Космическая триангуляция, как самое загадочное и непостижимое

Традиционное определение геодезии как науки о форме, размерах и гравитационном поле Земли может быть теперь существенно изменено, поскольку новые методы исследования с использованием искусственных спутников произвели в ней радикальные перемены. Наиболее ярко это можно проследить, изучая эволюцию основного метода геодезии — триангуляцию.



В 1614—1616 гг. Снелль ван Ройен Снел- лиус определил в Голландии дугу меридиана длиной около 130 км, измерив углы в цепи из 33 треугольников и длины трех небольших базисов. С этого времени триангуляция стала основным методом геодезии. Хотя употребляемые инструменты, методы наблюдения, способы обработки и использование результатов в последующем непрерывно изменялись и совершенствовались, сам метод в основном оставался прежним. Однако в его применении постепенно стали выясняться различные трудности принципиального характера. Пока поверхность Земли считали сферой, вопрос о форме казалось был решен, а радиус сферы мог быть определен одним градусным измерением по меридиану. Даже эпоха эллипсоидальной Земли (от Ньютона до половины прошлого столетия), когда неровности рельефа считались небольшими случайными отклонениями от точного эллипсоида, не выдвигала принципиальных затруднений. Фигура и размеры Земли характеризовались двумя параметрами — большой полуосью и эксцентриситетом, которые определялись двумя градусными измерениями по меридианам в различных широтах. С этой целью были снаряжены знаменитые Перуанская и Лапландская экспедиции (XVIII в.). По существу, даже в XIX столетии подобного взгляда на фигуру Земли придерживались такие выдающиеся геодезисты как Ф. Бессель и А. Кларк. Обрабатывая совокупность различных градусных измерений на земной поверхности, они определяли оба параметра эллипсоида Земли по способу наименьших квадратов, считая, что всевозможные отклонения рельефа от единого эллипсоида имеют случайный характер. Со временем, однако, окончательно выяснилось, что различные триангуляционные ряды дают расхождения результатов не случайного, а систематического характера, отражая отклонения фигуры Земли от точного эллипсоида на больших областях ее поверхности.

Попытки заменить фигуру Земли трехосным эллипсоидом или даже более сложной геометрической поверхностью не могли радикально устранить возникшие принципиальные затруднения. Это обстоятельство явилось решающим в развитии нового, более сложного этапа геодезии, который со второй половины прошлого столетия продолжался до настоящего времени. Геодезистам пришлось обратиться к ранее чуждым им физическим представлениям из теории потенциала, к изучению формы и взаимного расположения уровенных поверхностей силы тяжести.

Вдумаемся, что же происходит при измерении углов в треугольниках обычной триангуляции? Вершины треугольников расположены в различных точках неправильной внешней поверхности Земли, через которые проходят разные, причудливо изогнутые уро- венные поверхности силы тяжести. В каждом пункте нормали к этим поверхностям определяют направление вертикальной оси инструмента, по горизонтальному кругу которого производятся отсчеты на другие пункты триангуляционной сети. Эти направления не являются нормалями к одной единой геометрической поверхности, например поверхности сферы или эллипсоида, поэтому в каждом пункте наблюдений приходится пользоваться своей особой местной координатной системой, причем расположение систем по отношению друг к другу заранее не известно. Все вопросы, которые стояли перед геодезией: форма Земли, ее размеры, определение взаимного расположения пунктов на поверхности — все что раньше казалось совершенно простым и ясным, неимоверно осложнилось.

С конца XIX в. геодезисты упорно искали пути преодоления многочисленных принципиальных, а также технических трудностей. Лишь в последнее время, особенно благодаря блестящим идеям и работам советского ученого М. С. Молоденского и его школы, удалось в основном наметить эти пути. Потребовалось в современную геодезию внести комплекс новых сложных физических представлений. Такие отнюдь не простые понятия, как геоид и квази-геоид, референц- эллипсоид и общий земной эллипсоид, уклонения отвесных линий, ортометрические и нормальные высоты и т. п. вошли в обиход основных понятий геодезии. Простой в прежнем понимании метод геодезических работ — триангуляция — теперь обратился в целый комплекс сопутствующих наблюдений, необходимых для правильной обработки получаемых результатов. Понадобилось, например, детальное определение значений силы тяжести в достаточно обширном районе вокруг каждого пункта триангуляции , получение общих данных о глобальном гравиметрическом поле Земли, выполнение прецизионных нивелирных работ между пунктами триангуляции с подробным исследованием изменений силы тяжести вдоль их трассы, определение астрономических широт, долгот и так называемых азимутов Лапласа на ряде пунктов и т. п. Не удивительно, что в основных задачах современной геодезии числится, казалось бы, самостоятельная геофизическая проблема — исследование гравитационного поля Земли.