Конспект лекцій з курсу «Космічна геодезія та геодинаміка» для студентів спеціальності 300500
| З-за великого обсягу цей матеріал розміщено на кількох сторінках: 1 2 3 |
за курсом «Космічна геодезія та геодинаміка» для студентів спеціальності 300500 «Космічна геодезія»
1. Космічна геодезія. Підручник для вузів.// та інших. М.: Надра, 1986.
2. Пеллінен геодезія (теоретичні основи). М.: Надра, 1978.
3. Машимов теорії геодезії М.: Надра. 1982.
4. Мельхіор П. Фізика та динаміка планет. Частини 1 та 2. М.: Світ. - 1975.
5. Основи супутникової геодезії // та ін. М.: Надра. - 1974.
6. Використання штучних супутників Землі для побудови геодезичних мереж // та ін. М.: Надра. - 1977.
7. Використання оптичних спостережень штучних супутників Землі // та інших. Софія: вид. Болгарський акад. наук. - 1979.
8. Урмаєв методи космічної геодезії. М.: Надра. - 1981.
9. . Глушков, геодезія: методи та перспективи розвитку / , , - М.: Інститут політичного та військового аналізу. - 2002. - 448 с.
10. Ельясберг руху за результатами вимірів. М: Наука. - 1976.
11. , Розоренов траєкторій космічних апаратів (Постановка та аналіз завдань). М: Машинобудування. - 1978.
12. Milan Burša, Jan Kostelecký. Space Geodesy and Space Geodynamics. Прага: Ministry of Defence – Topographic Department of General Staff of Army of Czech Republic. - 1999. - 459 p. - Англ.
13. Gerhard Beutler. Role of GPS in Space Geodesy. - In book "GPS for Geodesy"
14. Татев'ян докторської дисертації.
15. , Мороз курс астрономії: Навчальний посібник/За ред. . - М.: ЕдіторіалУРСС, 2001. - 544 с.
1.1. Геодинамічні завдання у геодезії
Завдання геодинаміки.Геодинаміка - наукова дисципліна про динамічні процеси, що відбуваються в системі «планета Земля», і про силові поля, що зумовлюють ці процеси. Основне теоретичне завдання геодинаміки полягає в тому, щоб, знаючи силові поля, визначати характер динамічних процесів, що відбуваються під їх впливом, у тілі, літосфері та атмосфері Землі. Геодинаміка, вивчаючи динаміку Землі, частково вирішує завдання визначення характеру силових полів та їх змін у часі.
Вихідним матеріалом для вивчення динаміки Землі служать дані про фігуру (фізичну, гравітаційну і динамічну), внутрішню будову, літосферу, гідросферу та атмосферу Землі, сонячно-земні та місячно-земні зв'язки, геогравітаційне, геомагнітне, геотермічне та інші геофізичні силові та річний рух Землі.
Для вирішення геодинамічних завдань потрібна єдина система відліку – система геодезичних координат ECRF та відліку часу.
Геодинаміка як самостійна наукова дисципліна розвивається на стику астрометрії, геодезії, геології, геофізики, океанології та інших наук про Землю.
В даний час цілком зрозуміло, що тверда, водна і повітряна оболонки Землі повинні розглядатися як єдина динамічна система Земля – Космос, що безперервно змінюється у часі. Найбільш стабільна частина цієї системи – тверда оболонка Землі – теж помітно змінює свою форму, особливо у дні Світового океану [1].
Мал. 1. Нова глобальна тектоніка (тектоніка літосферних плит) передбачає, що літосфера розбита на великі плити, що переміщуються астеносферою, в горизонтальному напрямку. Поблизу серединно-океанічних хребтівлітосферні плити нарощуються за рахунок речовини, що піднімається з надр, і розходяться в сторони (спредінг); у глибоководних жолобах одна плита рухається на іншу (субдукція) і поглинається мантією. Там, де плити зіштовхуються між собою, виникають складчасті споруди [БЕС]. Карта HartRAO.
Залежно від природи завдань, з якими доводиться мати справу, розрізняють «Фізичну Космічну Геодезію» і «Геометричну Космічну Геодезію», хоча між ними немає чіткої розмежувальної лінії.
Зміст терміна «Космічна геодинаміка» можна визначити як «вирішення проблем геодинаміки зі спостережень штучних і природних небесних тіл» Очевидно, що Космічна геодинаміка дуже близька до Космічної геодезії, оскільки природа абокосмічні об'єкти, що спостерігаються, дуже часто є спільними. Оскільки немає чіткої розділової лінії між цими двома дисциплінами, вони повинні інтерпретуватися і вивчатися спільно.
Зміст терміну «Геодинаміка» звичайно значно ширший, ніж у терміна «Космічна геодинаміка». Геодинаміка визначає стан тіла Землі під впливом силових полів. Можливо, цей термін вперше був використаний Скіапареллі у його лекції «Обертання Землі під впливом дій геологічних факторів», яку він написав у Пулковській обсерваторії у 1889 р. з нагоди своєї 50-ї річниці. Він говорив про вільну Ейлерівську нутацію, тверду Землю і про вплив геологічних процесів на обертання Землі. У 1911 р. Лява використовував цей термін у заголовку своєї книги «Деякі проблеми геодинаміки, присвяченої проблемі земних припливів, вільних коливань гравітуючих стисливих планет та проблемі ізостатичної компенсації.
Історична еволюція досліджень по фігурі Землі в досупутникову еру
Проблема визначення фігури Землі, особливо фундаментального параметра, що визначає її форму у вигляді полярного стискуa, має виняткове значення у межах спектра проблем Космічної Геодезії.
Ідея сферичної Землі виникла за часів Піфагора (
582-600 р. д. н.е.) та Арістодо РХ). Походження цієї ідеї ґрунтувалося на формі тіні Землі під час сонячних затемнень. Тривало це майже протягом 20 століть, до другої половини 17 ст, коли у цьому почали сумніватися. Ньютон та Гюйгенс.
Ньютон (), його книга «Математичні засади натуральної філософії», довів, що Земля стиснута біля полюсів, величина стиснення за умови, що Земля рідка всередині 1/230.
Модель Ньютона базувалася на умови про гідростатичну рівновагу однорідної рідини, що рівномірно обертається. На рис. 2 показано вихідна фігура (Ньютон, 1687), яку він використовував для пояснення умови рівноваги. Тиск на дні рідкого стовпа, орієнтованого вздовж осі обертання (напіввісьb)
(1.1)
а для стовпа в екваторіальній площині (напіввісьа)
(1.2)
мають бути рівними;w- кутова швидкість обертання Землі,g(r) – прискорення сили тяжіння в змінному (змінному) елементі dm(dr) c геоцентричним радіус-вектором r, s - постійна, яка визначається як sdr=dm, яка містить щільність тіла обертання.
Мал. 2. Фігура Ньютона, що ілюструє фундаментальний принцип визначення стиснення ідеальної однорідної Землі може гідростатичного рівноваги.
Рівняння передбачає умову
. (1.3)
Рівняння (1.3) можна інтерпретувати через поняття фізики як рівність гравітаційних потенціалів на граничній поверхніекваторі (а) і на полюсі (b):
деW0- гравітаційний потенціал у геоцентрі.
Ця інтерпретація була представлена. [пропущено]. Ньютон розглядав функцію від (r) лінійної, що стосується тільки однорідної сфери:
(1.4)
деgp,ge-прискорення сили тяжіння на полюсі (r=b) і на екваторі (r=а). З урахуванням (1.4) умову (1.3) можна записати як
, (1.5)
, (1.6)
; (1.7)
(1.8)
представляє відношення відцентрового та гравітаційного прискорення на екваторі. Що стосується відносини для тіла з малим стисненням, то Ньютон застосував вираз [не завершено]
Клеро () пов'язав форму Землі з геофізичними параметрами (Teorie de la figure de la terre)
Першим, хто висловив думку про те, що еліпсоїд може не уявляти тіло Землі досить точно, був Бошкович (). Лаплас () представив загальний вираз геопотенціалу в ряд за сферичними гармоніками і почав розробляти теорію припливів, хоча це вже було у Ньютона.
Трихосний еліпсоїд був запропонований Шубертом () у 1859 році.
У 1873 р. листинг () ввів концепцію геоїду. Квазігеоїд Молоденського у 1945 р.
Еволюція космічної геодезії та космічної геодинаміки
Маклорен показав, що стиск Землі можна визначити з орбіт супутників Землі.
Ейлер у 1768 р. – про визначення форми та розмірів Землі за спостереженнями Місяця з пунктів однією меридіані.
Місячні методи Гельмерт, Михайлов, Банахевич, Марковіц О'Кіф
По супутниках – Еге. Бухар 1957 р.
Вяйсяля – 1946 р. – метод зіркової тріангуляції. Проект Жонголовича для глобальної мережі у вигляді багатогранника з 12 вершинами.
РСДБ – з 1978 р. регулярні виміри, пробні у Канаді 1967 р.
МСВЗ - з 1988РСДБ, ЛЛЛ, ЛЛС – три центри.
Міжнародна служба обертання Землі та референцних систем
Основними завданнями Міжнародної служби обертання Землі (МСВЗ) є забезпечення світової наукової та технічної спільноти параметрами орієнтування Землі (ПОЗ, Earth Orientation Parameters, EOP), а також реалізація, використання та впровадження у практику ідеальних міжнародних земних (ITRS) та небесних (ICRS) систем відліку. МСВЗ працює під егідою Міжнародної асоціації геодезії (МАГ) та у взаємодії з Міжнародним астрономічним союзом (МАС) [IERS, 1995]. МСВЗ має Центри аналізу для кожного з різних космічних геодезичних методів, включаючи РСДБ, ЛЛС, ЛЛЛ, Doris, Prare та GPS. Центральне бюро МСВЗ об'єднує результати, поширює інформацію про параметри орієнтування Землі (ПОЗ), підтримує небесну (ICRF) та земну (ITRF) системи відліку (див. розділ 3).
Системи відліку МСВЗ, як ICRF, і ITRF реалізуються відповідно до стандартами МСВЗ [IERS 1996]. Стандарти МСВЗ складаються з постійних та моделей, що використовуються Центрами аналізу. Стандарти засновані на стані знань у галузі обробки геодезичних даних та моделей обертання Землі та можуть відрізнятися від прийнятих стандартів МАГ та МАС, як, наприклад, параметри прецесії та нутації. Система відліку ICRF реалізується через каталог компактних позагалактичних радіоджерел, ITRF – через каталог координат та швидкостей станцій.
Інформація про МСВЗ забезпечується через Інтернет із Центрального бюро МСВЗ, розташованого в Паризькій обсерваторії та Суб-бюро Швидкої Служби та прогнозів МСВЗ, розташованого у Морській обсерваторії США у Вашингтоні.
МСВЗ складається з трьох спеціалізованих центрів:
- координаційний центр з РСДБ при НГС у прим. Меріленд, який обробляєспостереження позагалактичних джерел світової мережі РСДБ
- центр ЛЛС при Університеті шт. Техас в Остіні, де обробляються спостереження геодинамічних супутників,
- центр ЛЛЛ при обсерваторії Грасс (Франція).
В СРСР і потім в Україні визначення ПВЗ входить до завдань Держстандарту СРСР (РФ), який виводить, прогнозує та публікує свої значення ПВЗ, які дещо відрізняються від системи МСВЗ. Для виведення ПВЗ Держстандарт України використовує радіодалемірні (фазові) спостереження супутників ГЛОНАСС, доплерівські спостереження супутника Гео-ІК та дані астрооптичних спостережень обсерваторій України, України, Узбекистану, Болгарії, Польщі, Чехії, Словаччини та Югославії.
МіжнароднаGPS служба
Всебічна інформація, що включає точні ефемериди, параметри годинника супутників та інші дані, забезпечується Інформаційною системою Центрального бюро (ІСЦБ) Міжнародної GPS служби для геодинаміки (МГС), що знаходиться при Лабораторії реактивного руху (JPL). Система ІСЦБ доступна через Інтернет та пропонує дані через протокол FTP.
Точність продуктів МГС достатня для підтримки поточних наукових цілей, включаючи реалізацію систем координат ITRF, моніторинг обертання Землі та деформації її твердої та рідкої компонент (табл. 1), причому ця точність постійно підвищується.
Таблиця 1. Характеристики точності продуктів МГС