Конспект лекций по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 300500 «Космическая геодезия» (стр. 1 )

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 300500 «Космическая геодезия»

Литература

1.  Космическая геодезия. Учебник для вузов.// и др. М.: Недра, 1986.

2.  Пеллинен геодезия (Теоретические основы). М.: Недра, 1978.

3.  Машимов теории геодезии М.: Недра. 1982.

4.  Физика и динамика планет. Части 1 и 2. М.: Мир. – 1975.

5.  Основы спутниковой геодезии // и др. М.: Недра. – 1974.

6.  Использование искусственных спутников Земли для построения геодезических сетей // и др. М.: Недра. – 1977.

7.  Использование оптических наблюдений искусственных спутников Земли // и др. София: изд. Болгарской акад. Наук. – 1979.

8.  Урмаев методы космической геодезии. М.: Недра. – 1981.

9.  . Глушков, геодезия: методы и перспективы развития / , , – М.: Институт политического и военного анализа. – 2002. – 448 с.

10.  Эльясберг движения по результатам измерений. М.: Наука. – 1976.

11.  , Разоренов траекторий космических аппаратов (Постановка и анализ задач). М.: Машиностроение. – 1978.

12.  Milan Burša, Jan Kostelecký. Space Geodesy and Space Geodynamics. Prague: Ministry of Defence – Topographic Department of the General Staff of the Army of the Czech Republic. – 1999. – 459 p. – Англ.

13.  Gerhard Beutler. The Role of GPS in Space Geodesy. – In book «GPS for Geodesy»

14.  Татевян докторской диссертации.

15.  , Мороз курс астрономии: Учебное пособие / Под ред. . – М.: Едиториал УРСС, 2001. – 544 с.

,

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 a, имеет исключительное значение в границах спектра проблем Космической Геодезии.

Идея сферической Земли возникла во времена Пифагора (~582-600 г. д. н.э.) и Аристодо 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 (), 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; w - угловая скорость вращения Земли, g(r) – ускорение силы тяжести в изменяющемся (переменном) элементе dm(dr) c геоцентрическим радиус-вектором r, s - постоянная, определяемая как sdr=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 . [пропущено]. Ньютон рассматривал функцию от (r) линейной, что применимо только к однородной сфере:

(1.4)

где gp, ge –ускорения силы тяжести на полюсе (r=b) и на экваторе (r=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 () 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 (). Лаплас () 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 () в 1859.

В 1873 г. Листинг () 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 () 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

Вид информации	Быстрые (прогноз)	Быстрые (обработан-ные)	Срочные данные	Окончатель-ные данные
Задержка в получении данных	Реальное время	3 часа	17 часов	13 суток
Эфемериды спутников GPS (см)	10	5	<5	<5
Поправки часов спутников GPS (нс)	5	0.2	0.1	<0.1
Координаты полюса (0.001²)	0.3	0.1	<0.1	0.05
Продолжительность суток (мкс/сут.)	0.06	0.03	0.03	<0.02
Координаты станций (в плане/по высоте, мм)	-	-	-	3/6
Скорости движения станций (в плане/по высоте, мм/год)	-	-	-	2/3
Тропосферная зенитная задержка (мм)	-	6	-	4

Для сравнения отметим, что точность бортовых эфемерид спутников GPS составляет 2 м, а точность поправки часов – 7 нс. Погрешности точных орбит спутников ГЛОНАСС равны 0.3 м.

Наблюдения на станциях МГС выполняются двухчастотными фазовыми приемниками с регистрацией P(Y)-кодовых псевдодальностей с интервалом 30 с. Сжатые и заархивированные результаты измерений хранятся в RINEX-формате.

Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS)

Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS) поддерживает архивирование данных и деятельность по их распределению для сообщества космической геодезии и геодинамики. Главными целями системы являются хранение связанных с космической геодезией и геодинамикой продуктов данных в центральном банке данных, чтобы поддерживать информацию об архиве этих данных и распространять эти данные и информацию на постоянной основе исследователям NASA и сотрудничающих институтов. Управление (штаб) CDDIS и компьютерные средства размещаются в NASA GSFC в Гринбелте (шт. Мэриленд) и частично в Лаборатории физики Земли при Управлении наук о Земле.

Система CDDIS была изначально разработана для обеспечения центрального банка данных для Проекта NASA по динамике земной коры (CDP). Система продолжает поддерживать сообщество космической геодезии и геодинамики через Программу космической геодезии NASA, а также через Предприятие по земным наукам NASA. Система CDDIS была установлена в 1982 г. как специализированный банк данных для архивирования и распространения данных по космической геодезии. В настоящее время CDDIS архивирует и распространяет данные по GPS, лазерной локации спутников и Луны, РСДБ и по системе DORIS для расширяющегося пользовательского сообщества геофизиков.

Система CDDIS работает на специальном компьютере, расположенном в Годдардовском центре космических полетов (GSFC) в Гринбелте. Все исследователи из NASA, штаб, и сотрудничающие институты имеют доступ к компьютерным средствам CDDIS через Интернет.

Система CDDIS с 1992 г. служит как глобальный центр данных для Международной GPS службы (МГС, IGS). Система поддерживает Международную службу лазерной дальнометрии, Международную службу РСДБ для геодезии и астрометрии (IVS), пилотный эксперимент по системе DORIS, предшественник Международной службы DORIS (IDS) и Международную службу вращения Земли (IERS) в качестве глобального центра данных.

Планетарные геодинамические исследования

Геодинамические явления

Прогресс геодезических средств измерений как классических, так и в особенности новейших космических исследований привел в последние годы к быстрому развитию исследований по изучению изменений во времени положений пунктов земной поверхности, элементов гравитационного поля и параметров ориентировки Земли. Геодинамика в современном виде появилась в середине 20 века на стыке геодезии, геофизики, астрономии и океанологии. Геодинамика занимается вопросами определения указанных выше изменений (которые будем называть геодинамическими явлениями), а также их физической и математической интерпретации.

Геодинамические явления будем классифицировать по их спектру в пространстве и времени (табл. 2). Будем различать следующие явления в зависимости от их проявления в пространстве:

·  Глобальные, относящиеся ко всей Земле в целом, которая при их интерпретации заменяется некоторой идеальной сравнительно однородной моделью;

·  Крупномасштабные, относящиеся к областям протяженностью 103-104 км, то есть имеющие масштабы континентов или их значительных частей;

·  Региональные, относящиеся к областям протяженностью 102-103 км;

·  Локальные с протяженностью менее 102 км.

Все явления, кроме глобальных, почти исключительно связаны с процессами, происходящими в верхней мантии и земной коре. При этом локальные явления характеризуют, в основном, процессы, происходящие в верхних слоях земной коры и на поверхности Земли, в том числе и техногенные, связанные с деятельностью человека. Принятая классификация условна, так как нередко крупномасштабные и региональные явления четко проявляют себя в пределах ограниченных зон на границах крупных блоков земной коры, и в этом случае их трудно отделить от локальных явлений. Кроме того, все более повышающаяся точность и возможности наблюдений (например, непрерывный мониторинг вместо наблюдений в отдельные эпохи) позволяют изучать явления с более высокой собственной частотой, таким образом, расширяя спектр явлений. В свою очередь это позволяет создавать более строгие модели явлений, что мы наблюдаем, хотя бы на примере IERS Conventions 1996 и 2003 годов.

Обычно выделяют следующие периоды проявления геодинамических явлений:

·  Вековые (в),

·  Долгосрочные с периодом в год или несколько лет (д),

·  Среднесрочные с периодом от полумесяца до нескольких месяцев (сезонные) (ср),

·  Краткосрочные с периодом в от суток до нескольких суток (кр),

·  Субсуточные (сс),

·  Нерегулярные, случайные (н).

Таблица 2. Геодинамические явления и их периодичность.

Геодинамические явления	Периоды их проявления
Глобальные Движение полюсов Земли Неравномерность вращения Земли Изменение положения центра масс и осей инерции Земли Релятивистские космогонические эффекты Эвстатическое изменение уровня моря Глобальные вариации геопотенциала во времени Земные и океанические приливы
Крупномасштабные Движение литосферных плит Динамические изменения поверхности морей и океанов Крупномасштабные вариации геопотенциала во времени Вариации параметров земных приливов
Региональные Региональные изменения положений точек земной поверхности Вариации величины и направления силы тяжести
Локальные Локальные движения земной коры Локальные вариации силы тяжести

Дадим краткое описание современных оценок масштабов проявления различных геодинамических процессов.

Движение полюсов. Для детального изучения явления движения полюса в 1899 г. Международная ассоциация геодезии организовала Международную службу широты (МСШ). В первые годы деятельности МСШ движение полюса определялось по непрерывным рядам наблюдений широты на станциях Мицузава (Япония), Китаб (Узбекистан), Карлофорте (Италия), Юкайя и Гейтерсберг (США), расположенных на «международной» параллели 39°08¢N. Усредненное положение истинного полюса за период с 1900 г. по 1905 г. в 1960 г. было принято за среднее положение земного полюса и названо Международным условным началом (МУН). Реальное положение МУН задавалось назначением широт станций МСШ.

В 1961 г. МСШ была реорганизована в Международную службу движения полюса (МСДП), а в 1988 г. - в Международную службу вращения Земли (МСВЗ, IERS), которая в 2003 г. была переименована в Международную службу вращения Земли и референцных систем [http://www. iers. org]. МСВЗ продолжает работу, начатую МСШ и МСДП в духе времени, расширив сеть станций, участвующих в наблюдениях, почти до 50 и привлекая новые способы наблюдений.

Одна из задач, решаемых МСВЗ, это установление координат мгновенного полюса Земли xp, yp, которые являются координатами Небесного эфемеридного полюса относительно Условного земного полюса (УЗП). УЗП обычно выбирается так, чтобы он находился недалеко от положения эфемеридного полюса, усредненного на некотором интервале времени. Ось xp направлена по нулевому меридиану МСВЗ, а ось yp - под углом 90° на запад (рис. 2.5). Средние квадратические погрешности определения xp, yp по данным МСВЗ составляют 0².0003 [IERS, 1996].