С космическим путеводителем по Земле

Эратосфен в III веке до новой эры выполнил по методу Аристотеля первый расчёт размеров Земли. Ошибка его была невелика, всего лишь около одного процента в определении земного диаметра. Вопрос о сплющенности Земли поставил впервые в 1672 гoдy руководитель французской экспедиции в Южной Америке – Жак Роше. Он заметил отставание маятниковых часов на экваторе от часов в Париже. Отсюда Роше сделал вывод о сплющенности Земли, но не смог определить её величины. Спустя пятнадцать лет Ньютон опyбликовал оценку сжатия Земли. Он рассчитал её фигуру так, если бы она представляла собой жидкий шар. Такую фигypу стали называть «геоидом» – землеподобной.

Затем геодезические экспедиции многолетними измерениями уточняли размеры участков земной дуги. Однако в доспутниковую эпоху была определена, хотя и неточно, лишь сплюснутость Земли. Но одинаковы ли Северное и Южное полушария? Измерения на поверхности планеты не могли ответить на этот вопрос. Им не хватало точности.

Положение изменили спутники. Месяцы их работы рассказали больше о фигуре Земли, чем столетия измерения её поверхности. Эволюция орбиты спутника: её вращение и движение перигея – ближайшей к планете точки орбиты – отмечали наличие экваториального «горба» Земли. Другие, более тонкие эффекты – её асимметрию. В целом форма планеты может быть представлена рядом гармоник. Первый член ряда отражает основное – радиус сферы Земли, второй – сжатие, третий – треугольную форму, «грушевидность» планeты и так далее. Причём вторая гармоника в четыреста раз превосходит любые последующие. Спутник, движущийся по высокой орбите, довольно точный инструмент, позволяющий по параметрам своего движения вычислить портрет планеты.

Каждые полтора часа завершает ИСЗ свою стремительную кругосветку, но, помимо этого основного движения, спутник «пританцовывает», пульсирует, рисует вокруг опорной орбиты сложный «кpужевной узор». Его затейливой вязью кодируются сообщения об особенностях Земли.

Но чтобы отследить колебания спутника, нужны точные методы слежения. Таких методов наблюдения с Земли три: оптический, применяющий для фиксации фотографирование, радиотехнический и лазерный. У каждого – свои преимущества и ограничения.

Фотосъёмка способна предоставить документ – положение спутника на фоне опорных звёзд, но зависит от внешних условий – состояния погоды и освещения. На радиотехнические наблюдения не влияют ни освещение, ни облачность. По сигналам бортовых передатчиков устанавливается направление на ИСЗ, скорость его движения и определяется траектория. Но «мелкие» движения недостyпны и этому методу. Лазерная локация состоит из посылки к спутнику импульса светового излучения и приёма вернувшегося сигнала. Отражённый сигнал фиксируется на фоне звёзд. Этот метод точнее радиотехнического и не связан с условиями освещения. Казалось, именно на пути развития лазерного метода лежат возможности расшифровки спутниковой «хореографии». Но более точным оказался автономный способ, позволяющий бортовым средствам космического аппарата регистрировать собственный замысловатый путь в космосе.

Пролетающий над Землёй спутник временами вздрагивает. Колебания его в момент пересечения экватора объясняются экваториальным вздутием Земли. Другие скачкообразные изменения орбит свидетельствуют о неоднородности тела планеты, о возможном наличии небесных тел, движущихся вокруг неё, но пока не обнаруженных.

Более тонкие наблюдения за поведением тяжёлых спутников позволяют судить о некотором замедлении вращения нашей планеты, о вязкости мантии, одевающей её ядро.

Всё, буквально всё влияет на движение спутника: неоднородности Земли, наличие на её поверхности впадин и гор, перемещение воздушных масс. Нужны только точные методы регистрации его «орбитапьных мизансцен». И в этом смысле совершенствование методов измерений очень перспективно. Но существует и обратный приём. Опираясь на точность вывepeнныx орбит, локационными средствами спутников измерили расстояние до Земли и выявили неровности суши и поверхности океанов.

Особенность современных исследований – выяснение всеобщих закономерностей. Наиболее важные сведения получаются при использовании наземных, самолётных и спутниковых средств. Например, комбинация спутниковых, альтиметрических и наземных гравиметрических данных позволила получить около полутора тысяч членов разложения земного потенциала и, соответственно, формы геоида. Оказалось, даже в океанах существуют выступы и впадины водной поверхности, а экваториальный пояс имеет минимумы и максимумы с перепадом в 70 метров. Его минимумы расположены в районах Галапагосских и Мальдивских островов, а максимумы – вблизи островов Зелёного Мыса и Соломоновых.

Положение синхронных спутников, зависающих над «точкой» земного шара, используемых в качестве связных, неустойчиво над выпуклостями земного шара и устойчиво над прогибами. Существуют и местные неровности геоида: европейский горб, поднимающийся на 60 метров, и впадины вблизи Флориды и Калифорнии, понижение на 106 метров в Южной Индии и горб около 60 метров вблизи Новой Гвинеи. Всё это особенности фигуры Земли, а не рельефа поверхности, имеющего куда более солидные местные отклонения.

Уточнена грушевидность планеты. Замеры дают приподнятость Северного полюса нa 15 метров и опускание Южного на 25 метров. Интересно, что за 500 лет до обнаружения грyшевидности Земли спутниками её предсказывал Христофор Колумб. На что опирался при этом великий генуэзец? Для нас это опять-таки тайна. И может быть, она тоже отголосок утерянных ныне сведений, свидетельство высоких взлётов предшествующих цивилизаций.

Если бы Земля расплавилась, она бы не изменила форму, так как геоид – фигура жидкой Земли. С целью прямых измерений формы геоида со спутников с помощью альтиметра была измерена поверхность акваторий океанов. Полученная модель оказалась в хорошем соответствии с моделями, построенными по гравиметрическим измерениям.

Целая армия специализированных спутников уточняла характеристики планеты. Наконец европейскому спутнику GOCE удалось осуществить то, что выглядело мечтой на заре космонавтики. Прецизионные датчики-акселерометры на его борту были способны замерить одну десятитриллионную земного притяжения. Измеряя нюансы своего орбитального движения, они рисовали картину всего сущего на Земле. По замерам спутника были составлены самые точные на сегодняшний день гравитационный портрет планеты и модель её фигуры. Обмеры уникального космического аппарата, занявшие почти два года, свели погрешность знания размеров нашей планеты до сантиметра.

За год до старта первого искусственного спутника британское Королевское астрономическое общество назвало возможность космических путешествий «абсолютной чепухой». Действительно, трудно было себе представить одновременное разрешение множества препятствующих тому проблем. Прорыв человечества в космос – пример успешной реализации грандиозных проектов, воплощения в жизнь комплексных организационных решений, осуществления беспрецедентных конструкторских и технологических находок и идей.

Освоение Мирового океанa, как и океана воздушного, происходило постепенно. Космическую высоту человечеству пришлось преодолевать скачком. Первыми на орбиты вокруг Земли отправились автоматы. И через поразительно короткий срок первый землянин Юрий Алексеевич Гагарин увидел Землю со стороны.