Форма Земли и геоид
Земля не шар и даже не идеальный эллипсоид: что такое геоид, почему его называют «картофелиной», как спутники GRACE и GOCE измеряют силу тяжести и зачем эта форма нужна геодезистам.
Школьная картинка показывает Землю шаром. На деле её форма сложнее, и у учёных для неё есть отдельное понятие — геоид: поверхность, которая совпадала бы со средним уровнем океана, если бы воду не двигали ветры, течения и приливы, а океан продолжился под континентами. Если изобразить геоид с сильно преувеличенными неровностями, получится бугристая фигура, похожая на картофелину. Отсюда знаменитая «Потсдамская картофелина».
Шар, эллипсоид, геоид
- Шар. Грубое приближение: средний радиус Земли около 6371 км.
- Эллипсоид. Земля вращается и поэтому сплюснута у полюсов: экваториальный радиус около 6378 км, полярный около 6357 км. Разница — порядка 21 км. Для карт и навигации принят эллипсоид, на котором работает система GPS.
- Геоид. Реальная поверхность уровня силы тяжести. От эллипсоида он отличается не больше чем на сотню метров: примерно от −100 м в Индийском океане к югу от Индии до +80 м и более на севере Атлантики и около Новой Гвинеи.
Эти отклонения малы на фоне размера планеты, но для измерений высот они существенны: именно от геоида отсчитывается «высота над уровнем моря».
Почему геоид неровный
Сила тяжести на разных участках поверхности слегка различается («Тяготение»). Причина — неравномерное распределение масс внутри планеты: горы и плотные породы притягивают чуть сильнее, в районах с дефицитом массы вода «стекает» в провал, и уровень геоида там ниже. Вклад дают не только горы на поверхности: плотность вещества мантии неоднородна, а погружающиеся плиты («Литосфера») и сам состав недр («Состав Земли») меняют гравитационное поле. Причины некоторых крупных «впадин», например в Индийском океане, остаются предметом обсуждений.
Геоид не следует рельефу напрямую: впадина геоида не обязательно лежит там, где глубже океан.
Как измеряют
Раньше форму Земли определяли по наземным измерениям силы тяжести и отвесу. Сегодня основная часть данных приходит со спутников: - GRACE (NASA и немецкий центр DLR, запущен в 2002 году) и преемник GRACE-FO (2018) — пара спутников, расстояние между которыми измеряется очень точно: когда первый подлетает к области с повышенной массой, расстояние слегка меняется (NASA: GRACE). - GOCE (Европейское космическое агентство, запуск 17 марта 2009 года, работа до 11 ноября 2013 года) — спутник на очень низкой орбите, около 260 км, где поле Земли сильнее. По данным ЕКА, точность построенного геоида составила 1–2 см (ESA: GOCE).
Картинку «Потсдамская картофелина» (Potsdam Gravity Potato) подготовил Исследовательский центр наук о Земле GFZ в Потсдаме по спутниковым данным. Неровности на ней сильно увеличены, иначе их бы не было видно: в реальности геоид отличается от гладкого эллипсоида на сотню метров при радиусе в тысячи километров.
Зачем это нужно
- Высоты. Спутниковая навигация даёт высоту над эллипсоидом, а на картах и в строительстве нужна высота над уровнем моря. Перейти от одной к другой помогает модель геоида.
- Течения. Разница между реальным уровнем моря и геоидом показывает, куда направлены океанские течения.
- Лёд и вода. Повторные измерения GRACE показывают, как меняется масса ледников и запасы подземных вод.
- Недра. Карта поля тяжести помогает изучать строение мантии и коры.
Форма геоида меняется очень медленно, но не постоянна: таяние ледников и движение вещества в мантии понемногу перераспределяют массу («Эволюция Земли»). Приливы, которые поднимают воду дважды в сутки, в геоид не входят («Приливы»).