2. Загальна характеристика сил, які діють на поверхні Землі.

На матеріальну точку діють сила тяжіння Землі та відцентрова сила, що виникає внаслідок добового обертання Землі. Крім того, матеріальну точку притягують небесні тіла (в основному – Луна та Сонце). При цьому сила тяжіння Луни складає 10-мільйонну частину земного тяжіння, а тяжіння Сонця – і того менше. Тому силу тяжіння небесних тіл враховують в самих високоточних визначеннях.

Всім тілам на поверхні Землі сила тяжіння надає при їх вільному падінні прискорення (g), що складає 9,81 м/с2. Ще Ньютон зробив висновок, що сила тяжіння тотожна із силою взаємного тяжіння, яка діє між всіма тілами Всесвіту. Всі тіла притягуються одне до одного із силою прямо пропорційною добутку мас цих тіл і обернено пропорційною квадрату віддалі між ними:

де F —сила, m1 m2 —маси, G – гравітаційна стала, що складає 6,67×10-11М3с2кг.

Сила тяжіння – це рівнодійна сил притягання і відцентрової. Під впливом сили тяжіння всі маси Землі зазнають прискорення сили тяжіння. За одиницю сили тяжіння в системі СІ прийнят ньютон, що рівний силі, яка надає масі в 1 кг прискорення 1 м/с2. Відцентрова сила максимальна на екваторі і нульова на полюсах. Сила тяжіння на екваторі мінімальна, а на полюсах максимальна. Внаслідок цього відбувається деформація рівневої поверхні, її опускання біля полюсів і підняття біля екватора, а перетікання мас, що відбувається разом з цим, посилюють цей ефект, збільшуючи силу тяжіння біля полюсів і зменшуючи її біля екватора. Загальна дія цих факторів змінює силу тяжіння від полюса до екватора на величину 1/89. Повна зміна сили тяжіння від екватора до полюса складає 0,052 м/с2. З висотою сила тяжіння зменшується, а з глибиною зростає на кожні 100 м на 0,225 м/с2. Але навіть в одній і тій же точці прискорення непостійне – воно змінюється періодично, то збільшуючись то зменшуючись. Це залежить від сил притягання Місяця і Сонця. Максимальні зміни сили тяжіння досягають від притягання Місяця 0,001645 м м/с2 і Сонця 0,0007576 м м/с2. Максимальний сумарний ефект складає 0,0024 м м/с2 коли світило знаходиться в зеніті, над даною точкою виникає приплив (сила тяжіння зменшується). Найбільші підняття рівневої поверхні під дією Місяця досягають 35,6 см, найбільші опускання – 17,8 см. Під дією Сонця найбільші підняття становлять 16,4 см, найбільші опускання – 8,2 см. Під час положення Землі, Сонця і Місяця на одній лінії амплітуда переміщень рівневої поверхні може сягнути 78 см.

Важливим є те, що сила тяжіння на земній поверхні – її величина та напрямок – залежить від геоцетричної відстані та радіуса паралелі матеріальної точки, а також від розподілу мас в тілі Землі. Звідси можна зробити висновок, що, вимірявши силу тяжіння по всій земній поверхні, напевно можна дослідити фігуру Землі та закономірності розподілу мас в її тілі.

Таким чином, Земля безперервно пульсує. Тому відбуваються океанські припливи.

3. Властивості поверхні Землі на основі геометричного, фізичного та астрономічного методу досліджень.

Фізична геодезія - частина вищої геодезії, у якій розглядаються методи вивчення фігури Землі як фізичного й геометричного тіла на основі законів механіки й даних - результатів геодезичних, гравіметричних й астрономічних вимірів. До фізичної геодезії відносять питання використання геодезичних даних для вивчення деформації земної поверхні та внутрішньої будови Землі як фізичного тіла.Під загальною фігурою Землі практично розуміється еліпсоїд обертання, що максимально наближається до загального земного еліпсоїда. Під дійсною фігурою Землі розуміють фізичну поверхню на суші й необуреній поверхні води океанів і морів. Дійсна фігура Землі - фізична земна поверхня - визначається координатами кожної її точки в обраній системі. Достатньо визначати просторові координати X, У, Z або геодезичні - В, L і Н окремих точок, рівномірно розташованих на земній поверхні

Першим, хто прийшов до висновку про кулястість Землі, був Піфагор. Вимірювання на земній поверхні для визначення радіуса Землі, постановка й виконання градусних вимірів до кінця XVII ст. виходили з того, що Земля - куля й, отже, задача зводилася до визначення радіуса земної кулі. Для цього періоду вивчення форми Землі характерний також геометричний шлях рішення задачі, тобто визначення радіуса Землі на підставі найпростіших геометричних залежностей між радіусом і вимірюваними безпосередньо на земній поверхні дугами. Застосовувалися й інші шляхи рішення задачі, засновані на геометричних побудовах. Нова епоха у вивченні фігури Землі почалася після відкриття Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Ньютон теоретично прийшов до висновку, що Земля повинна мати форму еліпсоїда, стислого по полюсам. З підтвердженням теорії Ньютона з еліпсоїдальності Землі почався новий етап у розвитку знань про фігуру Землі. В основу наукових вишукувань були покладені два методи вивчення фігури Землі - геометричний і фізичний.

Принцип геометричного методу залишився той же, за винятком того, що для висновку земного еліпсоїда виникла необхідність визначати, числові значення двох його параметрів, наприклад великої півосі а й стиску α; отже, мінімально необхідне число рівнянь градусних вимірів стало рівним двом. Геометричний метод визначення фігури Землі ілюструється формулою

У фізичному методі використовується сила тяжіння. З відкриттям Ньютоном закону всесвітнього тяжіння стало можливим розглядати питання про форму Землі в цілому як фізичну задачу рівноваги рідкого або в’язкого обертаючого тіла, всі частки якого взаємно притягаються за цим законом. Відцентрова сила залежить від швидкості обертання Землі й відстані від даної точки до осі обертання. Таким чином, зміна сили тяжіння залежить від зміни дії відцентрової сили. Чим далі земна поверхня від осі обертання, тим сильніше вплив відцентрової сили,і тим більше змінюється сила тяжіння, відповідно змінюється форма поверхні. Звідси можна дійти висновку про залежність фігури Землі від значень сили тяжіння на її поверхні.

Сила тяжіння на земній поверхні - її величина й напрямок - залежить від розподілу мас усередині Землі; отже, і фігура Землі залежить від розподілу густини речовини, що складає Землю.

Таким чином, по двох незалежних шляхах визначення форми Землі - геометричному, заснованому на використанні результатів виміру геометричних елементів поверхні Землі (довжин ліній, кутів і напрямків), і фізичному, заснованому на вимірі прискорення сили тяжіння на земній поверхні, отримали єдиний висновок, що фігура Землі за формою досить близька до еліпсоїда обертання, але не збігається з ним.

Паралельно з розвитком теорії фігури Землі на основі використання результатів визначення сили тяжіння розвивалися градусні виміри у вигляді великих астрономо-геодезичних мереж. Точність кутових, лінійних й астрономічних визначень систематично росла, ставали неприпустимими виникаючі розбіжності у вимірах, викликані, відступом рівневих поверхонь Землі від еліпсоїда.

У XIX ст. при обробці градусних вимірів починають брати до уваги фактори, пов'язані з фізикою Землі, шляхом обчислення й введення так званих ізостатичних виправлень в астрономічні координати. Використання гіпотези ізостатичної компенсації (ізотасії) в багатьох випадках усунуло або істотно зменшило аномальні впливи нерівномірного розподілу мас у земній корі. Використання цієї теорії при обробці астрономо-геодезичних мереж показало, що вона якоюсь мірою справедлива; але безсумнівно й те, що її застосування давало можливість враховувати вплив нерівномірностей у будові земної кори завжди приблизно, причому ступінь вірогідності й точності визначення ізостатичних редукцій залишався невідомим. За таких умов математична обробка результатів астрономо-геодезичних вимірів не могла здійснюватися з необхідною строгістю й точністю.