Поняття про форму і розміри Землі.

Форма і розміри Землі мають важливе наукове та практичне значення. Дані про форму і розміри Землі використовуються при запуску штучних супутників Землі і ракет, у картографії, морській та аеронавігації, радіозв'язку, при розвідці корисних копалин тощо.

Крім того, дані про форму і розміри Землі необхідні таким наукам, як географія, геологія, геофізика, астрономія, метеорологія та іншим.

У старовину, до часів Піфагора (VI ст. до н.е.), Землю вважали плоскою і думали, що вона тримається на підпорах.

Спостерігаючи за місячними затемненнями, за виглядом земної тіні на диску Місяця та іншими явищами природи, вчені прийшли до висновку, що Земля має форму кулі.

Вперше обґрунтовано розміри Землі були визначені олександрійським вченим Ератосфеном ще в III ст. до н. є.

З оповідань провідників караванів Ератосфен встановив, що шлях з м. Сієна (нині м. Асуан) до Олександрії лежить у напрямку полуденної тіні (ці міста знаходяться приблизно на одному меридіані) і що відстань між ними дорівнює 5000 стадіям *.

Із спостережень він встановив, що в період літнього сонцестояння опівдні в глибоких криницях Сієни видно відображення Сонця, тобто Сонце в Сієні знаходиться в зеніті, а в Олександрії в той же самий час Сонце не доходить до зеніту на кут а=7° 12'. З мал. 3.1. видно, що віддалення Сонця від зеніту в Олександрії дорівнює різниці широт а=ф₂-ф₁ Олександрії і Сієни, тобто дорівнює центральному кутові, який стягує дугу по меридіану між цими містами, а саме:

звідки

Радіус земної кулі, вирахуваний Ератосфеном, дорівнює 6 840 км.

Знаючи радіус земної кулі, можна обчислити довжину дуги великого кола (меридіану або екватора) і його дуги в один градус.

До кінця XVII ст. вчені вважали, що Земля має форму кулі. У другій половині XVII ст. вчений І.Ньютон вперше на основі закону всесвітнього тяжіння висловив думку про те, що геометрична форма Землі є результатом дії двох сил: сили земного тяжіння та відцентрової сили. Звідси вчений зробив висновок про те, що Земля відрізняється за своєю формою від кулі і являє собою тіло, яке сплюснуте на полюсах і розтягнуте по екватору. Подальші дослідження показали, що Земля являє собою тіло неправильної геометричної форми.

Мал.23. Визначення радіуса Землі в III ст. до н.е.

Її фізична поверхня, особливо поверхня суші, дуже складна і не може бути виражена будь-яким математичним рівнянням. Для вирішення деяких практичних завдань необхідно мати таку математичну поверхню, яка найкращим чином відповідала б дійсній формі Землі.

Говорячи про фігуру Землі, мають на увазі не фізичну її поверхню зі всіма нерівностями (горами, низинами тощо), а деяку уявну поверхню океанів і відкритих морів, подумки проведену під материками.

Уявну поверхню Світового океану називають рівневою поверхнею, а фігуру Землі, обмежену такою поверхнею, - геоїдом. Геоїд у буквальному розумінні означає "землеподібний".

За своєю формою геоїд хоча і є неправильною геометричною фігурою, однак дуже мало відрізняється від еліпсоїду обертання, тобто правильного геометричного тіла, яке утворюється обертанням еліпса навкруги його малої осі (мал. 24). Відходження по висоті точок поверхні геоїда від поверхні еліпсоїда характеризується в середньому величиною від 50 м до 150 м (мал. 25). Такі розходження настільки незначні порівняно з розмірами Землі, що на практиці її форму приймають за еліпсоїд, який називають земним еліпсоїдом, або сфероїдом. Еліпсоїд підбирають певних розмірів і розміщують його на тілі геоїду таким чином, щоб його поверхня в межах окремої території, тобто території держави, найближче підходила до поверхні геоїду.

Розміри земного еліпсоїду визначалися багатьма вченими різних країн (у Франції - Деламбром в 1800 році, у Німеччині - Бесселєм в 1841 році, в Англії - Кларком у 1866 році, в США - Хейфордом у 1910 році). Однак єдиних для всіх країн розмірів земного еліпсоїду до теперішнього часу не визначено.

До 1946 року при створенні карт і визначенні геодезичних координат пунктів користувалися розмірами еліпсоїду, одержаними Бесселєм. Однак наукові дослідження, виконані вченими в 1940 році під керівництвом видатного вченого-геодезиста Красовського Ф.Н. (1878-1948), показали, що розміри еліпсоїду Бесселя недостатньо точні.

Мал. 24. Еліпс і його елементи.

Мал. 25. Фігура Землі:

геоїд і земний еліпсоїд(сфероїд)

У результаті обробки матеріалів численних градусних вимірювань, виконаних на територіях багатьох країн світу, а також, використавши матеріали визначення сили тяжіння, були одержані найбільш точні розміри земного еліпсоїда, названого еліпсоїдом Красовського, який має наступні характеристики:

· велика піввісь (радіус екватора) 6 378 245 м;

· мала піввісь (відстань від полюса до площини екватора) 6 356 863 м;

· полярне стиснення 1 : 298,3;

· довжина меридіану 40 008 548 м;

· довжина екватора 40 075 704 м.

3 цих даних видно, що вісь обертання Землі менша діаметру земного екватора приблизно на 43 км. Тому в деяких випадках для вирішення практичних задач, які не потребують особливої точності, фігуру Землі приймають за кулю, радіус якої дорівнює приблизно 6 371 км, а вся поверхня - близько 510 млн. кв. км.

На земній кулі (еліпсоїду) визначають наступні основні точки і лінії (мал. 26).

Мал. 26. Основні точки і лінії на земній кулі

Кінці земної осі, навколо якої обертається Земля, називають географічними полюсами - північним (Р) і південним (Р1). Площина, яка перпендикулярна до осі обертання Землі і яка проходить через її центр, називається площиною земного екватора. Ця площина перетинає земну поверхню навпіл і називається екватором (ЕЕ1). Екватор розподіляє Землю на дві півкулі - північну і південну. Лінії перетину земної поверхні площинами, паралельними площині екватора, називаються паралелями, а лінії перетину поверхні Землі вертикальними площинами які проходять через земну вісь, - географічними, або істинними меридіанами.

2. Топографічні план та карта

Розгорнути кулеподібну поверхню Землі на площину без розривів і складок неможливо, тому материки, острови та інші частини земної поверхні можуть бути зображені з повним збереженням подібності лише на глобусі. Однак зображення земної поверхні з усіма подробицями вимагає створення таких великих глобусів, що, практично, користування ними було б неможливим. Тому земну поверхню зображають на площині, тобто на аркушах паперу, заздалегідь припускаючись при цьому деяких викривлень.

Тільки невеликі ділянки земної поверхні можна вважати плоскими і без помітних викривлень зобразити на папері, зберігаючи при цьому повну подібність місцевості.

Зменшене і докладне зображення на площині невеликої ділянки місцевості називається топографічним планом або просто планом.

Однак на папері потрібно зображати не невеликі, а значні території земної поверхні, що неможливо зробити без врахування сферичності Землі.

Зменшене зображення земної поверхні або окремих її частин, виконане на площині за певним математичним законом, і яке показує розміщення, поєднання та зв'язки природних і суспільних явищ, називається картою. Якщо ступінь зменшення на карті буде менше одного мільйона, то карта буде називатися топографічною.

Топографічні карти покривають значні площі земної поверхні і складаються окремими аркушами. Окремий же аркуш такої карти зображує порівняно невелику ділянку місцевості (приблизно від 70 до 1 200 км²), що складає незначну частину всієї земної поверхні. Завдяки цьому спотворення в межах такого аркуша карти отримують непомітні і їх можна практично вважати планом, який зберігає повну подібність і чіткі обриси місцевості.

Суттєвими особливостями карти є її наочність, вимірність і висока інформативність.

Під наочністю карти мають на увазі можливості зорового сприйняття просторових форм, розмірів і розташування зображених об'єктів. Найбільш важливе і суттєве на карті виділяють при її створенні на перший план, аби воно легко читалося. Карта являє собою, таким чином, наочну зорову модель місцевості.

Вимірність - властивість карти, тісно зв'язана з математичною основою, яка забезпечує можливість з точністю, що припускає масштаб карти, визначити координати, розміри об'єктів місцевості тощо.

Інформативність - це властивість карти отримувати відомості про зображені об'єкта чи явища. Жодний текстовий чи графічний документ не може забезпечити так швидко і з такими вичерпними подробицями, як карта, отримання відомостей про розташування та особливості зображених об'єктів та явищ.

Карти між собою відрізняються за змістом та оформленням.

Зміст топографічних карт повинен бути повним, вірогідним, сучасним і точним.

Повнота змісту карти полягає в зображенні всіх типових рис та характерних топографічних елементів, які відображають тактичні властивості місцевості відповідно до масштабу карти та її призначення.

Вірогідність та сучасність полягає у відповідності змісту карти місцевості на момент використання карти. Ці вимоги військ задовольняються періодичним оновленням карт у мирний час, а також їх оперативним виправленням за даними розвідки місцевості.

Точність карти полягає у збереженні точності розташування, геометричної подібності та розмірів топографічних елементів місцевості відповідно до масштабу карти та її призначення.

До тематичних карт належать карти, основний зміст яких визначається конкретно зображеною темою. На них з великою детальністю зображуються окремі елементи місцевості або наносяться спеціальні дані, не показані на загальногеографічних картах.

Прикладом тематичних карт можуть бути оглядово-географічні, геологічні та інші типи карт. До тематичних відносять і спеціальні карти. Вони призначаються для вирішення конкретних завдань і для певного кола користувачів. їх зміст має більш вузький напрямок.

Карти з даними про поверхню дна морів, океанів та інших водоймищ називаються морськими навігаційними картами.