Космические средства изучения гравитационного поля Земли

После запуска первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) возникла идея ис- пользовать их с целью определения параметров фигуры и гравитационного поля Земли. Методы спутниковой гравиметрии, основанные на существовании зависимости наблю- денных возмущений орбит ИСЗ от аномалий силы тяжести, позволили получить модель стандартной Земли и усредненное, сглаженное поле аномалий.

Спутниковая альтиметрия. Метод спутниковой альтиметрии в принципе не от- личается от радарной альтиметрии летящего самолета. На спутнике устанавливают ра- диоальтиметр, посылающий импульсы на Землю, отражение которых принимает спут- ник. Положение спутника на орбите относительно станции слежения определяют ла- зерным методом. Импульс посылается от наземной станции с известными координата- ми и возвращается уголковыми отражателями спутника. Используя новейшие лазеры, удалось достигнуть точности измерений расстояния станция - спутник, характеризую- щейся средней квадратической погрешностью в несколько сантиметров. В спутниковой альтиметрии решается обратная задача — определение расстояния от спутника до по- верхности океана по нормали. Геоид определяется как уровенная поверхность, совпа- дающая со средней поверхностью океана, невозмущенной приливами, волнами и тече- ниями.

Первые альтиметрические измерения выполнены в 1973 г. с американской косми- ческой лаборатории «Скайлэб». Более совершенная модификация радиовысотомера была установлена на геодезическом спутнике «Геос-3» (1975 г.). В 1978 г. улучшенная модель радиовысотомера на геодезическом спутнике «Сисет» обеспечила точность из- мерения высот в 0,1 м. Этот метод сейчас широко применяется для изучения океаниче- ских приливов, высоты волн, топографии поверхности мирового океана, геоида на океанах. Он позволяет определить коэффициенты разложения геопотенциала, для гар- моник высоких порядков. С его помощью уточняются параметры нормальной Земли и строятся модели ее гравитационного поля. Совместная обработка данных «Геос-3» и

«Сисет» позволила построить карту высот поверхности геоида с сечением 1 м и полу-

чить средние значения аномалий геоида по трапециям 1°х 1°; 0,5°х 0,5° и 0,25°х 0,25°.

Спутниковая альтиметрия и возможность построения детального океанического геоида позволили изучать внутреннее строение Земли по аномалиям геоида. В основе такой интерпретации лежит частотный анализ. Если поле высот геоида представить в виде ряда сферических функций, то гармоники 2-4 порядка, вероятно, отображают то- пографию границы ядро—мантия, 4—10 — аномальные плотности в нижних частях мантии. Гармоники 10—14 порядка соответствуют аномалиям плотностей средней мантии (600—2000 км). Детальные аномалии альтиметрического геоида отображают следующие особенности строения океанического дна: подводные горы, аккумуляцию осадков, рельеф фундамента и некоторые стационарные динамические эффекты вод океана (кольцевые или линейные течения). Аномалии геоида над рельефом дна зависят не только от структуры, но и от характера тектоники, возраста литосферы.

Спутниковая гравиметрия. Измерение ускорения свободного падения из-за не- однородного распределения масс Земли внутри ее физической фигуры основывается на следующих соображениях. Потенциал силы тяжести в главной своей части определяет- ся как поле, зависящее только от радиальной координаты. Сила, действующая на спут- ник, по абсолютной величине в первом приближении также зависит только от расстоя- ния и направлена вдоль радиуса, соединяющего центр тяжести Земли и центр тяжести спутника. При движении спутника изменяются расстояние относительно центра масс Земли и угловая координата, но так, что сохраняется момент инерции системы относи- тельно центра поля.

Движение спутника вокруг Земли происходит по траектории, близкой к эллипти- ческой, так что существует максимальное и минимальное расстояние от ее центра тя- жести. В этих точках поворота траекторий радиальная скорость равна нулю. Возврат траектории не означает ее замыкание. Замыкание траектории возможно только при точном совпадении потенциала Земли с потенциалом для однородного шара. Отклоне- ние от этого условия вызовет отклонение спутника, и траектория не будет замкнутой. Изменение же гравитационного потенциала по угловым координатам отражается в тра- ектории спутника, которая будет смещаться вдоль этих координат и представлять сложную незамкнутую кривую, осциллирующую около эллипса и изменяющую свое положение в пространстве. Траектория спутника за длительное время описывает слож- ную поверхность, геометрия которой тесным образом связана с геометрией эквипотен- циальной поверхности гравитационного потенциала на высоте движения спутника.

Таким образом, с большой степенью точности гравитационный потенциал можно представить по наблюдению за орбитой искусственных спутников. Коэффициенты раз- ложения потенциала связаны с распределением плотности в Земле и прежде всего с ее массой и фигурой.