Спутниковые методы изучения фигуры и поля силы тяжести Земли

Ускорение на поверхности Земли. Астрономо-гравиметрическое нивелирование. Спутниковая альтиметрия. Карта аномалий силы тяжести, рассчитанная по модели EGM2008. Формула Стокса. Аномалии силы тяжести. Применение спутниковой альтиметрии в батиметрии.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1. Спутниковая альтиметрия

Спутниковая альтиметрия - это измерение высоты спутника относительно поверхности Земли по времени прохождения сигнала, посылаемого и получаемого после отражения от поверхности спутником.

Этот метод нашел широкое применение в различных науках: в геодезии, географии, геологии, океанологии и т.д.

В основном альтиметрия служит для решения геодезических и гравиметрических задач, а именно - для определения гравитационного поля Земли и уточнения модели геоида.

Другими словами, если спутник имеет на борту альтиметр и известны его координаты над поверхностью Земли и координаты его проекции на Землю (геодезические координаты), а также спутник может измерить свою высоту над поверхностью океана, то мы можем вычислить и высоту геоида. Она вычисляется по очевидной формуле:

где R - радиус-вектор подспутниковой точки, h - высота спутника над океаном, а ж - высота геоида.

Для суши имеем аналогичную формулу:

При помощи этой формулы можно вычислить геодезические высоты:

Где - нормальные высоты.

В свою очередь, R является функцией большой полуоси и широты места и вычисляется по формуле:

где R и B - геодезические координаты подспутниковой точки.

Спутниковая альтиметрия является достаточно «молодым» методом, ее история насчитывает порядка сорока лет. Первой страной, запустившей спутник для определения для определения уровня океана, были США. В 1975 году ими был запущен спутник GEOS-3, а позднее, в 1978, спутник SEASAT. Спутник GEOS-3 мог определить уровень океана с точностью до 0.5 м. Спутник SEASAT проводил измерения с точностью до 0.1 м. В настоящее же время стало возможным проведение измерений с точностью до 5 см.

Спутниковая альтиметрия широко применяется для изучения океанических приливов и отливов, высоты волн, топографии поверхности океана, фигуры геоида на океанах.

В частности, этот метод наилучшим образом позволяет построить модель поверхности геоида над водными поверхностями, и такая модель будет гораздо точнее, чем ее аналоги, построенные на основе наземных средств. Более того, мы можем разложить потенциал поля силы тяжести до более чем сотого порядка. Именно с помощью этого метода сейчас определяются параметры нормальной Земли, строятся модели и исследуются аномалии ее гравитационного поля.

Спутники не вычисляют форму геоида, а измеряют аномалии гравитационного поля Земли.

При помощи таких миссий, как ERS-1/2, TOPEX/Poseidon Envisat, GRACE, GOCE и других построена картина гравитационных аномалий по всей поверхности Мирового океана, а также окраинных и внутренних морей. В результате данных исследований были построены карты гравитационных аномалий Земли и на основе этих карт были построены гравитационные модели Земли. Самой точной из них на сегодняшний день является модель EGM2008, в основе которой лежат данные, полученные со спутников GRACE и CHAMP.

Аномалии силы тяжести являются функцией высот геоида. Выведено следующее соотношение между ними:

Из этой формулы выводится формула Стокса:

Альтиметрические данные позволяют, в частности, построить модель поверхности дна океана. По рассчитанным аномалиям силы тяжести удается установить рельеф дна и составить карты предполагаемых структурных форм дна океана (хребтов, разломов и пр.)

Спутниковая альтиметрия имеет множество достоинств: во-первых, применение данного метода позволяет избежать проведения дорогостоящих гравиметрических съемок на каждом участке мирового океана, во-вторых, альтиметрические данные характеризуются высокой точностью.

Одним из главных недостатков данного метода является невозможность определения высоты геоида над сушей или над теми областями океана, которые покрыты льдом. В таких случаях необходимо комбинировать спутниковые измерения и наземные. Однако доказано, что по наземным измерениям нельзя с высокой точностью исследовать поверхность геоида, поскольку проводить измерения силы тяжести надо на самой поверхности геоида.

Еще одним существенным недостатком метода спутниковой альтиметрии является ограниченность зоны покрытия. На схеме представлена зона покрытия спутника TOPEX/Poseidon с погрешностью 1 км:

Применение спутниковой альтиметрии в батиметрии.

Геология морского дна до изобретения метода спутниковой альтиметрии также представляла значительные сложности: несмотря на то, что процессы, происходящие на дне Мирового океана, значительно легче для понимания, чем процессы, происходящие на континентах, тем не менее достаточно сложным остается изучение морского дна из-за того, что оно покрыто слоем воды в среднем от 3 до 5 км.

Для изучения поверхности океанического дна и определения его глубины можно использовать морские геофизические станции, но этот метод на практике достаточно неудобен, в виду того, что корабли, которые перевозят на себе эти геофизические станции, двигаются достаточно медленно, и, как следствие, составление карт морского дня в масштабах всего мирового океана оказывается невыполнимой. Поэтому лишь малая часть акваторий была изучена при помощи данного метода. Гораздо удобнее применять для данных целей метод спутниковой альтиметрии.

Метод спутниковой альтиметрии внес существенный вклад в батиметрию и топографию дна Мирового океана.

Если бы возможно было составить карты поверхности океана при помощи геофизических станций, то их данные были бы гораздо точнее, чем данные, полученные из космоса. Но пока такой проект осуществить невозможно.

Однако для определения точности метода спутниковой альтиметрии можно сопоставить данные, полученные со спутника и данные, полученные геофизическими станциями, для одних и тех же районов.

В работе (Smith, Sandwell, 1994) на основе карт аномалий силы тяжести были составлены карты предполагаемого рельефа дна мирового океана. Хотя данные карты недостаточно точны, но они содержат важную информацию о ранее не изученных участках океанического дня и являются полезными для интерпретации геолого-геофизических данных.

Таким образом, при сопоставлении карт предполагаемого рельефа дна с физиографическими картами, стало очевидно, что на них абсолютно верно указаны характерные формы рельефа, а для уточнения его строения в перспективных районах исследований необходимо использовать более детальные съемки.

2. Спутниковые миссии и полученные результаты

Активное изучение поля силы тяжести и фигуры Земли при помощи спутниковых методов началось с запуска 9 апреля 1975 года спутника GEOS-3.

Он был частью геодезической миссии, просуществовавшей в общей сложности 4 года, вплоть до 1979 года. На борту спутника был альтиметр для составления карт гравитационных аномалий океанов. Основной целью данной миссии было именно изучение гравитационного поля Земли. Также были получены данные об уровне океанов и их изменениях с течением времени. На основе альтиметрических данных, полученных со спутника GEOS 3, были построены модели Земли, такие как GEM-T3.

Спутник был оснащен радиовысотометром с антенной параболической формы диаметром 0.66 м, допплеровским передатчиком, 270 уголковыми отражателями, передатчиками для измерения расстояний.

Точность измерения расстояний составила 1 м. В данной программе участвовали 57 станций слежения.

Следующим спутником, запущенным для океанографических исследований, был SEASAT. Он был запущен 26 июня 1978 года. Основными его задачами были определение высоты и направления волны, уточнение формы геоида и изменения уровня поверхности океанов. Точность измерений составила 10 см.

На борту были такое оборудование, как оптический радар, который позволил получить первые в то время отчетливые изображения океанической поверхности и поверхности суши; измеритель рассеяния, который измерил скорость и направление ветров на поверхности Земли; альтиметр, предоставивший данные о поверхности океана и высоте волн; и многоканальный радиометр, измеривший температуры на поверхности, а также скорости ветров и давший данные о льдах на поверхности Мирового океана.

Именно на борту спутника Seasat был первый высокоточный альтиметр. Те технологические преимущества, которые имел SEASAT, не могли быть достигнуты простым улучшением конструкции GEOS-3. Новый подход заключался в том, что было решено отказаться от компрессионных фильтров в приемнике. Все последующие спутники также были построены по этому принципу. Это привело к значительному улучшению четкости изображения. [24]

10 августа 1992 года NASA совместно с французским CNES запустило спутник TOPEX/Poseidon для «наблюдения и изучения циркуляции в Мировом океане». Он был оснащен двумя альтиметрами, а также приборами для точного определения орбиты, включая комплекс DORIS.

Техническое оснащение спутников SEASAT и GEOS-3 было существенно изменено и усовершенствованно для возможности получения более точных данных. В частности, сам дизайн спутника был изменен, а также добавлены комплект датчиков, спутниковые системы слежения, и обновлены станции земного наблюдения за спутником.

Topex/Poseidon положил начало долговременным миссиям изучения океанов из космоса.

Раз в 10 дней он проводил новые измерения высоты геоида с невероятно высокой (для того времени) точностью.