Космические методы в геодезии.

[Коури]

(продолжение)

Поэтому в последние годы развивался так называемый метод коротких дуг, который предполагает доплеровские измерения с двух или более станций при общих прохождениях ИСЗ. Этот метод отличается от чисто геометрического метода транслокации тем, что в обработку включаются поправки к динамическим параметрам. Метод коротких дуг позволяет при определении координат станций свести к минимуму влияние погрешностей используемой модели геопотенциала.

Интересное исследование было проделано в 1973 г. сотрудниками Смитсоновской астрофизической обсерватории США (САО – одна из ведущих организаций по осуществлению работ в области космической геодезии). Они определяли координаты станций спутниковой триангуляционной сети САО, комбинируя геометрический и орбитальный методы каждый раз, когда у них создавалась новая модель геопотенциала (ее называли «Стандартная Земля» – СЗ). Естественно, каждая последующая модель была точнее предыдущей. Анализ точности определения положений станций, входящих в триангуляционную сеть САО, показал, что для СЗ I ошибки были 10 – 20 м (1966 г.), для СЗ II они уменьшились до 5 – 10 м (1969 г.) и в 1973 г. для СЗ III стали 2 – 8 м. Это исследование ясно показывает, как сильно зависят результаты, получаемые орбитальным методом, от принятой модели геопотенциала.

Использование динамического метода спутниковой геодезии для уточнения нашего знания о геопотенциале – труднейшая математическая задача. При ее решении исследователей ждут трудности двух родов. Это прежде всего объем информации, т. е. трудности, на первый взгляд количественные6. Но они сразу переходят в трудности качественные: любой способ решения систем большого числа линейных уравнений с большим количеством неизвестных дает неточный результат хотя бы из-за колоссального числа операций и связанного с этим накапливания ошибок округления. Есть и другие вычислительные трудности, но о них нельзя рассказать без привлечения серьезного математического аппарата.

6 Вот, к примеру, объем информации, переработанный при создании модели геопотенциала в центре космических полетов США им. Годдарда, названной GEM-9 (Goddard Earth Model). Использовалось 150 000 (24 ИСЗ) фотографических, 477 000 (11 ИСЗ) радиотехнических и 213 000 (9 ИСЗ) лазерных наблюдений, число орбитальных дуг достигло 511, число использованных ИСЗ – 30; число станций наблюдений – 146. Получено 566 гармонических коэффициентов.

Из трудностей второго рода, трудностей чисто теоретических, следует хотя бы кратко остановиться на проблеме определения резонансных гармоник геопотеициала. Известно, что резонанс – это такое явление, когда амплитуды вынужденных колебаний под действием возмущающей силы быстро растут с течением времени (вспомните знакомый с детства случай с рухнувшим мостом!). Это происходит из-за соизмеримости частот собственных и возмущающих колебаний. В случае движения ИСЗ собственная частота спутника – это его среднее движение, т. е. величина, равная отношению 360° на период обращения вокруг Земли.

Согласно третьему закону Кеплера, квадрат периода пропорционален кубу большой полуоси орбиты. Если орбита круговая, то большая полуось равна сумме среднего радиуса Земли и высоты полета ИСЗ над поверхностью Земли. Так мы связали частоту собственного «колебания» системы Земля – ИСЗ с высотой полета ИСЗ. А возмущающими колебаниями в данном случае являются тессеральные гармоники геопотенциала, так как они зависят от долготы (у них m ≠ 0). Их период равен (24 ч)/m. Теперь мы можем, задавая последовательно m = 1, 2,..., 11, 12,.., (и стало быть,период), благодаря третьему закону Кеплера, искать ту высоту орбиты ИСЗ, которая будет «наиболее привлекательна» для этой группы гармоник. Орбита ИСЗ, проходящая на этой высоте, будет находиться в резонансе с гармониками, у которых второй индекс соответствует собственной частоте обращения ИСЗ по этой орбите7.

7 Таких гармоник будет бесконечно много: (m, m), (m + 1, m), (m + 2, m) и т. д. – первый индекс гармоники (n) меняется от значения m до бесконечности. Но мы обрываем ряд по сферическим гармоникам, представляющий возмущающий геопотенциал, считая, что амплитуды его все-таки убывают и, начиная с некоторого (весьма большого!) значения n, влияние гармоник на движение ИСЗ неощутимо.

Рассмотрим несколько примеров. Пусть m = 1 это главный резонанс, речь идет о гармониках (3,1), (4,1) и т. д. (гармоникой (2,1) здесь пренебрегается). Период обращения ИСЗ, орбита которого находится в резонансе с этой группой гармоник, равен 24 ч (точнее, 23 ч 56 мин). По третьему закону Кеплера высота такого ИСЗ составляет около 35 900 км. Такие ИСЗ запускались и запускаются, они называются синхронными, или стационарными, поскольку в случае экваториальной орбиты (наклон i = 0°) такой ИСЗ просто зависает как «фонарь» над некоторой точкой экватора8. Значение синхронных спутников для навигации и связи велико, а о геодезическом применении мы поговорим несколько позже.

8 Это картина невозмущенного движения. Под влиянием возмущений от тиссеральных гармоник геопотенциала ИСЗ «сползет» к одной из четырех фиксированных точек и будет описывать «восьмерки» около нее. Такие точки в небесной механике называются точками либрации.

Следующий резонанс имеет место при m = 2, это гармоники (2,2), (3,2) и т, д. Период обращения ИСЗ в этом случае равен 12 ч, а высота круговой орбиты примерно 20 240 км. На практике оказалось более выгодным для прикладных целей (ИСЗ связи) запускать ИСЗ не на круговую, а на сильно вытянутую орбиту (е = 0,975; высота перигея около 500 км, высота апогея почти 40 000 км). К таким ИСЗ относятся спутники типа «Молния». Имея наклон плоскости орбиты i = 65°, они обеспечивают одновременную радиовидимость между Москвой и Дальним Востоком в течение 8 – 9 ч на одном витке.

Вообще, резонансные орбиты очень хороши для создания систем обзорных ИСЗ, используемых в народном хозяйстве, хороши именно из-за регулярности, повторяемости их движения. Но, как становится ясно, создать теорию их движения очень нелегко. Еще сложнее оказалось использовать наблюдения резонансных ИСЗ для уточнения гармоник геопотенциала. Наиболее распространенные геодезические ИСЗ имеют круговые орбиты с высотами от 800 до 2000 км. В этом интервале находятся орбиты, резонансные с гармониками порядка m = 12 (H = 1670 км), m = 13 (H = 1250 км) и m = 14 (H = 885 км).

Расчеты показали, что гармонические коэффициенты, определенные из анализа движения ИСЗ на орбитах, резонансных с этими гармониками, определяются неуверенно, у разных авторов результаты различны. Но самое неприятное, что эти значения существенно отличаются от значений этих же коэффициентов, полученных из анализа орбит, нерезонансных с этими гармониками. В чем причина – пока неясно.

Есть предложение построить периодическое решение в задаче о движении точечной массы (ИСЗ) в поле притяжения вращающегося твердого тела (Земля) при наличии соизмеримости между средним движением точечной массы по орбите и угловой скоростью вращения этого тела. Это дало бы возможность начать проектировать резонансные орбиты ИСЗ для разных целей (в том числе и геодезических). Работы в этом направлении ведутся, и как пишут авторы, «сделаны первые шаги».

[Коури]

НОВЫЕ МЕТОДЫ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ

Рассмотренные нами методы спутниковой геодезии (геометрические и динамические) стали для нее традиционными. Но развитие космической геодезии, особенно в последние годы, продолжалось. Усовершенствование лазерной и радиотехнической аппаратуры, установка на ИСЗ уголковых отражателей, доставка и установка их на поверхности Луны, запуск КА к далеким объектам Солнечной системы – все эти и другие факторы бурного развития космической техники и методов слежения за космическими объектами увеличили возможности космической геодезии.

С 1974 г. ведутся исследования в области спутниковвой альтиметрии. Лазерные и радио-альтиметры (высотомеры), установленные на ИСЗ, на первых порах давали информацию, позволяющую уточнять элементы их орбит. Но с увеличением точности появилась возможность геодезического использования альтиметрической информации. Так, радиоальтиметр, установленный на ИСЗ «Геос-3», позволяет измерять расстояние спутник – поверхность океана с ошибкой 1 – 3 м. Но ведь это означает, что мы можем (если хорошо известно положение ИСЗ на орбите) уточнить форму геоида.

Сравнение, альтиметрических измерений с профилями геоида, построенными по самым современным моделям геопотенциала, подтверждает высокую надежность этого метода определения формы геоида (правда, только на участках, занятых Мировым океаном; но это немало – две трети поверхности земного шара). В перспективе предполагается повысить точность радиоальтиметров до 10 см. Что же касается лазерной альтиметрии, теоретически нет сомнений, что она может обеспечить точность порядка 1 см, а это значит, что мы сможем измерять тончайшие геокинематические эффекты. Подробнее об этом мы расскажем в следующем разделе.

Интересна идея применять доплеровские методы измерения лучевых скоростей в системе «спутник–спутник». Этот метод рассматривается в двух вариантах. В первом варианте скорость ИСЗ, обращающегося на низкой орбите, измеряется относительно геостационарного ИСЗ. Значение лучевой скорости, непрерывно регистрируемое по трассе низкоорбитального ИСЗ, может быть численно вычислено, а это дает значения ускорений, т. е. непосредственно информацию о значениях силы притяжения, действующей на этот ИСЗ во всех точках подспутниковой трассы.

В настоящее время такие измерения проводились (например, с использованием стационарного ИСЗ наблюдался «Геос-3»). Результаты были, если можно так выразиться, ожидаемые. Дело в том, что разрешающая способность этого метода существенно зависит от высоты над поверхностью Земли низкоорбитального ИСЗ. V спутника «Геос-3» она составляет величину порядка 840 км, и полученные данные можно было интерпретировать как аномалии силы тяжести, осредненные по трапециям 7 × 7°, т. е. 800 × 800 км. Для того чтобы добиться разрешения хотя бы в виде трапеций 2 × 2° (а хотелось бы дойти до трапеций 1 × 1°), надо было снизить орбиту такого ИСЗ до высот, где он мгновенно сгорает вследствие трения в плотных слоях атмосферы. Чтобы нейтрализовать сопротивление атмосферы, предлагают строить «спутник в спутнике». Такая система обсуждается в научной литературе, и ее реализация возможна.

Во втором варианте измеряется разность скоростей между двумя одинаковыми и близкими ИСЗ, обращающимися по одной круговой орбите на небольшой высоте над Землей. Измерение этой разности скоростей даст возможность узнать разность значений геопотенциала в подспутниковых точках, т. е. в точках проекции ИСЗ на поверхность Земли. Конечно, осуществить такой вариант сложно: и ИСЗ не бывают совсем одинаковые, и обращаться они будут не по одной орбите, а по двум близким. Но недостатка в проектах нет: обсуждаются и доплеровские методы измерения лучевой скорости в паре, и использование освещения обоих ИСЗ лазером для фотографирования их на фоне звезд (вспомним «фотолазер»).

В принципе измерительный комплекс «спутник – спутник» в этом варианте должен дать возможность строить профили гравитационных аномалий на полосе вдоль трассы ИСЗ. Но трудности, не позволяющие реализовать этот вариант, по-видимому, еще непреодолимы на современном уровне развития космической геодезии.

Доставка советскими и американскими космическими кораблями уголковых отражателей света на поверхность Луны возродила наблюдения Луны в геодезических целях на новой методической и теоретической основе. В СССР, США и Франции проводились сеансы лазерной локации Луны, и эта работа дала интересные результаты. Точность единичного измерения дальности до Луны лазером, созданным в Физическом институте АН СССР им. П. Н. Лебедева, составляет ±20 см, что означает относительную точность 5 • 10–10. Данные лазерной локации Луны, организованной по надлежащей программе в течение одной ночи, позволяют определить расстояния станций наблюдения от оси вращения Земли. Точность определения радиусов параллелей составляет около 1 дм. По результатам лазерной локации Луны в течение одного месяца могут быть определены расстояния станций наблюдения от плоскости земного экватора, а более длительный по времени ряд изменений позволит определять движение земных полюсов.

Заметим, что геодезическое использование результатов лазерной локации Луны требует знания точных законов ее орбитального движения, осевого вращения и физической либрации9, а также знания скорости вращения Земли. Некоторые из этих требований к точности можно ослабить специальной организацией наблюдений, но существенно то, что надлежащая постановка и организация работ по лазерной локации Луны позволит решить и некоторые обратные задачи, т. е. изучить законы орбитального движения и либрации Луны, а также исследовать неравномерность вращения Земли около оси.

9 Луна обращена к нам всегда одной стороной. Но она «покачивается» около этого положения («покачивание» невелико – ±5°. Данное явление и есть физическая либрация Луны.

Особое внимание в последние годы уделяется радиотехническим методам, применение которых в космической геодезии привело к трем выдающимся событиям: уточнению гравитационной постоянной Земли, открытию масконов на Луне и открытию возможности геодезического использования радиоинтерферометров со сверхдлинной базой.

Значение гравитационной постоянной Земли μ равно произведению абсолютной гравитационной постоянной на массу Земли. Абсолютная же гравитационная постоянная – это коэффициент пропорциональности в математическом выражении закона всемирного тяготения. Общая схема уточнения величины μ по данным слежения за КА следующая. Высокоточные радиотехнические системы ведут непрерывное слежение за КА, определяя его дальность и значение лучевой скорости. По приближенным начальным условиям и принятому значению М0 (оно-то и уточняется) выполняют численное определение движения КА по его орбите. Эта орбита уже не геоцентрическая, как у ИСЗ, а гелиоцентрическая, поскольку движение КА происходит не вокруг Земли, а по направлению к далеким планетам, т. е. вокруг Солнца.

Согласуя методом наименьших квадратов вычисленные и наблюденные значения дальностей и лучевых скоростей КА, проводится одновременно и уточнение начальных условий его движения, и уточнение величины μ0. По существу аналогом этой задачи является определение ускорения силы тяжести методом свободного падения в поле тяготения; только в этом случае нет нужды численно решать уравнения движения: известно, что свободное падение происходит по параболе, форма и размеры которой определяются начальными условиями.

Работы по уточнению величины μ велись в СССР и США. Результаты слежения за КА «Венера», «Маринер», «Викинг» и «Вояжер», которые были запущены к Венере, Марсу и другим планетам, поразительно совпадают. Это ярко иллюстрируется относительной ошибкой среднего значения из 11 независимых определений – меньше 10–6. Помимо уточнения μ, по данным радиотехнического слежения за далекими КА удалось уточнить отношение массы Луны к массе Земли, а также определить массы, размеры и сжатия Венеры и Марса.

Высокоточное радиотехническое слежение за искусственными спутниками Луны (ИСЛ) серий «Луна» и «Лунар Орбитер» позволило обнаружить регулярные «всплески» в величинах лучевых ускорений ИСЛ. Лучевые ускорения, как и в случае измерений в системе «высокоорбитальный ИСЗ – низкоорбитальный ИСЗ», получаются из профиля лучевых скоростей. Тщательный анализ измерений показал, что эти всплески не являются результатом случайных инструментальных погрешностей, поскольку они наблюдались каждый раз, когда ИСЛ проходил над одними и теми же участками Луны. Значит, этим участкам присущи большие аномалии гравитационного поля Луны.

Так как на Луне отсутствует атмосфера и нет торможения ею ИСЛ, их запускают на орбиты, очень близкие к поверхности Луны, – на высоты 50 – 100 км. Поэтому удалось уверенно отождествить аномальные области гравитационного поля Луны на ее видимой стороне с известными по фотографиям особенностями лунного рельефа. Выяснилось, что значительное усиление гравитационного поля Луны происходит исключительно над лунными морями, например над Морем Ясности, над Морем Дождей и некоторыми другими.

Удивительно, что эти большие аномалии, или, как их называют, масконы (от сокращения слов «концентрация масс» – mass concentration), связаны с лунными морями. На Земле тоже много аномальных районов, но они встречаются в основном в горах и в глубоководных впадинах Мирового океана. Работы по гравиметрическому изучению обратной стороны Луны, проведенные с ИСЛ, запущенного с борта корабля «Аполлон-15», позволили создать карту гравитационных аномалий обратной стороны Луны, из которой видно, что на обратной стороне Луны масконов нет, все положительные аномалии связаны с горными районами.

Окончательная разгадка природы масконов связана, на наш взгляд, с посылкой в будущем на Луну управляемого с Земли аппарата с установленным на нем гравиметром, т. е. с применением (на новой ступени) традиционных гравиметрических методов исследования силы тяжести.

В 1965 г. советскими радиоастрономами была высказана идея метода длиннобазисной радиоинтерферометрии, или радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Метод обычной (коротко-базисной) радиоинтерферометрии получил большое распространение при наблюдениях ИСЗ. Он позволял определять направление на ИСЗ по одновременным наблюдениям радиосигнала, идущего от ИСЗ, двумя антеннами, разнесенными на очень точно известное расстояние порядка 1 км. Сравнение фаз принятых антеннами сигналов дает возможность определить разность времен прохождения фронтом волны обеих антенн.

Произведение скорости света на эту разность времен дает величину отрезка, характеризующего разницу путей, пройденных сигналом от ИСЗ до антенн, а отношение этой длины к длине базы равно косинусу угла, определяющего направление на ИСЗ (рис. 7). Малость базы необходима в этом методе как условие практической параллельности направлений от ИСЗ к антеннам. Развитие техники интерферометров обычного типа позволило увеличить базу до 5 км и использовать их уже для поисков естественных радиоисточников, так как их точность превысила 0,1″ (вспомним, что современные фотографические методы дают направление с ошибкой не менее одной угловой секунды).

Однако наибольшие достижения в развитии метода радиоинтерферометрии как средства высокоточных астрономических и геодезических измерений достигнуты именно на пути создания метода РСДБ. Он основан на том же принципе, что и обычная интерферометрия, но в нем существенную роль играет то, что разность времен регистрации сигнала антеннами получается из сопоставления магнитофонных записей одновременных наблюдений одного и того же естественного радиоисточника двумя радиотелескопами (РТ), разнесенными на очень большое расстояние друг от друга – порядка нескольких тысяч километров. Существенную роль играет также наличие на каждом РТ независимого стандарта времени.

7. Схема радиоинтерферометрических измерений (β – угол, характеризующий направление на источник радиоизлучения)

[Коури]

(продолжение)

Вообще метод РСДБ стал возможен только тогда, когда с помощью мощных антенн, диаметр которых превышал 25 – 30 м, были открыты внегалактические радиоисточники (квазары) с угловым диаметром порядка 0,001″. Наличие генераторов частоты с очень высокой стабильностью, создание магнитофонов для записи больших потоков информации, а также наличие ЭВМ, на которых можно обрабатывать полученную информацию, – вот те факторы научно-технического прогресса, которые делают реальным применение метода РСДБ для решения обратных задач. По известным направлениям на квазар можно определить: 1) длину базы, т. е. земной хорды, с относительной погрешностью выше 10–6; 2) углы, характеризующие направление базы с точностью до сотых долей угловой секунды; 3) скорость вращения Земли или продолжительность суток и их вариации с точностью порядка тысячных долей секунды времени.

Но мы вынуждены отметить, что несмотря на то что методом РСДБ можно достигнуть точности, сравнимой с точностью лазерного лоцирования Луны (порядка 3 • 10–9), реальное осуществление геодезической программы на его основе ограничивается в настоящее время рядом трудностей, одной из которых является учет поправок за прохождение радиоволн через тропосферу. Эти трудности будут, конечно, преодолены, и метод РСДБ станет одним из ведущих методов космической геодезии. Как показал советский ученый И. Д. Жонголович, система РТ, охватывающая земной шар, может оказаться наилучшим средством реализации и поддержания системы координат для проведения глобальных геодинамических исследований.

[Коури]

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГЕОДИНАМИКИ

В начале нашего рассказа о космической геодезии мы отметили, что запуски ИСЗ и первые опыты использования их в геодезических целях сильно изменили взгляды и представления геодезистов о предмете и проблемах геодезии как одной из наук о Земле. Уместно поэтому закончить наш обзор рассмотрением вопросов, связанных с использованием методов космической геодезии для изучения геодинамических проблем.

Бурное развитие и совершенствование геодезических средств и методов наблюдений, как классических, так (в особенности) и новых космических, о которых мы попытались рассказать, привели к развитию научных исследований, связанных с изучением геодинамических явлений. На стыке геодезии, геофизики, астрономии и океанологии появился новый раздел науки о Земле – геодинамика. Содержание геодинамики было сформулировано М. С. Молоденским в 1958 г. следующим образом: изучение изменений поверхности Земли и ее гравитационного поля со временем (собственно, эту часть исследований можно назвать геокинематикой) и исследование сил, вызывающих эти изменения.

В сложный комплекс геодинамических проблем входит изучение таких явлений, как движение полюсов Земли, неравномерность вращения Земли, изменения во времени геопотенциала, земные и океанические приливы, эффекты общей теории относительности. Все перечисленные проблемы глобальные – они относятся к планете в целом. Но есть еще крупномасштабные, региональные и локальные геодинамические явления, которые связаны с процессами, происходящими в земной коре и в верхней мантии. Это движение так называемых литосферных плит, движения земной коры, приводящие к изменению положений пунктов наблюдений на земной поверхности, а также вариации величины и направления силы тяжести,

В связи с расширением технической деятельности человека на поверхности Земли стали ощутимыми локальные явления, связанные с этой деятельностью (их называют техногенными явлениями). Изучение всех этих явлений в жизни планеты Земля должно быть доведено до понимания и объяснения тех причин, которые их порождают. Именно в этом и может состоять решение геодинамических проблем, интересующих астрономов и геодезистов, геофизиков и геологов.

Однако в самой постановке рассматриваемой проблемы заложена некоторая неопределенность, связанная с отсутствием более или менее правдоподобного описания механизма, порождающего изучаемое явление. Мы пытаемся получить и оценить количественно некоторое следствие этого явления, ничего не зная о причинах, его порождающих. Первое, что помогает в этом случае, это повышение точности методов и средств измерения, т. е. возможность практически почти полностью свести к нулю все аппаратурные и методические погрешности, так как в противном случае любая ошибка даст кажущееся движение материков, кажущееся изменение скорости вращения Земли и т. д.

И второй аспект, позволяющий надеяться на решение поставленных задач, – возможность решения их независимыми друг от друга методами. Для скорости вращения Земли, например, такими двумя независимыми методами являются лазерная локация Луны и радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ).

На первый взгляд может показаться, что изучение и решение геодинамических проблем не является насущной задачей геодезии, лежит в стороне от ее основного развития. Зачем же геодезистам заниматься решением геодинамическиих проблем?

Создание сети опорных пунктов на земной поверхности, положения которых были бы определены в единой системе координат, и необходимое для установления этой единой геоцентрической системы координат знание фигуры, размеров и гравитационного поля Земли – составляют основную задачу геодезии. Эта задача в настоящее время решается не только по результатам наземных астрономо-геодезических и гравиметрических работ, но и методами космической геодезии.

До сих пор основная задача геодезии решалась в предположении, что фигура, размеры и гравитационное поле Земли не претерпевают никаких изменений с течением времени. Предполагаемые на основе геолого-геофизических воззрений движения отдельных участков земной коры до недавнего времени лежали за пределами интересов и возможностей геодезии, так как точность геодезических методов в прошлом была ниже величины этих движений. Однако прогресс геодезической измерительной техники и внедрение в геодезическую практику новых методов решения основной задачи геодезии (в основном методов космической геодезии) уже привели к тому, что создались условия для изучения геодинамических явлений.

Предположение о том, что создаваемая геодезистами система координат незыблема во времени, перестает удовлетворять потребностям практики. Вертикальные движения земной коры искажают высотную основу наших нивелировок, а горизонтальные движения изменяют плановые координаты, определенные астрономо-геодезическими методами. Движение полюсов, изменения скорости вращения Земли и вариации геопотенциала с течением времени меняют установившийся взгляд на основную задачу геодезии как на статическую задачу. Поэтому геодезисты уже в настоящее время (в будущем эта тенденция станет еще сильнее) вынуждены начать исследования временных изменений фигуры, размеров и гравитационного поля Земли, чтобы на этой основе изучать поведение принятой системы координат и приводить ее к заданной эпохе.

Явление, которое обычно называется движением полюсов, есть перемещение оси вращения Земли в теле планеты относительно ее полярной оси инерции. На возможность такого движения, вызванного несовпадением этих осей, указал еще Л. Эйлер в 1758 г. Американский ученый С. Чандлер, обработав результаты наблюдений за широтами нескольких обсерваторий, охватившие около 200 лет, нашел, что движение Северного полюса описывается в основном суммой периодических движений – с годовым периодом и с периодом 428 сут (так называемый «чандлеров период»). Наблюдаемая амплитуда движения Северного полюса достигает 0,4″, или 12 м. Но имеются основания предполагать существование векового движения полюсов, а также гармоник с периодами от 1 мес. до 1 сут.

Причиной всех этих движений является, с одной стороны, указанное различие (несовпадение) осей Земли и отличие Земли от твердого тела, а с другой – притяжение Земли Луной, планетами и Солнцем. Современные астрономические методы позволяют определить положение полюсов с точностью около 3 м на интервале 5 сут. С 1969 г. ведутся регулярные определения координат полюса по доплеровским наблюдениям навигационных ИСЗ системы «Транзит» (США). Их обработка дала признаки векового смещения Северного полюса в направлении Гренландии со скоростью 10 – 20 см в год. Однако есть обоснованные сомнения в реальности этого смещения, которое может быть кажущимся – результатом неучтенных систематических эффектов.

С давних времен суждения о неравномерности вращения Земли, о вековом его изменении, получались из анализа наблюденного движения Луны и планет и на основании изучения сообщений о датах затмений Солнца. Хорошо определено вековое замедление вращения, равное 2,37 • 10–8 в столетие (это относительная величина, т. е. та часть, на которую меняется угловая скорость Земли в столетие). Причины этого замедления – торможение в основном за счет приливов в морях и океанах. Обнаруженные в последние годы с помощью сначала атомных, а затем молекулярных стандартов частоты короткопериодические и нерегулярные изменения скорости вращения Земли пока еще не выяснены полностью. Не ясен механизм и векового ускорения скорости вращения Земли, открытого советским ученым Н. Н. Парийским в 1973 г.

Сейчас мировая научная общественность обсуждает вопрос об организации постоянной «космической» службы для изучения вращения Земли. Решающую роль в этой работе должны сыграть высокоточные лазерные наблюдения ИСЗ и метод РСДБ.

Изучение региональных и локальных геодинамических явлений имеет большое народнохозяйственное значение. Движение блоков земной коры, изменения уровня поверхностей морей и океанов, техногенные явления – установление характера и периодичности этих явлений чрезвычайно важно для предсказания сейсмической активности (землетрясения), при поиске полезных ископаемых, при проектировании крупных сооружений и т. п. Упоминавшиеся такие глобальные геодинамические явления, как земные приливы или эффекты общей теории относительности, приводящие к изменению абсолютной гравитационной постоянной, а также тончайшие исследования, посвященные вариациям силы тяжести, остаются за рамками нашего рассказа: очень сложны в этих случаях теоретические соображения, а главное, очень невелик уровень достигнутого уверенного знания.

Для решения всего комплекса геодинамических задач необходимо создание сети специальных геодинамических станций (обсерваторий). Основой сети этих станций могут быть широтные станции Международной службы движения полюсов и обсерватории национальных служб времени, связанных с Международным бюро времени. Желательно включать в эту сеть и другие существующие или создаваемые обсерватории, чтобы она по возможности равномернее охватывала бы некоторый пояс на земном шаре.

С целью изучения движения полюсов следует на всех геодинамических станциях выполнять регулярные астрономические наблюдения для определения их географических широт и долгот классическими методами. Для этих наблюдений необходимо применять однотипные инструменты и использовать единый высокоточный каталог звездных положений. Для слежения за изменениями направления отвесных линий на геодинамических станциях полезно выполнять периодические высокоточные измерения силы тяжести в пределах некоторого радиуса вокруг каждой станции.

Периодичность измерений и размеры этого радиуса зависят от характера гравитационного поля в районе станции, но, можно сказать, что это будут величины порядка 5 – 10 лет и 100 км. С такой же периодичностью было бы полезно измерять на этих станциях абсолютное значение силы тяжести транспортируемыми приборами. Работы по созданию таких приборов в ряде стран завершаются. Следует сказать, что как точность астрономических определений широты и долготы, так и точность гравиметрических работ в районе станций должна быть повышена по крайней мере на порядок, в противном случае погрешности порядка 0,03″, разнесенные на 5 – 10 лет, дадут кажущееся движение станции порядка 2 – 3 см в год.

Все геодинамические станции должны быть оборудованы лазерными установками для измерения дальности до ИСЗ и фотографическими камерами для наблюдения ИСЗ. Применяя геометрический метод спутниковой геодезии, т. е. определяя длину хорды по синхронным измерениям дальности и направления на ИСЗ, можно уже в настоящее время заложить основу для изучения собственных движений геодинамических станций (точнее, блоков земной коры, на которых они расположены). Другим, независимым, методом такого же изучения послужат повторные определения взаимного положения станций по результатам наземных геодезических высокоточных измерений. Для последнего нужно использовать хорошо известные и испытанные классические методы: все геодинамические станции надо связать линиями высокоточного нивелирования, опирающимися вместе с тем и на станции, ведущие регулярные наблюдения за колебаниями уровней морей и океанов. Результаты повторных нивелировок могут дать информацию о вертикальном движении геодинамических станций, а результаты повторных триангуляционных измерений послужат для выяснения их взаимных горизонтальных перемещений.

Еще одним независимым подходом к решению этой важнейшей геодинамической задачи является проект использования лазерных дальномеров, установленных на ИСЗ. Автоматическая лазерная дальномерная установка по команде с Земли измеряет расстояния от ИСЗ до наземных отражателей, образующих на изучаемой территории густую сеть пунктов. На каждый сеанс таких измерений потребуется несколько суток.

Такая система очень экономична, так как, во-первых, без дополнительных затрат позволяет проводить повторные измерения и регистрировать подвижки наземных пунктов со временем, а во-вторых, одновременно одним прибором можно проводить измерения на нескольких территориях, где установлены отражатели.

Для изучения движения полюсов и независимого от предыдущих способов определения движений станций можно применить метод лазерной локации Луны, если некоторые обсерватории, входящие в сеть геодинамических станций, будут оснащены необходимой для этого аппаратурой. Что же касается метода РСДБ, он в настоящее время может быть признан наилучшим для изучения вариаций скорости вращения Земли, знание которых необходимо для успешного применения метода лазерной локации Луны.

Рассмотрение современных возможностей решения геодинамических задач астрономо-геодезическими, гравиметрическими методами и методами космической геодезии приводит нас к мысли, что при правильном применении эти методы могут дать очень ценные результаты для решения рассмотренных проблем в отдельной и совместной их постановке. Можно надеяться, что астрономо-геодезические и спутниковые измерения, выполненные в две эпохи, разнесенные на 10 – 15 лет, позволят обнаружить смещение материков, если скорость их движения не меньше 1 – 2 см в год. Общий прогресс техники приведет к тому, что точность этих методов будет возрастать, поэтому в будущем они позволят обнаружить и геодинамические процессы, протекающие с меньшими скоростями.

И хотя в постановке работ для решения глобальных геодинамических проблем возникает много организационных и технических трудностей, все они могут быть разрешены коллективными усилиями астрономов и геодезистов, геофизиков и геологов. Это единственный путь перехода от гипотез к подтвержденным фактам, а от фактов – к научным выводам о строении и развитии нашей планеты 10.

[Коури]

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ГЕОДЕЗИИ

В заключении приведем некоторые соображения, связанные с перспективами развития космической геодезии. Дело в том, что в настоящее время исследователи довольно ясно представляют себе, как применять существующие космические средства и методы для решения основных задач геодезии и геодинамики. По прежнему остается основной задачей геодезии определение размеров, фигуры и гравитационного поля Земли. Будет продолжена работа по уточнению и развитию больших региональных и глобальных триангуляционных сетей. В этой работе существенную роль играет установление единой общеземной системы координат для высокоточных измерений, а на первом этапе – определение взаимного положения начал и ориентировки осей различных систем геодезических координат.

Бытующее до сих пор мнение, что началом общеземной системы координат должен быть центр масс Земли, может измениться. Проблема определения положения центра масс в теле Земли оказалась гораздо сложнее, чем предполагали ранее: в точной постановке речь должна идти о центре масс системы Земля – Луна. Создание новой аппаратуры позволит с большей точностью изучать такие тонкие геодинамические эффекты, относящиеся именно к системе Земля – Луна, как движение полюсов Земли, вариации скорости вращения Земли, земные приливы. Продолжится изучение смещений континентальных плит, несомненно будет осуществлен один из проектов глобальной службы слежения за движением материков. Продолжатся тончайшие, на пределе точности (несколько микроГал), исследования вариаций силы тяжести.

Но развитие космических методов в ближайшем будущем не ограничится их использованием в пределах Земли. И хотя приставка «гео» остается в названиях научных дисциплин, о которых мы говорим, методы эти давно стали общими для исследования Солнечной системы в целом. Давно уже ведется изучение гравитационного поля и фигуры Луны. Существуют даже попытки ввести в научный обиход термин «селенодезия» (Селена – древнегреческое название Луны). Есть смысл говорить об определении гравитационных полей планет.

А если серьезнее заглядывать в будущее космических методов, то можно представить себе такую задачу. Нельзя ли создать в рамках Солнечной системы единый подход к системам координат, который помогал бы увязывать их в единую иерархическую структуру?

Дело в том, что при полете КА к далеким планетам он как бы переходит из системы геоцентрической в гелиоцентрическую, потом, например (если пролетает около Марса), в ареацентрическую, а у нее должна быть связь с системами координат спутников Марса и т. д. И если представить себе разницу в размерах (масштабах) этих систем координат, то неясным становится, как выдерживать единые требования к относительной точности определяемых координат. Для самого КА эта проблема в основном «снимается» возможностями корректировки его движения, а для планет и их естественных спутников имеет существенное значение. И поскольку освоение Солнечной системы началось и продолжается, задача установления единой для Солнечной системы структуры систем координат будет, несомненно, решаться.

А.М. Микшина.