Jump to content

геоид

Геоид ) — это ( / ˈ . ɔɪ d / JEE -oyd форма, которую поверхность океана приняла бы под воздействием гравитации Земли , включая гравитационное притяжение и вращение Земли другие воздействия, такие как ветры и приливы и отливы , если бы отсутствовали . . Эта поверхность простирается через континенты (что можно аппроксимировать очень узкими гипотетическими каналами ). По мнению Гаусса , впервые описавшего ее, это «математическая фигура Земли », гладкая, но неровная поверхность , форма которой является результатом неравномерного распределения массы внутри и на поверхности Земли. [1] Это можно узнать только посредством обширных гравитационных измерений и расчетов. Несмотря на то, что концепция была важной на протяжении почти 200 лет в истории геодезии и геофизики , она была определена с высокой точностью только с момента развития спутниковой геодезии в конце 20 века.

Геоид часто выражается как волнистость геоида или высота геоида над заданным опорным эллипсоидом , который представляет собой слегка сплющенную сферу, экваториальная выпуклость которой вызвана вращением планеты. Обычно высота геоида увеличивается там, где материал Земли локально более плотный и оказывает большую гравитационную силу, чем окружающие области. Геоид, в свою очередь, служит опорной координатной поверхностью для различных вертикальных координат , таких как ортометрические высоты , геопотенциальные высоты и динамические высоты (см. Геодезия#Высоты ).

Все точки на поверхности геоида имеют одинаковый геопотенциал (сумму гравитационной потенциальной энергии и центробежной потенциальной энергии). На этой поверхности, за исключением временных приливных колебаний, сила гравитации действует повсюду перпендикулярно геоиду, а это означает, что отвесы направлены перпендикулярно, а пузырьковые уровни параллельны геоиду. Будучи эквигеопотенциалом , геоид соответствует свободной поверхности покоящейся воды (если бы действовали только гравитация Земли и ускорение вращения); это также достаточное условие для того, чтобы шар оставался в покое, а не катился по геоиду. Таким образом, ускорение силы тяжести Земли ( вертикальная производная геопотенциала) неоднородно по геоиду. [2]

Волнистость геоида в псевдоцвете , затененный рельеф и вертикальное преувеличение (коэффициент вертикального масштабирования 10000).
Волнистость геоида в псевдоцвете, без вертикального преувеличения.

Описание

[ редактировать ]

Поверхность геоида неровная, в отличие от эталонного эллипсоида (который представляет собой математическое идеализированное представление физической Земли как эллипсоида ), но она значительно более гладкая, чем физическая поверхность Земли. Хотя «земля» Земли имеет отклонения порядка +8800 м ( Эверест ) и −11000 м ( Марианская впадина ), отклонение геоида от эллипсоида колеблется от +85 м (Исландия) до −106 м (южная часть Земли). Индия), всего менее 200 м. [3]

Если бы океан имел постоянную плотность и его не беспокоили приливы, течения или погода, его поверхность напоминала бы геоид. Постоянное отклонение между геоидом и средним уровнем моря называется топографией поверхности океана . Если бы континентальные массивы суши были пересечены серией туннелей или каналов, уровень моря в этих каналах также почти совпадал бы с геоидом. Геодезисты могут определить высоту континентальных точек над геоидом путем нивелирования .

Будучи эквипотенциальной поверхностью , геоид по определению является поверхностью, к которой сила тяжести перпендикулярна везде, за исключением временных приливных колебаний. Это означает, что, путешествуя на корабле, не замечаешь волнистости геоида ; если пренебречь приливами, то местная вертикаль (отвес) всегда перпендикулярна геоиду, а местный горизонт - касателен к нему. Аналогично, духовные уровни всегда будут параллельны геоиду.

Упрощенный пример

[ редактировать ]
  1. Океан
  2. Эллипсоид
  3. Местный водопровод
  4. Континент
  5. геоид

Гравитационное поле Земли неоднородно. Сплюснутый сфероид обычно используется в качестве идеализированной Земли, но даже если бы Земля была сферической и не вращалась, сила гравитации не была бы повсюду одинаковой, поскольку плотность на всей планете различалась. Это связано с распределением магмы, плотностью и массой различных геологических составов в земной коре , горных хребтах, глубоководных впадинах, уплотнением коры ледниками и так далее.

Если бы эта сфера была затем покрыта водой, вода не была бы везде одинаковой высоты. Вместо этого уровень воды будет выше или ниже по отношению к центру Земли, в зависимости от интеграла силы тяжести от центра Земли до этого места. Уровень геоида совпадает с тем местом, где могла бы находиться вода. Обычно геоид поднимается там, где материал Земли локально более плотный, оказывает большую гравитационную силу и вытягивает больше воды из окружающей среды.

, Волнистость геоида высота геоида или аномалия геоида — это высота геоида относительно заданного эллипсоида отсчета . Волнистость не стандартизирована, поскольку в разных странах в качестве эталона используются разные средние уровни моря, но чаще всего относится к геоиду EGM96 .

Карта волнистости геоида в метрах (на основе гравитационной модели EGM96 и опорного эллипсоида WGS84).[4]

Связь с GPS/GNSS

[ редактировать ]

В картах и ​​обычном использовании высота над средним уровнем моря (например, ортометрическая высота ) используется для обозначения высоты возвышения, тогда как эллипсоидальная высота получается из системы GPS и аналогичных GNSS .

Отклонение между эллипсоидальной высотой и ортометрическая высота можно рассчитать по

(Аналогичная связь существует между нормальными высотами и «квазигеоидом», который не учитывает локальные изменения плотности.)

Таким образом, GPS-приемник на корабле может во время длительного плавания указывать изменения высоты, даже если судно всегда будет находиться на уровне моря (пренебрегая влиянием приливов и отливов). Это связано с тем, что спутники GPS , вращающиеся вокруг центра тяжести Земли, могут измерять высоту только относительно геоцентрического опорного эллипсоида. Чтобы получить ортометрическую высоту, необходимо скорректировать необработанные показания GPS. И наоборот, высота, определенная нивелиром по маремеру , как и при традиционной топографической съемке, ближе к ортометрической высоте. Современные приемники GPS имеют сетку, реализованную в их программном обеспечении, с помощью которой они получают, исходя из текущего положения, высоту геоида (например, геоида EGM96) над эллипсоидом Всемирной геодезической системы (WGS). Затем они смогут скорректировать высоту над эллипсоидом WGS до высоты над геоидом EGM96. Если высота на корабле не равна нулю, расхождение обусловлено другими факторами, такими как океанские приливы, атмосферное давление (метеорологические эффекты), местные топография морской поверхности и погрешности измерений.

Связь с массовой плотностью

[ редактировать ]

Поверхность геоида выше опорного эллипсоида везде, где имеется положительная аномалия силы тяжести (избыток массы), и ниже опорного эллипсоида там, где имеется отрицательная аномалия силы тяжести (дефицит массы). [5]

Эту взаимосвязь можно понять, вспомнив, что гравитационный потенциал определяется так, что он имеет отрицательные значения и обратно пропорционален расстоянию от тела.Таким образом, хотя избыток массы усилит гравитационное ускорение, он уменьшит гравитационный потенциал. Как следствие, определяющая эквипотенциальная поверхность геоида окажется смещенной от избытка массы.Аналогично, дефицит массы ослабит гравитационное притяжение, но увеличит геопотенциал на заданном расстоянии, заставляя геоид двигаться в сторону дефицита массы.Наличие локализованного включения в фоновой среде слегка повернет векторы ускорения силы тяжести в сторону или в сторону от более плотного или легкого тела соответственно, вызывая выпуклость или ямочку на эквипотенциальной поверхности. [6]

Наибольшее абсолютное отклонение можно обнаружить в низине геоида Индийского океана , на 106 метров ниже среднего уровня моря. [7]

Гравитационные аномалии

[ редактировать ]
Аномалии гравитации и геоида, вызванные различными изменениями толщины земной коры и литосферы относительно базовой конфигурации. Все настройки находятся под локальной изостатической компенсацией.

Изменения высоты поверхности геоида связаны с аномальным распределением плотности внутри Земли. Таким образом, измерения геоида помогают понять внутреннюю структуру планеты. Синтетические расчеты показывают, что геоидальный признак утолщенной коры (например, в орогенных поясах, образовавшихся в результате столкновения континентов ) положителен, в отличие от того, чего следует ожидать, если утолщение затронет всю литосферу . Мантийная конвекция также со временем меняет форму геоида. [8]

Трехмерная визуализация гравитационных аномалий в единицах Гал. , используя псевдоцвет и затененный рельеф .

Определение

[ редактировать ]

Расчет волнистости является математически сложной задачей. [9] [10] Вот почему многие портативные GPS-приемники имеют встроенные таблицы поиска волнистости. [11] определить высоту над уровнем моря.

Точное решение геоида, предложенное Петром Ваничеком и его коллегами, усовершенствовало стоксов подход к вычислению геоида. [12] от миллиметра до сантиметра Их решение обеспечивает точность геоида вычислений , что на порядок лучше предыдущих классических решений. [13] [14] [15] [16]

Волнистость геоида отображает неопределенности, которые можно оценить с помощью нескольких методов, например, коллокации наименьших квадратов (LSC), нечеткой логики , искусственных нейронных сетей , радиальных базисных функций (RBF) и геостатистических методов. Геостатистический подход был определен как наиболее совершенный метод прогнозирования волнистости геоида. [17]

Временное изменение

[ редактировать ]

Недавние спутниковые миссии, такие как Gravity Field и Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE) и GRACE позволили изучить изменяющиеся во времени сигналы геоида. Первые продукты, основанные на спутниковых данных GOCE, стали доступны онлайн в июне 2010 года через Европейское космическое агентство. [18] [19] ЕКА запустило спутник в марте 2009 года с целью составить карту гравитации Земли с беспрецедентной точностью и пространственным разрешением. 31 марта 2011 года новая модель геоида была представлена ​​на Четвертом международном семинаре пользователей GOCE, проходившем в Техническом университете Мюнхена , Германия. [20] Исследования с использованием изменяющегося во времени геоида, рассчитанного по данным GRACE, предоставили информацию о глобальных гидрологических циклах. [21] массовые балансы ледниковых щитов , [22] и послеледниковый отскок . [23] Из измерений послеледникового отскока изменяющиеся во времени данные GRACE можно использовать для определения вязкости мантии Земли . [24]

Представление сферических гармоник

[ редактировать ]
Волнистость геоида (красный) относительно опорного эллипсоида (черный), сильно преувеличена; См. также: Грушевидная форма Земли .

Сферические гармоники часто используются для аппроксимации формы геоида. Лучшим на данный момент набором коэффициентов сферических гармоник является EGM2020 (Гравитационная модель Земли 2020), определенный в рамках международного совместного проекта под руководством Национального агентства изображений и картографии (ныне Национальное агентство геопространственной разведки или NGA). Математическое описание невращающейся части потенциальной функции в этой модели: [25]

где и - геоцентрическая (сферическая) широта и долгота соответственно, являются полностью нормализованными ассоциированными полиномами Лежандра степени и заказать , и и – численные коэффициенты модели, основанные на измеренных данных. Земли. Приведенное выше уравнение описывает гравитационный потенциал , а не сам геоид, в локации координата являющийся геоцентрическим радиусом , т. е. расстоянием от центра Земли. Геоид – это особая эквипотенциальная поверхность, [25] и в некоторой степени требует вычислений. Градиент этого потенциала также обеспечивает модель гравитационного ускорения. Наиболее часто используемый EGM96 содержит полный набор коэффициентов до степени и порядка 360 (т.е. ), описывающее детали глобального геоида размером до 55 км (или 110 км, в зависимости от определения разрешения). Количество коэффициентов, и , можно определить, сначала наблюдая за уравнением для что за определенную стоимость на каждое значение есть два коэффициента за исключением . Коэффициент только один, если с . Таким образом, существуют коэффициенты для каждого значения . Используя эти факты и формулу, , то общее число коэффициентов определяется выражением

используя значение EGM96 .

Для многих приложений полный ряд неоправданно сложен и усекается после нескольких (возможно, нескольких десятков) членов.

Тем не менее, были разработаны модели даже с более высоким разрешением. Многие авторы EGM96 опубликовали EGM2008. Он включает в себя большую часть новых спутниковых гравитационных данных (например, « Восстановление гравитации и климатический эксперимент ») и поддерживает значения до 2160 градусов (1/6 градуса, требующие более 4 миллионов коэффициентов), [26] с дополнительными коэффициентами, простирающимися до степени 2190 и порядка 2159. [27] EGM2020 — это международное продолжение, которое изначально было запланировано на 2020 год (еще не выпущено в 2024 году), содержащее такое же количество гармоник, сгенерированных с более точными данными. [28]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Гаусс, CF (1828). Определение разницы широт между обсерваториями в Геттингене и Альтоне по наблюдениям в зенитном секторе Рамсдена (на немецком языке). Ванденхук и Рупрехт. п. 73 . Проверено 6 июля 2021 г.
  2. ^ Геодезия: Концепции. Петр Ваничек и Э.Дж. Краковский. Амстердам: Эльзевир. 1982 (первое изд.): ISBN   0-444-86149-1 , ISBN   978-0-444-86149-8 . 1986 (третье изд.): ISBN   0-444-87777-0 , ISBN   978-0-444-87777-2 . АСИН   0444877770 .
  3. ^ «Определение гравитации Земли» . GRACE – Восстановление гравитации и климатический эксперимент . Центр космических исследований ( Техасский университет в Остине ) / Техасский консорциум космических грантов. 11 февраля 2004 года . Проверено 22 января 2018 г.
  4. ^ «WGS 84, N=M=180 Гравитационная модель Земли» . НГА: Управление геоматики . Национальное агентство геопространственной разведки. Архивировано из оригинала 8 августа 2020 года . Проверено 17 декабря 2016 г.
  5. ^ Фаулер, CMR (2005). Твердая Земля; Введение в глобальную геофизику . Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета . п. 214. ИСБН  9780521584098 .
  6. ^ Лоури, В. (1997). Основы геофизики . Издательство Кембриджского университета. п. 50. ISBN  978-0-521-46728-5 . Проверено 2 мая 2022 г.
  7. ^ Раман, Спорти (16 октября 2017 г.). «Недостающая масса — что вызывает депрессию геоида в Индийском океане?» . Геокосмос . Проверено 2 мая 2022 г.
  8. ^ Ричардс, Массачусетс; Хагер, Б.Х. (1984). «Аномалии геоида на динамической Земле». Журнал геофизических исследований . 89 (Б7): 5987–6002. Бибкод : 1984JGR....89.5987R . дои : 10.1029/JB089iB07p05987 .
  9. ^ Сидерис, Майкл Г. (2011). «Определение геоида, теория и принципы». Энциклопедия геофизики твердой Земли . Серия Энциклопедия наук о Земле. стр. 356–362. дои : 10.1007/978-90-481-8702-7_154 . ISBN  978-90-481-8701-0 . S2CID   241396148 .
  10. ^ Сидерис, Майкл Г. (2011). «Геоид, расчетный метод». Энциклопедия геофизики твердой Земли . Серия Энциклопедия наук о Земле. стр. 366–371. дои : 10.1007/978-90-481-8702-7_225 . ISBN  978-90-481-8701-0 .
  11. ^ Уормли, Сэм. «Ортометрическая высота GPS» . edu-observatory.org . Архивировано из оригинала 20 июня 2016 года . Проверено 15 июня 2016 г.
  12. ^ «Пакет точного определения геоида UNB» . Проверено 2 октября 2007 г.
  13. ^ Ваничек П.; Клейсберг, А. (1987). «Канадский геоидно-стоксовский подход». Рукопись Геодетики . 12 (2): 86–98.
  14. ^ Ваничек П.; Мартинец, З. (1994). «Составление точного регионального геоида» (PDF) . Рукопись Геодетики . 19 : 119–128.
  15. ^ Ваничек П.; Клейсберг, А.; Мартинец, З.; Сан, В.; Онг, П.; Наджафи, М.; Вайда, П.; Гарри, Л.; Томасек, П.; тер Хорст, Б. Составление точного регионального геоида (PDF) (Отчет). Кафедра геодезии и геоматики Университета Нью-Брансуика. 184 . Проверено 22 декабря 2016 г.
  16. ^ Копейкин, Сергей; Ефроимский, Михаил; Каплан, Джордж (2009). Релятивистская небесная механика Солнечной системы . Вайнхайм: Wiley-VCH . п. 704 . ISBN  9783527408566 .
  17. ^ Чикаиса, Е.Г.; Лейва, Калифорния; Арранц, Джей-Джей; Буэнано, XE (14 июня 2017 г.). «Пространственная неопределенность модели волнистости геоида в Гуаякиле, Эквадор» . Открытые геологические науки . 9 (1): 255–265. Бибкод : 2017OGeo....9...21C . дои : 10.1515/geo-2017-0021 . ISSN   2391-5447 .
  18. ^ «ЕКА делает доступным первый набор данных GOCE» . ГОЦЕ . Европейское космическое агентство . 9 июня 2010 года . Проверено 22 декабря 2016 г.
  19. ^ «GOCE дает новое представление о гравитации Земли» . ГОЦЕ . Европейское космическое агентство. 29 июня 2010 года. Архивировано из оригинала 2 июля 2010 года . Проверено 22 декабря 2016 г.
  20. ^ «Гравитация Земли раскрыта в беспрецедентных деталях» . ГОЦЕ . Европейское космическое агентство. 31 марта 2011 года . Проверено 22 декабря 2016 г.
  21. ^ Шмидт, Р.; Швинцер, П.; Флехтнер, Ф.; Рейгбер, К.; Гюнтер, А.; Долл, П.; Рамильен, Г.; Казенав, А. ; и др. (2006). «Наблюдения GRACE за изменениями в континентальных запасах воды». Глобальные и планетарные изменения . 50 (1–2): 112–126. Бибкод : 2006GPC....50..112S . дои : 10.1016/j.gloplacha.2004.11.018 .
  22. ^ Рамильен, Г.; Ломбард, А.; Казенав, А. ; Айвинс, Э.; Любес, М.; Реми, Ф.; Бьянкаль, Р. (2006). «Межгодовые изменения баланса массы ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии по данным GRACE». Глобальные и планетарные изменения . 53 (3): 198. Бибкод : 2006GPC....53..198R . дои : 10.1016/j.gloplacha.2006.06.003 .
  23. ^ Вандервал, В.; Ву, П.; Сидерис, М.; Шум, К. (2008). «Использование GRACE определило вековую скорость гравитации для исследований изостатической корректировки ледников в Северной Америке». Журнал геодинамики . 46 (3–5): 144. Бибкод : 2008JGeo...46..144V . дои : 10.1016/j.jog.2008.03.007 .
  24. ^ Полсон, Арчи; Чжун, Шицзе; Вар, Джон (2007). «Вывод о вязкости мантии на основе данных GRACE и относительного уровня моря» . Международный геофизический журнал . 171 (2): 497. Бибкод : 2007GeoJI.171..497P . дои : 10.1111/j.1365-246X.2007.03556.x .
  25. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Смит, Дрю А. (1998). «Не существует такого понятия, как геоид EGM96: тонкие моменты использования глобальной модели геопотенциала» . Бюллетень ИГеС № 8 . Милан, Италия: Международная служба геоида. стр. 17–28 . Проверено 16 декабря 2016 г. .
  26. ^ Павлис, Северная Каролина; Холмс, ЮАР; Кеньон, С.; Шмит, Д.; Триммер Р. «Расширение гравитационного потенциала до степени 2160». Международный симпозиум IAG, гравитация, геоид и космическая миссия GGSM2004 . Порту, Португалия, 2004 г.
  27. ^ «Гравитационная модель Земли 2008 (EGM2008)» . Национальное агентство геопространственной разведки . Архивировано из оригинала 8 мая 2010 года . Проверено 9 сентября 2008 г.
  28. ^ Барнс, Д.; Фактор, Дж.К.; Холмс, ЮАР; Ингаллс, С.; Прешиччи, MR; Бил, Дж.; Фехер, Т. (2015). «Гравитационная модель Земли 2020» . Тезисы осеннего собрания АГУ . 2015 : G34A–03. Бибкод : 2015АГУФМ.Г34А..03Б .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4badc98c24449a16bcff2c61033bf88f__1713482640
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4b/8f/4badc98c24449a16bcff2c61033bf88f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Geoid - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)