Ģeoīds — Zemes patiesā forma: definīcija, gravitācija un ģeodēzija
Ģeoīds ir Zemes virsmai līdzīga forma — trīsdimensiju, trīsdimensiju ģeometriska figūra, kuru bieži salīdzina ar apelsīnu. Šādas formas vispārīgi sauc par oblatiem sferoīdiem, kas ir elipsoīda paveids, taču ģeoīds ir specifisks — tas ir Zemes gravitācijas un rotācijas izraisīts ekvipotenciāls virsmas līmenis, pieņemot, ka nav ietekmes no vēja, plūdmaiņām un citiem dinamiskajiem efektiem.
Ģeoīds ir forma, ko okeānu virsma iegūst tikai Zemes gravitācijas un rotācijas ietekmē, ja nav citu faktoru, piemēram, vēju un plūdmaiņu.
Šo jēdzienu formulēja Gauss 1828. gadā, un ģeoīds kopš tā laika tiek uzskatīts par Zemes patieso fizisko formu. Zemes mērījumu un formas izpēti sauc par ģeodēziju. Praksē gan bieži izmanto vienkāršotus modeļus, piemēram, atskaites elipsoīdu, kas ļauj vieglāk veikt aprēķinus un kartografēšanu.
Kas tieši ir ģeoīds?
Ģeoīds ir ekvipotenciāla virsma Zemes gravitācijas laukā, kuras potenciāls ir vienāds visos punktos un kas vietām sakrīt ar vidējo jūras līmeni (mean sea level), ja to varētu izstiept zem kontinentiem. Tas nozīmē, ka uz ģeoīda virsmas brīvie priekšmeti nebrauktu paātrināti gar virsmu — gravitācijas spēks ir perpendikulārs tai.
Atšķirība starp ģeoīdu un elipsoīdu
Elipsoīds (piemēram, atskaites elipsoīds WGS84 vai GRS80) ir matemātisks gluds racionāls ģeometrisks ķermenis, ko izmanto kā vienkāršotu Zemes formu koordinātu sistēmām. Ģeoīds ir fizikāls, neregulārs un lokāli sakrāsojies virsmas modelis, kas atspoguļo Zemes masu sadalījuma ietekmi. Atstatumu starp elipsoīdu un ģeoīdu sauc par ģeoīda novirzi jeb geoidālumu (N). Bieži lietotā sakarība ir:
h = H + N
kur h — GPS/ellipsoīda augstums, H — ortometriskais (reālais) augstums virs ģeoīda, N — ģeoīda novirze (N = h − H).
Fizikālās īpašības un gravitācija
Ģeoīda forma atkarīga no Zemes masu izvietojuma un rotācijas ātruma. Vietās, kur zemeslodes iekšienē ir blīvas masas (piemēram, kalnu sakopojumi vai blīvi ieži), gravitācijas lauks nedaudz pastiprinās, kas izraisa lokālas ģeoīda izvirzījumus vai iegrimes. Šīs ģeoīda novirzes var būt no dažiem centimetriem līdz vairākiem desmitiem un dažkārt aptuveni līdz aptuveni simt metriem pret elipsoīdu mērogā (atkarībā no reģiona un izvēlētā atskaites elipsoīda).
Nosakīšana un mērīšanas metodes
Ģeoīda var noteikt ar vairākām metodēm, kas parasti apvieno datus:
- terestriska gravimetrija — mērījumi ar gravimetriem uz zemes;
- geodēziskā nivelēšana un GNSS (GPS) augstumu salīdzināšana;
- satellītu gravimetrija — misijas kā GRACE (masu sadalījuma izmaiņu izsekošanai) un GOCE (precīzam Zemes gravitācijas laukam) sniedz globālus datus par gravitācijas potenciālu;
- satellītu altimetrija okeānos — mērā jūras virsmas vidējo augstumu, kas saistīts ar ģeoīdu;
- numeriskie modeli un ģeofizikālās inversijas, kas apvieno visus datus, lai iegūtu gludu ģeoīda modeli.
Pielietojums praksē
Ģeoīdam ir daudz svarīgu pielietojumu:
- konvertēt starp GPS/ellipsoīda augstumiem un reāliem ortometriskiem augstumiem (būvniecība, inženierija, hidrobioloģija);
- uzlabot precizitāti kartogrāfijā un navigācijā;
- pētīt Zemes masu sadalījumu un procesus (izraktas masas pārvietošanās, ledāju masu zudumi, zemes grūdi);
- ūdeņu un jūras līmeņa izmaiņu monitorings, jo ģeoīds ir etalons vidējā jūras līmeņa novērtēšanai.
Praktiskas piezīmes
Ikdienā mācības bieži attēlo Zemi kā sfēru vai nedaudz saplacētu apelsīna formu — tas palīdz saprast rotācijas izraisīto ekvatoriālo izspiedumu. Taču, ja nepieciešama lielāka precizitāte (ģeodēzijā, inženierprojektos, precīzā kartogrāfijā), izmanto atskaites elipsoīdu kopā ar ģeoīda modeli, lai iegūtu reālu ortometrisko augstumu virs "patiesā" Zemes laukuma.
Ģeoīds ir būtisks jēdziens, lai saprastu, kā gravitācija un Zemes iekšējā struktūra ietekmē mūsu mērījumus un karšu atbilstību reālajai virsmai.
Saplacināta sfēra (pārspīlēta)
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir ģeoīds?
A: Ģeoīds ir trīsdimensiju ģeometriska figūra, kas līdzinās apelsīnam, kas ir īpašs oblate sferoīda veids.
J: Kā definē ģeoīdu?
A: Ģeoīds ir definēts kā forma, ko okeānu virsma iegūst tikai Zemes gravitācijas un rotācijas ietekmē, ja nav citu ietekmju, piemēram, vēju un plūdmaiņu.
J: Kas un kad definēja ģeoīdu?
A: Ģeoīdu definēja Gauss 1828. gadā.
J: Kas ir ģeodēzija?
A: Zemes mērījumu un formu izpēti sauc par ģeodēziju.
J: Kāpēc ģeoīda vietā izmantot atskaites elipsoīdu?
A: Daudzos praktiskos nolūkos tiek izmantota vienkāršāka forma, jo tas atvieglo aprēķinus. Šo figūru sauc par atskaites elipsoīdu.
J: Kā Zemes forma tiek aprakstīta pamatizglītībā?
A: Pamatizglītībā Zemes forma tiek aprakstīta kā apelsīns, sfēra, bet platāka ap ekvatoru.
J: Vai ģeoīdam līdzīgas formas ir arī citās debesu rotējošās sfērās?
A: Jā, šāda forma ir visām debesu rotējošām sfērām, piemēram, zvaigznēm un planētām. Detaļas katrā atsevišķā gadījumā nedaudz atšķiras.
