полярных ледников также влияют на изменения в геоиде. Согласно данным, полученным от спутников GRACE, льды Гренландии и Антарктики тают гораздо быстрее, чем ожидалось. Растаявшие льды увеличивают уровень мирового океана на 0.41 мм каждый год, а тяжесть воды, образующейся в итоге таяния льдов, становится причиной изменения формы Земли.

Одно из интересных сведений, полученных на основе гравитационных данных спутника GRACE - это самая большая в мире плотина Три Ущелья в Китае, которая стала причиной изменения гравитации на поверхности Земли. Плотина возводится с целью сооружения водохранилища длиной 600 км и шириной 112 км. По завершении работ по строительству корпуса плотины, водохранилище будет содержать 39.3 миллиарда м³ воды, а глубина воды достигнет 175 метров. С повышением уровня воды 1,5 миллиарда человек будут вынуждены оставить свои дома. Было установлено, что огромная нагрузка скопленной в завершенных частях плотины вод увеличила величину гравитации в этом месте. Поэтому форма Земли или структура геоида изменилась вследствие водной нагрузки на это место.

Ученые установили, что строительство подобных сооружений и под воздействием других вмешательств форма Земли принимает все более круглую форму. Предполагается, что причиной этому стало наблюдаемое с окончанием ледникового периода ослабление нагрузки ледников на земную кору, особенно на полюсах. В некоторых областях Скандинавии и Канады вследствие таяния ледников каждый год Земля повышается на 1см. Также предполагается, что причиной округления могут быть и океанические течения, которые меняют свое направление и все больше направляются на экватор. Океанические течения перемещают воды растаявших ледников на экватор, что становится причиной увеличения нагрузки в районе экватора. Масса в полюсах уменьшается, а на экваторе увеличивается, что и способствует изменениям в форме Земли.

Многие ученые думают, что многие изменения в форме Земли происходят под воздействием климатических изменений. К сожалению, надо отметить, что в докладе о шестилетней работе Межправительственной группы экспертов по изменению климата было объявлено, что на 90% люди ответственны за глобальное потепление. Вследствие этих явлений геоидная структура стареющей Земли округляется с каждым днем. Вследствие округления радиус Земли увеличивается ежегодно на 0,4-0,8 мм¹¹. Явления, которые могут повлиять на изменения, находятся под постоянным наблюдением ученых. Согласно ученым, изменения в геоиде, происходящиe в результате смещения массы, играют важную роль в динамике Земли. Так что смещение масс, определяющееся изменениями в гравитации, является причиной замедления скорости вращения Земли вокруг своей оси. Полагается, что последствием изменения скорости вращения Земли может стать изменение дневного часового пояса. Исходя из всего этого можно сказать, что в будущем 24 часовой дневной пояс может удлиниться параллельно замедлению вращения.