Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 0.57 Mb.
|
| КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 300500 «Космическая геодезия» Литература
, 1.1. Геодинамические задачи в геодезии Задачи геодинамики. Геодинамика – научная дисциплина о динамических процессах, происходящих в системе «планета Земля», и о силовых полях, обуславливающих эти процессы. Основная теоретическая задача геодинамики состоит в том, чтобы, зная силовые поля, определять характер динамических процессов, происходящих под их воздействием, в теле, литосфере, и атмосфере Земли. Геодинамика, изучая динамику Земли, отчасти решает задачу определения характера силовых полей и их изменений во времени. Исходным материалом для изучения динамики Земли служат данные о фигуре (физической, гравитационной и динамической), внутреннем строении, литосфере, гидросфере и атмосфере Земли, солнечно-земные и лунно-земные связи, геогравитационное, геомагнитное, геотермическое и другие геофизические силовые поля, суточное вращение и годовое движение Земли. Для решения геодинамических задач требуется единая система отсчета – система геодезических координат ECRF и отсчета времени. Геодинамика как самостоятельная научная дисциплина развивается на стыке астрометрии, геодезии, геологии, геофизики, океанологии и других наук о Земле. В настоящее время совершенно ясно, что твердая, водная и воздушная оболочки Земли должны рассматриваться как единая динамическая система Земля- Космос, непрерывно изменяющаяся во времени. Наиболее стабильная часть этой системы – твердая оболочка Земли – тоже заметно меняет свою форму, в особенности на дне Мирового океана [1]. , Рис. 1. Новая глобальная тектоника (тектоника литосферных плит) предполагает, что литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются по астеносфере, в горизонтальном направлении. Близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и расходятся в стороны (спрединг); в глубоководных желобах одна плита подвигается на другую (субдукция) и поглощается мантией. Там, где плиты сталкиваются между собой, возникают складчатые сооружения [БЭС]. Карта HartRAO. Термин «Космическая геодезия» можно определить как «решение геодезических задач по наблюдениям искусственных и естественных небесных тел». Если тела включают искусственные спутники, то говорят о Спутниковой Геодезии. Таким образом, содержание термина Спутниковая Геодезия несколько уже, чем термина Космическая геодезия. В последнем случае используются также очень далекие космические тела (квазары, радиогалактики) и более близкие естественные тела Солнечной системы [12]. Поэтому в космической геодезии встречаются такие термины, как «планетодезия» или «планетарная геодезия», «селенодезия» и др. В зависимости от природы решаемых задач, с которыми приходится иметь дело, различают «Физическую Космическую Геодезию» и «Геометрическую Космическую Геодезию», хотя между ними нет четкой разграничительной линии. Содержание термина «Космическая геодинамика» можно определить как «решение проблем геодинамики из наблюдений искусственных и естественных небесных тел» Очевидно, что Космическая геодинамика очень близка к Космической геодезии, поскольку природа или наблюдаемые космические объекты очень часто являются общими. Поскольку нет четкой разделительной линии между этими двумя дисциплинами, то они должны интерпретироваться и изучаться совместно. Содержание термина «Геодинамика» конечно, значительно шире, чем у термина «Космическая геодинамика». Геодинамика описывает состояние тела Земли под действием силовых полей. Возможно, этот термин впервые был использован Скиапарелли в его лекции «Вращение Земли под влиянием действий геологических факторов», которую он написал в Пулковской обсерватории в 1889 г. по случаю своей 50-й годовщины. Он говорил о свободной Эйлеровской нутации, твердой Земле и о влиянии геологических процессов на вращение Земли. В 1911 г. Лява использовал этот термин в заголовке своей книги «Некоторые проблемы геодинамики, посвященной проблеме земных приливов, свободных колебаний гравитирующих сжимаемых планет и проблеме изостатической компенсации. Содержание термина «Геодинамика», было возможно, определено Мельхиором в его лекции «Геодинамика, точка встречи Астрономии, Геодезии и Геофизики», прочитанной в 1973 г. на Потсдамском симпозиуме по динамике системы Земля-Луна-Солнце динамике земных приливов, свободным колебаниям гравитирующих, сжимаемых планет как способных деформироваться и искусственных спутников Земли как индикаторов действующих сил. С учетом этого, теперь входные данные для геодинамики обеспечивают кроме наблюдений ИСЗ еще и РСДБ и ЛЛЛ, а определение Мельхиора соответствующим образом расширено. Основами являются, таким образом, орбитальное вращение и динамика приливов в системе Земля-Луна-Солнце, частные проблемы часто имеют дело более или менее раздельно, а именно: динамика вращения Земли, динамика земных приливов, динамика тела Земли, динамика фигуры Земли, геопотенциал и его дериваты. Космическая геодинамика включена в ряд научных дисциплин, как например, в космическую геодезию, геофизику, физику атмосферы, физику океанов и морей, геохимию, геологию и гидрологию [12]. Историческая эволюция исследований по фигуре Земли в доспутниковую эру Проблема определения фигуры Земли, особенно фундаментального параметра, определяющего ее форму в виде полярного сжатия , имеет исключительное значение в границах спектра проблем Космической Геодезии. Идея сферической Земли возникла во времена Пифагора (582-600 г. д.н.э.) и Аристотеля (384-322 до РХ). Происхождение этой идеи основывалось на форме тени Земли во время солнечных затмений. Продолжалось это почти в течение 20 столетий, до второй половины 17 в., когда в этом начали сомневаться. Ньютон и Гюйгенс. Ньютон (1643-1727), его книга «Математические начала натуральной философии», доказал, что Земля сжата у полюсов, величина сжатия при условии, что Земля жидкая внутри 1/230. Модель Ньютона базировалась на условии о гидростатическом равновесии равномерно вращающейся однородной жидкости. На рис. 2 показана исходная фигура (Ньютон, 1687), которую он использовал для объяснения условия равновесия. Давления на дне жидкого столба, ориентированного вдоль оси вращения (полуось b)  (1.1)а для столба в экваториальной плоскости (полуось а)  (1.2)должны быть равными; - угловая скорость вращения Земли, g() – ускорение силы тяжести в изменяющемся (переменном) элементе dm(d) c геоцентрическим радиус-вектором , - постоянная, определяемая как d=dm, которая содержит плотность тела вращения.  Рис. 2. Фигура Ньютона, иллюстрирующая фундаментальный принцип определения сжатия идеальной однородной Земли в состоянии гидростатического равновесия. Уравнение  подразумевает условие . (1.3)Уравнение (1.3) можно интерпретировать через понятия физики как равенство гравитационных потенциалов на граничной поверхности на экваторе (а) и на полюсе(b):  где W0 – гравитационный потенциал в геоцентре.  Эта интерпретация была представлена М.И. Юркиной. [пропущено]. Ньютон рассматривал функцию от () линейной, что применимо только к однородной сфере:  (1.4)где gp, ge –ускорения силы тяжести на полюсе (=b) и на экваторе (=а). С учетом (1.4) условие (1.3) можно записать как  , (1.5)или  , (1.6)то есть  ; (1.7)где  (1.8)представляет отношение центробежного и гравитационного ускорения на экваторе. Что касается отношения  для тела с малым сжатием, то Ньютон применил выражение [не докончено]Клеро (1713-1765) связал форму Земли с геофизическими параметрами (Teorie de la figure de la terre) Первый, кто высказал мысль о том, что эллипсоид может не представлять тело Земли достаточно точно, был Бошкович (1711-1787). Лаплас (1749-1827) представил общее выражение геопотенциала в ряд по сферическим гармоникам и начал разрабатывать теорию приливов, хотя это уже было у Ньютона. Трехосный эллипсоид был предложен Шубертом (1789-1865) в 1859. В 1873 г. Листинг (1808-1865) ввел концепцию геоида. Квазигеоид Молоденского в 1945 г. Эволюция космической геодезии и космической геодинамики Хотя космиеская геодезия считается новой дисциплиной, исследования из предыдущего столетия и даже более ранние, содержание которых соответствует этой новой отрасли науки, Маклорен (1698-1746) показал, что сжатие Земли можно определить из орбит спутников Земли. Эйлер в 1768 г. – об определении формы и размеров Земли по наблюдениям Луны с пунктов на одном меридиане. Лунные методы Гельмерт, Михайлов, Банахевич, Марковиц О’Киф По спутникам – Э. Бухар в 1957 г. Вяйсяля – 1946 г. – метод звездной триангуляции. Проект Жонголовича для глобальной сети в форме многогранника с 12 вершинами. РСДБ – с 1978 г. регулярные измерения, пробные в Канаде в 1967 г. МСВЗ – с 1988 РСДБ, ЛЛЛ, ЛЛС – три центра. МГС – с 1994 г. Международная служба вращения Земли и референцных систем Основные задачи Международной службы вращения Земли (МСВЗ) - обеспечение мирового научного и технического сообщества параметрами ориентировки Земли (ПОЗ, Earth Orientation Parameters, EOP), а также реализация, использование и внедрение в практику идеальных международных земных (ITRS) и небесных (ICRS) систем отсчета. МСВЗ работает под эгидой Международной ассоциации геодезии (МАГ) и во взаимодействии с Международным астрономическим союзом (МАС) [IERS, 1995]. МСВЗ имеет Центры анализа для каждого из различных космических геодезических методов, включая РСДБ, ЛЛС, ЛЛЛ, Doris, Prare и GPS. Центральное бюро МСВЗ объединяет результаты, распространяет информацию о параметрах ориентировки Земли (ПОЗ), поддерживает небесную (ICRF) и земную (ITRF) системы отсчета (см. главу 3). Системы отсчета МСВЗ, как ICRF, так и ITRF реализуются в соответствии со стандартами МСВЗ [IERS 1996]. Стандарты МСВЗ состоят из постоянных и моделей, используемых Центрами анализа. Стандарты основаны на состоянии знаний в области обработки геодезических данных и моделей вращения Земли и могут отличаться от принятых стандартов МАГ и МАС, как, например, параметры прецессии и нутации. Система отсчета ICRF реализуется через каталог компактных внегалактических радиоисточников, ITRF – через каталог координат и скоростей станций. Информация о МСВЗ обеспечивается через Интернет из Центрального бюро МСВЗ, расположенного в Парижской обсерватории и Суб-бюро Быстрой Службы и прогнозов МСВЗ, расположенного в Морской обсерватории США в Вашингтоне. МСВЗ состоит из трех специализированных центров: - координационный центр по РСДБ при НГС в шт. Мэриленд, который обрабатывает наблюдения внегалактических источников мировой сетью РСДБ - центр по ЛЛС при Университете шт. Техас в Остине, где обрабатываются наблюдения геодинамических спутников, - центр по ЛЛЛ при обсерватории Грасс (Франция). Госстандарт России В СССР и затем в России определение ПВЗ входит в задачи Госстандарта СССР (РФ), который выводит, прогнозирует и публикует свои значения ПВЗ, несколько отличающиеся от системы МСВЗ. Для вывода ПВЗ Госстандарт России использует радиодальномерные (фазовые) наблюдения спутников ГЛОНАСС, доплеровские наблюдения спутника Гео-ИК и данные астрооптических наблюдений обсерваторий России, Украины, Узбекистана, Болгарии, Польши, Чехии, Словакии и Югославии. Международная GPS служба Всесторонняя информация, включающая точные эфемериды, параметры часов спутников и другие данные, обеспечивается Информационной системой Центрального бюро (ИСЦБ) Международной GPS службы для геодинамики (МГС), находящейся при Лаборатории реактивного движения (JPL). Система ИСЦБ доступна через Интернет и предлагает данные через протокол FTP. Международная GPS служба (МГС, первоначальное название Международная служба GPS для геодинамики) является международной научной службой, которая официально начала действовать с 1 января 1994 г. после нескольких лет исследований и опытно-поисковых работ. МГС собирает, архивирует и распределяет данные наблюдений ГЛОНАСС/GPS-приемниками и использует их для расчета высокоточных эфемерид спутников СРНС, параметров вращения Земли (совместно с МСВЗ), координат и скоростей станций слежения МГС в системах ITRF. МГС также сообщает данные о часах станций слежения и спутников СРНС, а также информацию об ионосфере и тропософере. МГС состоит из сети станций наблюдений, Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета (рис. 3) [Одуан и Гино 2002]. , Рис. 3. Организация Международной GPS службы [http://igscb.jpl.nasa.gov]. Точность продуктов МГС достаточна для поддержки текущих научных целей, включая реализацию систем координат ITRF, мониторинг вращения Земли и деформации ее твердой и жидкой компонент (табл. 1), причем эта точность постоянно повышается. Таблица 1. Характеристики точности продуктов МГС
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
