Геоид — истинската физична форма на Земята: дефиниция и обяснение

Научете какво е геоид — истинската физична форма на Земята: ясна дефиниция, визуални обяснения и значение за геодезията и практичните измервания.

Геоидът е форма, подобна на повърхността на Земята. Той е триизмерна геометрична форма, подобна на портокал. Форми от този вид се наричат обли сфероиди, които са вид елипсоиди.

Геоидът обаче е много специален вид плосък сфероид. Той се определя по следния начин:

Геоидът е формата, която повърхността на океаните би придобила само под влиянието на гравитацията и въртенето на Земята, при отсъствието на други влияния като ветрове и приливи.

Той е дефиниран от Гаус през 1828 г. Често се описва като истинската физическа форма на Земята. Изследването на измерванията и формите на Земята се нарича геодезия.

За много практически цели се използва по-опростена форма, тъй като това улеснява изчисленията. Тази форма се нарича референтен елипсоид. В основното образование формата на Земята се описва като портокал - сфера, но по-широка около екватора. Тази форма се получава при всички небесни въртящи се сфери, като звездите и планетите. Детайлите се различават донякъде във всеки отделен случай.

Какво представлява геоидът технически?

Геоидът е еквипотенциална повърхнина на земното гравитационно поле — т.е. повърхнина, над която потенциалът на тежестта е еднакъв. Именно тази повърхнина съвпада с средното ниво на океанската повърхност (средно морско ниво), продължена под континентите. За разлика от математическия елипсоид, геоидът има сложни издутини и вдлъбнатини, обусловени от вариации в плътността и масовите аномалии в недрата и кората на Земята.

Геоидни издутиня и височини

Разликата между референтния елипсоид и геоида в дадено място се нарича геоидна височина (понякога "геоидно изместване"), обикновено означавана с N. Тази стойност може да бъде положителна (геоидът е над елипсоида) или отрицателна. В глобален мащаб разликите са значителни — редовно се срещат стойности до порядъка на няколко десетки метра, а в някои области и до около ±100 метра. Локалните вариации могат да бъдат още по-фини и важни за точни измервания.

Връзка с височинните системи

В практиката се използват няколко различни понятия за височини:

• Елипсоидна височина (h) — височината по GNSS (например GPS) спрямо референтния елипсоид.
• Ортометрична височина (H) — класическата "височина над морето", измерена спрямо геоида (ортометричната височина е тази, която най-често се използва при карти и инженерни проекти).
• Геоидна височина (N) — разликата между елипсоидната и ортометричната височина: N = h − H.

Как се определя геоидът?

Изграждането на геоидни модели комбинира няколко типа наблюдения:

• Гравиметрични измервания от земята и кораба — дават локална информация за гравитацията и масовите аномалии.
• Спътникови гравитационни мисии (напр. GRACE, GOCE) — осигуряват данни за глобалното гравитационно поле.
• Радиолокационна и лазерна алтиметрия от спътници над океаните — измерват височината на морската повърхност относно спътниковата орбита и помагат за определяне на средното морско ниво и динамичната топография.
• Класическо нивелиране, комбинирано с GNSS — позволява прецизно свързване на елипсоидните височини с локални нивелни мрежи и ортометрични височини.

Комбинирането на тези данни води до глобални и регионални геоидни модели (напр. EGM серията), които дават стойности на N за всяка точка на земната повърхност.

Геоид срещу референтен елипсоид

Референтният елипсоид е математическа, гладка форма, удобна за картографиране и координатни системи. Той е опростен модел, по който се дефинират геодезическите координати (географска ширина, дължина и елипсоидна височина). Геоидът от своя страна е физически обусловена повърхнина и е по-подходяща за определяне на "истинските" височини над морето. В практиката се използват и двете: елипсоид за координати и изчисления, и геоид за височини и инженерни приложения.

Приложения и защо е важен геоидът

• Определяне на реални височини за строителство, инженерни проекти и управление на водни ресурси.
• Картография и системи за позициониране — свързване на GNSS височини с ортометрични височини.
• Океанография — изучаване на средното морско ниво, динамичната топография и теченията.
• Геофизика — локализиране на масови аномалии и проучване на структурата на Земята.
• Навигация и инфраструктура — гарантиране на съвместимост между различни височинни референции.

Кратка историческа бележка

Както е посочено, понятието е формализирано от Гаус през 1828 г. Развитието на точното картографиране, гравиметрията и по-късно спътниковите технологии доведе до съвременни прецизни геоидни модели, които се прилагат ежедневно в науката и практиката.

Практически съвети

За неквалифициран потребител е важно да се знае, че когато получавате височина от GPS устройство, обикновено тя е елипсоидна (h). За да получите "височина над морето" (H), трябва да приложите локална стойност на геоидната височина N: H = h − N. За точни инженерни задачи използвайте официални регионални геоидни модели и консултирайте се с геодезист.

Геоидът е сложен, но фундаментален концепт за разбиране на истинската физична форма на Земята и точните височини — свързва науката за гравитацията, океанографията и практическата геодезия.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява геоидът?

В: Как се определя геоидът?

В: Кой и кога е определил геоида?

В: Какво представлява геодезията?

В: Защо да се използва референтен елипсоид вместо геоид?

В: Как се описва формата на Земята в основното образование?

Въпрос: Има ли подобни на геоида форми в други небесни сфери, които се въртят?

Търсене по буква