Полярный радиус Земли — малая полуось эллипсоида Красовского, равная 6 356 863 м.
Экваториальный радиус Земли — большая полуось эллипсоида Красовского, равная 6 378 245 м.
Средний радиус Земли — 6 371 302 м.
История измерения радиуса Земли
Эраторсфен. Еще древние египтяне заметили, что во время летнего солнцестояния Солнце освещает дно глубоких колодцев в Сиене (ныне Асуан), а в Александрии — нет. У Эратосфена Киренского (276 год до н. э.—194 год до н. э.) появилась гениальная идея — использовать этот факт для измерения окружности и радиуса Земли. В день летнего солнцестояния в Александрии он использовал скафис — чашу с длинной иглой, при помощи которого можно было определить под каким углом Солнце находится на небе.
Итак, после измерения угол оказался 7 градусов 12 минут, то есть 1/50 окружности. Стало быть Сиена отстоит от Александрии на 1/50 окружности Земли. Расстояние между городами считалось равным 5 тыс. стадиев, следовательно окружность Земли равнялась 250 тыс. стадиев, а радиус тогда 39,8 тыс. стадиев.
Неизвестно каким стадием пользовался Эратосфен. Если греческим (178 метров), то его радиус Земли получался 7,08 тыс. км, если египетским, то 6,3 тыс. км. Современные измерения дают для усреднённого радиуса Земли величину 6,371 км. В любом случае, точность для тех времён потрясающая.
Фернель. В 1528 г. Жан Фернель путем подсчета числа оборотов колеса экипажа измерил расстояние от Парижа до Амьена. Величина 1ой дуги меридиана у него составила 110,6 км. Через 4 года после возвращения спутников Магеланна в изучении Земли был сделан первый шаг. Парижанин Фернель пришел к мысли провести измерение радиуса Земли. Он решил измерить длину дуги величиной 1 градус. Он измерил полуденную высоту Солнца в Париже 26 августа. Далее ему нужно было найти место, где в то же время высота Солнца была ровно на 1 градус меньше. Для этого он потратил несколько дней. Но так как наступала осень, разница была меньше 1 градуса. Фернель, чтобы обойти это препятствие рассчитал высоту Солнца в Париже на неколько дней вперед.
Двигаясь на север, он мог сравнивать полученные данные каждый день в этот же самый день. Каждый день в полдень он останавливался и производил наблюдения. 29 августа он обнаружил, что высота Солнца на 1 градус меньше чем в Париже в то же время. Фернель измерил длину колеса (20 футов), а затем повернул обратно в Париж и считал обороты колеса (17024 об.). Потом он вычислил градусную меру дуги меридиана в туазах (1 туаз = 6 футов = 1,949 м), потом умножив на 360 и переведя туазы в метры можно найти длину меридиана:
1,949/6×20×17024×360/1000=39815 км.
Другие попытки
Еще век спустя, в 1614-1617 гг. голландский астроном Виллеброрд Снеллиус впервые применил метод триангуляции, когда линейная протяженность большой дуги на поверхности Земли измеряется через систему последовательно сопряженных треугольников. Его измерение 1 градуса дало 107 335 м.
В 1671 г. член Парижской академии Жан Пикар (1620-1682) опубликовал свой труд «Измерение Земли», в котором не только сообщил результаты высокоточных триангуляционных измерений в 1669-1670 гг. дуги Париж-Амьен (1° = 111 210 м, истинное значение 111 180 м), но и высказал предположение о том, что истинная форма Земли — не шар.
Буквально через год, в 1672 г. Жан Рише, проводя наблюдения Марса в Кайенне (Гвиана в Южной Америке, широта +5°), обнаружил замедление периода секундного маятника по сравнению с его периодом в Париже. Это было первое инструментальное свидетельство уменьшения силы тяжести на экваторе. Это открытие вновь заострило бурный спор, имевший место в то время в европейской науке. Дело в том, что в соответствии с теорией всемирного тяготения Ньютона, вращающиеся тела (в том числе наша Земля) должны принимать форму сплюснутого эллипсоида, а по теории эфирных вихрей Декарта, напротив, вытянутого сфероида. Поэтому вопрос об истинной форме Земли для ньютонианцев и картезианцев был принципиально важен.
Директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини (1625-1712) с 1683 г. начал проводить новые обширные работы по градусным измерениям уже на длинной дуге — от нормандских берегов Франции на севере до испанской границы на юге. К сожалению, из-за смерти Кольбера (министра финансов Людовика XIV) и самого Кассини работы прерывались и были завершены его сыном Жаком Кассини (1677-1756) только в 1718 г., а результаты опубликованы в 1720 г. Кассини также был картезианцем по своим взглядам и даже вступил в спор с Ньютоном, утверждая, что земной шар имеет вытянутую форму. Сам Ньютон давал теоретическую оценку сжатия Земли в 1/230.
Чтобы окончательно разобраться с формой Земли, Французская академия наук в 1735 г. организовала две грандиозные по тому времени экспедиции к экватору и полярному кругу. В Лапландию (66° с.ш.) отправились Пьер Мопертюи и Алексис Клеро, где измерили дугу протяженностью 57'30" и получили длину 1° равной 57 422 туаз (111,9 км). В Перу под руководством академика Пьера Бугера (1698-1758) методом триангуляции была измерена дуга от +0°02'30" с. ш. до -3°04'30" ю. ш., по которой длина 1° составила 56 748 туаз (110,6 км). Результат этой экспедиции стал первым опытным подтверждением сплюснутости Земли, что она имеет форму эллипсоида вращения. В честь этого события была даже выбита медаль, на которой изображенный Бугер опирался на земной шар и слегка его сплющивал.
Самое грандиозное градусное измерение XIX века возглавил основатель Пулковской обсерватории В. Я. Струве. Под руководством Струве русские геодезисты совместно с норвежскими измерили дугу, простиравшуюся от Дуная по западным областям России в Финляндию и Норвегию до побережья Северного Ледовитого океана. Общая протяженность этой дуги превысила 2800 км. Она охватывала более 25 градусов, что составляет почти 1/14 часть земной окружности. В историю науки она вошла под названием «дуги Струве». Автору этой книги в послевоенные годы довелось работать на наблюдениях (измерениях углов) на пунктах государственной триангуляции, примыкавших непосредственно к знаменитой «дуге».
Первую теорию фигуры Земли предложил в 1743 г. Алексис Клод Клеро (1713-1765). Теоремы Клеро устанавливают связь между формой Земли, ее вращением и распределением силы тяжести на ее поверхности, тем самым были заложены основы нового направления науки — гравиметрии. В 1841 г. Фридрих Бессель (1784-1846) установил для Земли форму сфероида со сжатием в 1/299,15, а в 1909 г. Джон Хейфорд получил эллипсоид с экваториальным радиусом 6378,388 м и сжатием 1/297,0, который использовался в качестве стандарта до 1964 г.
Фундаментальные определения были выполнены в 1940 г. Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым и опубликованы в 1950 г. Эллипсоид Красовского очень близок к современной системе астрономических постоянных, принятых Международным астрономическим союзом:
- экваториальный радиус Земли — 6 378 160±3 м,
- полярный радиус — 6 356 779 м,
- сжатие — 1/298,25 = 0,0033529.
При этом было введено и экваториальное сжатие 1/30000. Таким образом, некоторым промежуточным приближением формы Земли служит трехосный эллипсоид, у которого разница между экваториальным и полярным радиусами составляет 21381 м, а экваториальные радиусы в направлении Африки и Бразилии отличаются на 200 м.
На самом деле, истинная форма Земли на уровне точности в сотни метров уже не может быть представлена ни одной из математических фигур, и для ее представления применяется понятие геоида. Геоид — условная поверхность равного потенциала (поверхность равновесия), совпадающая с поверхностью свободно покоящейся воды в открытом океане. Отклонения геоида от эллипсоида не превышают, как правило, 100 м. Тем не менее, при условном представлении отклонений реальной формы Земли от аналитической фигуры, эти отклонения напоминают по форме грушу: «шишка» на северном полюсе и «провал» в Антарктиде. С помощью современных методов определения координат, в том числе и высоты над уровнем моря (спутниковые навигационные системы GPS, радиоинтерферометрические измерения и т. д.) реальная поверхность Земли описывается огромным массивом данных, при этом положение любого репера в трехмерном пространстве может быть определено с точностью до сантиметров.
Не надо путать форму Земли (геоид) с ее реальной твердой поверхностью. Очевидно, что рельеф литосферы в океанах располагается ниже поверхности геоида, а на материках — выше (говорят: «высота над уровнем моря»). Самая глубокая (относительно геоида) точка литосферы расположена в Марианском желобе (–11022 м), а самая высокая — г. Джомолунгма (8848 м). Наибольший перепад высот рельефа находится около Южной Америки, где разница высоты Анд (г. Аконкагуа — 6960 м) и прилегающего Чилийского желоба (максимальная глубина — 8180 м) составляет 15140 м.
Интересно напомнить, что форма Земли изменяется во времени. На ранних этапах существования Земли, как планетного тела, она вращалась вокруг своей оси значительно быстрее; предполагается, что древние земные сутки могли составлять 4-5 часов. Очевидно, что сжатие Земли в ту эпоху было значительно больше современного. С течением времени скорость вращения Земли замедляется (примерно на 15% за полмиллиарда лет), а ее форма, соответственно, «округляется». На меньших отрезках времени и в меньших масштабах по высоте существенную роль играет геотектоника плит. Как известно, материки «плавают» по поверхности магмы, как льдины по воде, и, перемещаясь, искажают при этом форму геоида на величины ~100 м за времена ~200 млн лет.
Наиболее «быстрыми» искажениями формы Земли являются приливы — гравитационные возмущения от Луны и Солнца. Наиболее известны эти возмущения в водной оболочке Земли, хотя присутствуют они и в атмосфере, и в литосфере. Теоретическая высота прилива (т.е. искажение формы геоида вследствие гравитационного возмущения от Луны) составляет около 50 см. Однако «приподнимание» «твердой» земной поверхности из-за упругости тела Земли существенно меньше (10-20 см). Наибольшую величину имеют водные приливы, связанные с воздействием на океаническую приливную волну мелкого дна и узостей береговой линии (до 18 м в заливе Фанди).
Источники информации:
Дополнительно на Геноне: