<<
>>

Связь геодезии и гравиметрии с другими науками

Б.В. Бровар, М.И. Юркина

Геодезия (от греческих слов уп — Земля и 6ашgt; — я разделяю, что можно перевести как разграничивающая Землю) — одна из наук о Земле, возникшая в глубокой древности, решение задач которой изначально носило количественный характер.

Термин гравиметрия (от латинского gravitas — тяжесть, греческого цетреси — измеряю) первоначально означал измерение удельного веса тел. С развитием других наук и техники, с изменением представлений о Земле и Вселенной, с изменением потребностей человечества изменялось и содержание главных задач геодезии и гравиметрии. Есть версия о том, что в глубокой древности из науки астрономии выделились в самостоятельные науки физика и математика. Приведем здесь их краткие характеристики.

Астрономия (от греческого aorpov — звезда и греческого торос — закон),— наука о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом. Астрономия — древнейшая наука, на ее развитие повлияли практические потребности человечества (предсказание сезонных явлений, счет времени, определение местоположения на поверхности Земли и др.). Рождение современной астрономии было связано с отказом от геоцентрической системы мира (Птолемей) и заменой ее гелиоцентрической системой (Н. Коперник), с началом телескопических исследований небесных тел (Г. Галилей) и установлением закона всемирного тяготения (И. Кеплер, начало XVII в.; И. Ньютон). Для астрономии XVIII—XIX вв. были периодом накопления данных о Солнечной системе, Галактике и физической природе звезд, Солнца, планет и др. космических тел. В XX в. стала развиваться внегалактическая астрономия. Исследования Э.П.Хабблом спектров галактик (1929) привели к выводу о разлете галактик, предсказанном в 1922 г. А.А. Фридманом. Давид Гильберт получил уравнения тяготения в общей теории относительности (ОТО), разработанной А. Эйнштейном в 1915-1916 гг.

Ж.А. Пуанкаре независимо от А. Эйнштейна построил основы специальной теории относительности. Научно-техническая революция XX в. оказала влияние на развитие астрономии в целом и астрофизики в особенности. Создание оптических и радиотелескопов с высоким разрешением, применение ракет и ИСЗ для астрономических наблюдений за пределами земной атмосферы привели к открытию целого ряда новых космических тел: радиогалактик, квазаров, пульсаров, источников рентгеновского излучения и др. Были разработаны основы теории эволюции звезд и космогонии Солнечной системы. Крупнейшим достижением астрофизики XX в. стал переход с 1 января 1998 г. на Международную Небесную Опорную Систему (ICRS), которая не связана с экватором и эклиптикой, а фиксируется относительно системы принимаемых за неподвижные в пространстве направлений на 212 квазаров, распределенных по всему небу со средней плотностью 1 квазар на 194,6 квадратных градуса.

Высокая точность слежения за положениями инструментов, с которыми наблюдаются и определяются координаты квазаров, и одновременно за параметрами вращения Земли (ПВЗ), обеспечивающими связь небесной (ICRS) и новой земной системой координат (ITRS), позволило бы успешно решать целый ряд практических задач. Однако связь с земной системой координат осложнена несовершенством теории вращения Земли.

На рис. 1.2.1 показана структура астрономии.

Теоретическая астрономия изучает движения реально существующих небесных тел и основывается на фундаментальных физических закономерностях и теориях, как части естествознания.

Астрометрия изучает взаимное расположение небесных тел в пространстве и его изменение во времени по определенным из наблюдений сферическим координатам, а также вращение Земли, определение астрономических постоянных, фигур небесных тел и расположение деталей на их поверхности.

Фундаментальная астрометрия изучает построение фундаментальной системы небесных координат на основе установления экваториальных координат и собственных движений ярких «фундаментальных» звезд, а также пространственной инерционной системы координат.

Эти системы применяются в звездной астрономии, небесной механике и геодезии.

alt="" />

Рис. 1.2.1. Структура астрономии

Практическая астрономия — учение о способах определения из астрономических наблюдений времени, астрономических (географических) координат и азимутов направлений и об астрономических инструментах; подразделяется на геодезическую, мореходную и авиационную.

Астрофизика — изучает все многообразие физических явлений во Вселенной. По объектам исследований выделяют физику Солнца, планет, межзвездной среды и туманностей, звезд, космологию, по методам — подразделяют на астрофотометрию (измерение блеска звезд и яркости протяженных небесных объектов фотометрическими методами), астроспектроскопию (изучение спектров звезд для определения их физических и химических свойств, в том числе скоростей их движения), астроспектрофотометрию (изучение распределения энергии в спектрах космических тел для определения температуры, химического состава и плотности звездных атмосфер и газовых туманностей), астрополяриметрию (изучение по поляризации излучения светил их физической природы, существующих на них магнитных полей, состава и плотности межзвездной среды, атмосферы планет), астроколориметрию (количественное изучение цветов светил), радиоастрономию (изучение космических тел по их радиоизлучению при помощи радиотелескопов), ренгеновскую астрономию (раздел внеатмосферной астрономии, исследующий рентгеновское изучение космических объектов), гамма-астрономию (направление внеатмосферной астрономии, изучающее космические тела по их гамма-излучению).

Астрофизика изучает характеристики света небесных светил, астрометрия — вопросы, связанные с направлениями на светила, изменением этих направлений и взаимными угловыми расстояниями светил.

Звездная астрономия исследует общие закономерности строения, состава, динамики и эволюции звездных систем; включает звездную статистику, кинематику и динамику.

Космогония изучает происхождение и развитие космических тел и их систем.

Космология — физическое учение о Вселенной как целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств (однородности, изотропности и расширения) той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.

Физика (греч. фиоист), от фише — природа) — наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. На стыке физики и других естественных наук возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др. Подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: классическая механика (наука об изменении с течением времени взаимного положения тел или их частей — за исключением микрочастиц — в пространстве и о взаимодействиях между ними; в её основе лежат законы Ньютона), оптика (раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространения в различных средах и взаимодействия света с веществом), электродинамика (теория электромагнитных процессов в различных средах и в вакууме; описывается уравнениями Максвелла), термодинамика (раздел физики, в котором изучаются наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями), статистическая физика (статистическая механика, раздел физики, изучающий свойства макроскопических тел как систем из очень большого числа частиц — молекул, атомов, электронов), теория относительности (общая теория относительности, релятивистская теория тяготения, удовлетворяющая принципу относительности Эйнштейна, эквивалентности — локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета), квантовая механика (волновая механика, теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях), квантовая теория поля (релятивистская квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы).

Математика (греч.

цатпецстке, от цатпеца — наука) — наука, в которой изучаются «пространственные формы и количественные отношения действительного мира» (Ф. Энгельс). До начала XVII в. математика — преимущественно наука о числах, скалярных величинах и сравнительно простых геометрических фигурах; изучаемые ею величины (длины, площади, объемы и пр.) рассматриваются как постоянные. К этому периоду относится возникновение арифметики, геометрии, позднее — алгебры и тригонометрии и некоторых частных приемов математического анализа. Областью применения математики являлись: счет, торговля, землемерные работы, астрономия, отчасти архитектура. В XVII и XVIII вв. потребности бурно развивавшегося естествознания и техники (мореплавания, астрономии, баллистики, гидравлики и т. д.) привели к введению в математику идей движения и изменения, прежде всего в форме переменных величин и функциональной зависимости между ними. Это повлекло за собой создание аналитической геометрии, дифференциального исчисления. В XVIII в. возникают и развиваются теория дифференциальных уравнений, дифференциальная геометрия и т. д. В XIX и XX вв. математика поднимается на новые ступени абстракции. Обычные величины и числа оказываются лишь частными случаями объектов, изучаемых в современной алгебре; геометрия переходит под влиянием идей Н.И. Лобачевского к исследованию «пространств», весьма частным случаем которых является евклидово пространство. Развиваются новые дисциплины: теория функций комплексного переменного, теория групп, проективная геометрия, неевклидова геометрия, теория множеств, математическая логика, функциональный анализ и др. Практическое освоение результатов теоретического математического исследования требует ответа на поставленную задачу в числовой форме. В связи с этим в XIX-XX вв. численные методы математики вырастают в самостоятельную ее ветвь — вычислительную математику. Стремление упростить и ускорить решение ряда трудоемких вычислительных задач привело к созданию вычислительных машин. Потребности развития самой математики, «математизация» различных областей науки, проникновение математических методов во многие сферы практической деятельности, быстрый прогресс вычислительной техники привели к появлению целого ряда новых математических дисциплин; таковы, например, теория игр, теория информации, теория графов, дискретная математика, теория оптимального управления.
В настоящее время многие разделы физики и математики востребованы геодезией и гравиметрией. Вычислительная техника и всё более совершенные формы математического обеспечения делают труд исследователей более эффективным, при этом возрастает доступность математических методов.

Из-за сложности такого объекта исследований, как планета Земля, ее изучением занимается целый ряд наук о Земле, и в том числе геодезия и гравиметрия. На рис. 1.2.2 показана структура геодезии, а на рис. 1.2.3 — структура гравиметрии. Запросы практики повышаются, постепенно более совершенные методы и средства вытесняют традиционные.

Строение Земли характеризуется слоистой макроструктурой с центральной симметрией Щемениц- кая 1967]. По мере накопления знаний о внутреннем строении и внешнем окружении Земли стала выясняться ее тесная связь с окружающим космическим пространством: связь внешних (гравитацион-


Рис. 1.2.2. Структура геодезии

ное и магнитное поля, атмосфера, термобарисфера) и внутренних (слои земной коры, верхняя мантия, астеносфера) оболочек нижней мантии и ядра (рис. 1.2.4).

Гравитационное поле является одной из наибольших по диаметру сфер влияния Земли. Грависфера — оболочка Земли, занимающая ту часть околоземного пространства, в которой гравитационное влияние Земли преобладает над гравитационными полями космоса, вызываемыми массами Солнца, Луны и других планет, а также гравитационным полем Галактики [Деменицкая 1967]. Эквипотенциальная поверхность грависферы имеет достаточно сложный вид, скорее всего, вид гигантского кардиоида. Грависфера определяет состояние внешних оболочек Земли, а также определяет условия падения на Землю метеоритов и космической пыли.

Магнитное поле простирается с дневной стороны на расстояние до 8-14 радиусов Земли, а с ночной — до нескольких сот радиусов Земли, и при этом формирует газовую оболочку, окружающую Землю, со всеми ее особенностями: от конструирования радиационных поясов до защиты от прямого попадания на Землю первичных частиц космического излучения. Магнитосфера (или электромагнитосфера) — область околоземного пространства, где электромагнитное поле имеет отношение к нашей планете. Установлена сложная, далеко не сферическая, внешняя форма магнитосферы, непрерывно изменяющаяся по конфигурации и силе, в частности, наличие магнитного шлейфа, возникающего под влиянием солнечного ветра (потока космического излучения).

Атмосфера (газовая оболочка) состоит из нескольких диффузионно разделенных слоев, начиная от поверхности Земли: тропосфера, в которой сосредоточено ~79% всей массы атмосферы; стратосфера ~20%; ионосфера ~0,5% и верхняя атмосфера — пояс водорода, переходящий в межпланетную среду. Газовая оболочка повторяет сплюснутую фигуру твердой Земли. Например, верхняя граница тропосферы лежит над экватором в среднем на высоте 16-18 км, в умеренных широтах на высоте 10-12 км, а в полярных областях на высоте 7-10 км.

Между атмосферой и земной корой существует взаимодействие, которое приводит к взаимному обмену элементами, вследствие чего между оболочками создается подвижное равновесие. Наиболее этот обмен осуществляется через водную оболочку земного шара — гидросферу. Гидросфера и криосфера (лед) Земли являются существенной частью механизма, который заставляет воздух, воду и тепло циркулировать по всей Земле, поскольку океаны содержат 97% мировых запасов воды (Д.И. Щербаков, 1963 г.). В соответствии с гипотезой А.П. Виноградова [1962], «образование океана и воздушной оболочки — гидросферы и атмосферы — обусловлено выносом, в процессе выплавления и дегазации наиболее легко летучей фракции мантии на поверхность Земли. Только вещество мантии могло обеспечить этот процесс». Оболочечное строение Земли, по Р.М.Деменицкой [1967], на рис. 1.2.4 дополнено еще одной оболочкой — ноосферой — современной стадией, геологически переживаемой биосферой.

Подходя геохимически и биогеохимически к изучению геологических явлений, В.И. Вернадский (1944 г.) рассматривал всю окружающую нас природу в одном и том же атомном аспекте.

Понятие «биосферы» введено в биологию Ламарком (1744-1829) в Париже в начале XIX в., а в геологию — Э. Зюссом (1831-1914) в Вене в конце того же века. В XX столетии биосфера получает совершенно новое понимание. Она выявляется как планетное явление космического характера [Вернадский 1981]: «Живое вещество по весу составляет ничтожную часть планеты. По-видимому, это наблюдается в течение всего геологического времени, то есть геологически вечно. Оно сосредоточено в тонкой, более или менее сплошной, пленке на поверхности суши в тропосфере — в лесах и в полях — и проникает весь океан. В ходе геологического времени оно закономерно изменяется морфологически. История живого вещества в ходе времени выражается в медленном изменении форм жизни, форм живых организмов, генетически между собой непрерывно связанных, от одного поколения к другому без перерыва».

Как известно (Советский энциклопедический словарь, 1982 г.), наука — сфера человеческой деятельности, функция которой состоит в выработке и теоретической систематизации объективных знаний о действительности; одна из форм общественного сознания; включает как деятельность по получению нового знания, так и её результат — сумму знаний, лежащих в основе научной картины мира; обозначение отдельных отраслей научного знания. Непосредственные цели — описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет её изучения, на осно-

Рис. 1.2.3. Структура гравиметрии

Рис. 1.2.4. Оболочечное строение Земли и науки, его изучающие

ве открываемых ею законов. Зародившись в древнем мире в связи с потребностями общественной практики, начала складываться с XVI-XVII вв. и в ходе исторического развития превратилась в производительную силу и важнейший социальный институт, оказывающий значительное влияние на все сферы общества. Объем научной деятельности с XVII в. удваивается примерно каждые 10-15 лет.

В развитии науки чередуются экстенсивные и революционные периоды — научные революции, приводящие к изменению её структуры, принципов познания, категорий и методов, а также форм её организации. Для науки характерно диалектическое сочетание процессов её дифференциации и интеграции, развития фундаментальных и прикладных исследований. В условиях научно-технической революции сложилась единая система «наука-техника-производство», в которой науке принадлежит ведущая роль. 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Связь геодезии и гравиметрии с другими науками:

  1. Связь геодезии и гравиметрии с другими науками