Способы изучения земной поверхности

Тема: Общие сведения по геодезии. Предмет геодезии

1. Что такое геодезия

_______ Геодезия – это наука об измерениях на земной поверхности, выполняемых для изучения общей фигуры Земли, для составления планов и карт, для решения инженерных задач при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

_______ В процессе своего развития геодезия разделилась на ряд самостоятельных научных дисциплин: высшую геодезию, топографию, инженерную геодезию, аэрофотогеодезию, картографию и космическую геодезию.

_______ Высшая геодезия занимается определением фигуры и размеров всей Земли и значительных ее частей.

_______ Топография занимается измерением и изображением на планах и картах земной поверхности.

_______ Инженерная геодезия занимается вопросами геодезических работ при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, при монтаже оборудования, при наблюдениях за вертикальными и горизонтальными смещениями инженерных сооружений и технологического оборудования.

_______ Аэрофотогеодезия занимается изучением методов и средств создания топографических карт и планов по материалам фотографирования Земли.

_______ Картография занимается изучением методов составления, издания и использования карт.

_______ Космическая геодезия занимается обработкой измерений, полученных при помощи искусственных спутников Земли, орбитальных станций и межпланетных кораблей.

_______ Геодезия имеет тесную связь с другими научными дисциплинами: математикой, астрономией, физикой, механикой, автоматикой, электроникой, географией, фотографией и черчением.

2. Предмет геодезии. Понятие о форме и размерах Земли

_______ Предметом геодезии является планета Земля . Общая площадь Земли – 510 млн. км 2 ; 71% поверхности Земли – это моря и океаны, 29% – суша. При определении положения точек земной поверхности обычно относят их к общей фигуре Земли, которую называют геоидом .

_______ Геоид – это геометрическое тело, ограниченное уровенной поверхностью.

_______ Уровенная поверхность – поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах, которые находятся в спокойном состоянии, продолженная под материками.

_______ Эти величины определяют форму и размеры Земли. В 1946 году были приняты размеры земного эллипсоида, вычисленные группой российских ученых под руководством профессора Ф.Н. Красовского . Эти размеры: а = 6378245 м и b = 6356863 м.

3. Способы изображения земной поверхности. Метод проекций в геодезии

_______ На местности точки, линии, углы и контуры расположены в силу неровностей земной поверхности на возвышениях или впадинах. Так как возвышения и впадины являются пространственными формами, изобразить их на бумаге в виде плоской карты или плана достаточно непросто. Способы изображения земной поверхности на плоскости основываются на методе проекций .

_______ При изучении действительной поверхности Земли точки местности проецируют отвесными линиями на поверхность земного эллипсоида. Так как уровенная поверхность радиусом до 20 км может быть заменена плоскостью, при относительно небольших площадях, точки местности проецируют на горизонтальную плоскость. Положение полученных проекций точек может быть определено координатами.

_______ В результате перенесения точек на плоскость длины линий заменяют их горизонтальными проекциями, называемыми горизонтальными проложениями ; пространственные углы заменяются плоскими, и вся фигура заменяется проекцией на горизонтальную плоскость (рис. 2).

4. Системы координат, принятые в геодезии

_______ В геодезии применяются следующие системы координат:
• Географическая система координат,
• Зональная система плоских прямоугольных координат Гаусса–Крюгера,
• Полярная система координат.

4.1. Географические координаты

_______ С помощью географических координат, то есть широт ( φ ) и долгот ( λ ), определяют положение точки относительно экватора и начального меридиана.

_______ Широтой (φ) точки называется угол, составленный отвесной линией в данной точке и плоскостью экватора.

_______ Долготой (λ) точки называется двугранный угол между плоскостью меридиана данной точки и плоскостью начального меридиана.

4.2. Зональная система плоских прямоугольных координат Гаусса–Крюгера

_______ При геодезических работах на больших территориях применяется зональная система плоских прямоугольных координат Гаусса–Крюгера (рис. 4). Для этого земной шар делится меридианами на шестиградусные или трехградусные зоны (рис. 3). Счет зон ведется к востоку от Гринвичского меридиана. Каждая зона проецируется на плоскость таким образом, чтобы средний меридиан зоны был изображен прямой линией. Средний меридиан зоны называется осевым меридианом .

_______ Изображение осевого меридиана принимается за ось абсцисс (x), изображение экватора – за ось ординат (y). За начало координат принимают точку пересечения осевого меридиана с экватором.

_______ Чтобы не иметь отрицательных ординат, ординату осевого меридиана принимают равной 500 км . Перед ординатой точки указывается номер зоны, в которой точка расположена.

Зональная система плоских прямоугольных координат Гаусса–Крюгера

_______ Зная географические координаты точки земной поверхности, можно вычислить зональные прямоугольные координаты, и, наоборот.

4.3. Полярная система координат

_______ В полярной системе координат используются полярные углы и расстояния. Подробнее эта система будет рассмотрена в последующих лекциях.

5. Системы высот, принятые в геодезии

_______ Для полного определения положения точек земной поверхности необходимо знать высоты точек над принятой уровенной поверхностью. Высоты точек, которые определяются относительно поверхности эллипсоида (по отвесной линии), называются абсолютными высотами .

_______ Абсолютная высота – длина перпендикуляра, опущенного из точки на уровенную поверхность, принятую за начало отсчета (поверхность эллипсоида).

_______ За начало счета абсолютных высот принимается нуль Кронштадтского футштока (средний уровень воды в Балтийском море). Такая система высот называется Балтийской .

_______ Уровень Балтийского моря установленный по данным многолетних наблюдений и отмеченный награвированной чертой на металлической пластине, вмурованной в гранитный устой одного из мостов через обводной канал в Кронштадте, является началом счета высот уже третий век. Если счет высот ведется от другой уровенной поверхности, такая высота называется относительной высотой .

_______ Числовые значения абсолютных высот точек земной поверхности называют отметками . Разность абсолютных высот двух любых точек называют превышением ( h ).
_______ В строительстве для отдельных зданий счет высот ведется от чистого пола первого этажа.

6. Ориентирование линий

_______ Ориентировать линию – значит определить ее направление относительно исходного меридиана.

_______ В качестве исходного направления служит меридиан начальной точки линии, или осевой меридиан зоны. Для ориентирования линий служат углы, называемые азимутами, дирекционными углами и румбами .

_______ Азимутом — горизонтальный угол, отсчитываемый от северного направления меридиана по ходу часовой стрелки до направления данной линии.

_______ Азимуты изменяются от 0º до 360º.

_______ Азимутом называется истинным , если он отсчитывается от истинного меридиана, и магнитным , если отсчитывается от магнитного меридиана. Направление истинного меридиана в данной точке определяется из астрономических наблюдений, а направление магнитного меридиана – при помощи магнитной стрелки.

_______ Азимут одной и той же линии в разных ее точках различен. Меридианы разных точек не параллельны между собой, так как они сходятся в точках полюсов. Отсюда азимут линии в разных ее точках имеет разное значение. Угол между направлениями двух меридианов называется сближением меридианов и обозначается γ.

_______ Для определения положения магнитного меридиана в геодезии применяют буссоль . Буссоль применяется в комплекте геодезических приборов (теодолитов, тахеометров и т.д.)

_______ Для перехода от магнитного азимута к истинному надо знать величину и название склонения магнитной стрелки δ. Склонение магнитной стрелки указывается в зарамочном оформлении листа топографической карты.

_______ В зональной системе координат Гаусса-Крюгера за исходное направление принимается осевой меридиан зоны, поэтому для ориентирования используют дирекционные углы .

_______ Дирекционным углом называется горизонтальный угол, отсчитываемый от северного направления осевого меридиана или линии ему параллельной по часовой стрелке до направления данной линии. Обозначается буквой α.

_______ Дирекционные углы бывают прямыми и обратными (рис.10).

_______ Обратный дирекционный угол вычисляется по формуле:

_______ Румбом называется острый угол, отсчитываемый от ближайшего направления осевого меридиана (северного или южного) до данной линии (r).
Румб всегда сопровождается названием четверти, в которой расположена линия (рис. 11).

7. Съемки

_______ Для составления планов и карт необходимо на местности производить геодезические измерения. Комплекс таких измерений называется съемкой.

В зависимости от приборов и методов работы съемка бывает теодолитной , тахеометрической , фототопографической и т.д.
Геодезические измерения, выполняемые на местности, называют полевыми работами . Обработка результатов измерений, вычислений и графические работы по составлению карт и планов называют камеральной обработкой полевых измерений.

Источник

Исследование Земли

Речь идет о родной планете, поэтому давайте посмотрим, как проходило исследование Земли. Большую часть земной поверхности успели изучить к началу 20-го века, включая внутреннее строение и географию. Загадочными оставались Арктика и Антарктика. Сегодня практически все участки удалось запечатлеть и нанести на карту благодаря фотографическому картированию и радиолокаторам. Одной из последних исследованных областей был полуостров Дариен, расположенный между Панамским Каналом и Колумбией. Ранее выполнить обзор было сложно из-за постоянных дождей, густой растительности и плотного облачного покрова.

Спутниковое изображение Скоресби-Санд (Гренландия)

Изучение глубинных особенностей планеты долгое время не проводили. До этого занимались исследованием поверхностных формирований. Но после Второй мировой войны принялись за геофизические исследования. Для этого использовали специальные датчики. Но так можно было рассмотреть ограниченную часть подповерхностного слоя. Получалось пробраться лишь под верхнюю кору. Максимальная глубина скважины – 10 км.

Основные цели и достижения при исследовании Земли

В исследовании Земли учеными движет научное любопытство, а также экономическая выгода. Население увеличивается, поэтому растет спрос на ископаемые, а также воду и прочие важные материалы. Многие подземные операции проводят для поиска:

• нефти, угля и природного газа;
• коммерческих (железо, медь, уран) и строительных (песок, гравий) материалов;
• подземных вод;
• пород для инженерного планирования;
• геотермальных запасов для электричества и отопления;
• археологии;

Также возникла необходимость в создании безопасности через туннели, хранилища, ядерные реакции и плотины. А это приводит к необходимости уметь предсказать силу и время землетрясения или уровень подповерхностной воды. Активнее всего землетрясениями и вулканами занимается Япония и США, потому что эти страны чаще всего переносят подобные бедствия. Периодически скважины бурят для профилактики.

Методология и инструменты исследовании Земли

Следует знать, какие существуют методы исследования планеты Земля. В геофизике используют магнетизм, гравитацию, отражательные способности, упругие или акустические волны, тепловой поток, электромагнетизм и радиоактивность. Большая часть замеров осуществляется на поверхности, но есть спутниковые и подземные.

Важно понимать, что находится внизу. Иногда не удается добыть нефть только из-за блока другим материалом. Выбор метода основывается на физических свойствах.

Дистанционное зондирование

Используется ЭМ-излучение от земли и отраженная энергия в разнообразных спектральных диапазонах, добытых самолетами и спутниками. Методы основываются на использовании комбинаций изображений. Для этого участки фиксируют с разных траекторий и создают трехмерные модели. Их также выполняют с интервалами, что позволяет проследить изменение (рост урожая за сезон или перемены от шторма и ливня).

Радарные лучи пробиваются сквозь облака. Боковой видимый радиолокатор отличается чувствительностью к перемене поверхностного наклона и шероховатости. Оптико-механический сканер регистрирует теплую ИК-энергию.

Чаще всего используют технику Landsat. Эти сведения добываются мультиспектральными сканерами, размещенными на некоторых американских спутниках, расположенных на высоте в 900 км. Кадры охватывают площадь 185 км. Используется видимый, ИК, спектральный, зеленый и красный диапазоны.

Часть долины Магдалена (Колумбия)

В геологии эту технику применяют для вычисления рельефа, обнажения горных порог и литологии. Также удается фиксировать перемены в растительности, породах, находить подземные воды и распределение микроэлементов.

Магнитные методы

Не будем забывать о том, что исследования Земли проводят из космоса, предоставляя не только фото планеты, но и важные научные данные. Можно вычислить полное земное магнитное поле или же конкретных компонентов. Наиболее старый метод – магнитный компас. Сейчас используют магнитные балансы и магнитометры. Протонный магнитометр вычисляет радиочастотное напряжение, а оптико-накачивающий отслеживает наименьшие магнитные флуктуации.

Перед вами засушливая территория Сахары, а более темные места – растительность влажного и полузасушливого леса Сахель. На заднем плане отмечены темно-зеленые болота острова Чад. Простирается на 200 км и представлены небольшим остатком гигантского леса. Озерный бассейн охватывает 1000 км от переднего плана до подножия тибетских гор.

Магнитные съемки проводят магнитометрами, летающими на параллельных линиях с удаленностью в 2-4 км и на высоте в 500 м. Наземные исследования рассматривают магнитные аномалии, произошедшие в воздухе. Могут размещаться на специальных станциях или перемещающихся кораблях.

Магнитные эффекты формируются из-за намагниченности, созданной осадочными породами. Скалы не способны удерживать магнетизм, если температура превышает 500°C, а это ограничение для глубины в 40 км. Источник должен располагаться глубже и ученые полагают, что именно конвекционные токи генерируют поле.

Методы гравитации

Космические исследования Земли включают различные направления. Гравитационное поле можно определить через падение любого объекта в условиях вакуума, вычисление периода маятника или другими способами. Ученые используют гравиметры – вес на пружине, способной растягиваться и сжиматься. Они действуют с точностью до 0.01 миллиграмма.

Слева видите вулкан Килауэа с вытянутыми завихрениями вулканических газов (сверху), простирающихся на запад от формирования. Члены экипажа специально обучаются снимать подобные дымки под наклоном, чтобы улучшить качество обзора. Галогеновый туман (сочетание тумана, вулкана и смога) – привычное дело для гавайцев и относится к разновидности воздушного загрязнения. Появляется, когда двуокись серы и прочие газы от вулканической активности смешиваются с кислородом, влагой и солнечными лучами.

Отличия в гравитации происходят из-за локальной плоскости. На определение данных уходит несколько минут, но вычисление позиции и высоты занимает больше времени. Чаще всего, плотность осадочных пород возрастает с глубиной, потому что давление повышается и теряется пористость. Когда подъемники переносят скалы ближе к поверхности, то формируют аномальные тяжести. Отрицательные аномалии вызывают и полезные ископаемые, поэтому понимание гравитации может указать на источник нефти, а также на расположение пещер и прочих подземных полостей.

Методы сейсмической рефракции

Научный метод исследования Земли основывается на вычислении временного интервала между началом волны и ее прибытием. Волна может создаться взрывом, упавшим весом, воздушным пузырьком и т.д. Для ее поиска используют геофон (суша) и гидрофон (вода).

Сейсмическая энергия прибывает к детектору различными путями. Сначала, пока волна близка к источнику, она выбирает самые короткие дорожки, но с увеличением дистанции начинает вилять. Сквозь тело могут проходить две разновидности волн: Р (первичные) и S (вторичные). Первые выступают волнами сжатия и перемещаются на максимальном ускорении. Вторые – сдвиговые, движущиеся с небольшой скоростью и не способны пройти сквозь жидкости.

Вершины колумбийского массива Санта-Марта. Наивысший (5700 м) именуется в честь Христофора Колумба. Он настолько высокий, что удерживает небольшую, но стабильную ледяную шапку (сверху слева). Расположен на 10 градусов севернее экваториальной линии. Массивы обладают настолько большими высотами, что там не могут расти деревья и пейзаж кажется серым. Лишь трава и кустарники выдерживают низкие температуры.

Главная разновидность поверхностного типа – волны Рэлея, где частичка перемещается по эллиптическому пути в вертикальной плоскости от источника. Горизонтальная часть выступает главной причиной землетрясений.

Большая часть информации о земной структуре основывается на анализе землетрясений, так как они генерируют сразу несколько волновых режимов. Все они отличаются по компонентам движения и направлению. В инженерных исследованиях задействуют мелкую сейсмическую рефракцию. Иногда достаточно простого удара кувалдой. Также их применяют для обнаружения неисправностей.

Электрические и ЭМ-методы

При поиске полезных ископаемых методы зависят от электрохимической активности, изменения удельного сопротивления и эффектов диэлектрической проницаемости. Сам потенциал основывается на окислении верхней поверхности металлических сульфидных минералов.

Великолепная дельта и зеленые болота реки Параны (слева), расположенной на атлантическом побережье Аргентины. Стоит на втором месте по величине среди южноамериканских рек, уступая первенство Амазонке. В широкое устье, именуемое Речной плитой (в центре справа), поступает коричневая мутная вода. Серая масса в Буэнос-Айресе не так сильно заметна на такой высоте (вверху слева), но астронавты учатся более точно отображать подобные городские особенности.

Резистивность использует передачу тока от генератора к другому источнику и определяет разность потенциалов. Удельное сопротивление породы зависит от пористости, солености и прочих факторов. Скалы с глиной наделены низким удельным сопротивлением. Этим методом можно изучать подводные воды.

Зондирование точно вычисляет, как удельное сопротивление меняется с глубиной. Токи с диапазоном в 500-5000 Гц проникают глубоко. Частота помогает определить уровень глубины. Естественные токи индуцируются из-за возмущений в атмосфере или атаке верхнего слоя солнечным ветром. Они охватывают широкий диапазон, поэтому позволяют исследовать различные глубины эффективнее.

Но электрические методы не способны проникнуть слишком глубоко, поэтому не дают полноценных сведений о нижних слоях. Но с их помощью можно изучить металлические руды.

Радиоактивные методы

Территория Гималаев возле границы с Китаем и Индией. Пики отбрасывают длинные вечерние тени на снегу. Миллионы лет вода уничтожала горную скалу и оставляла осадок. Снежный покров отображает удивительную поверхностную гладкость, а сеть оврагов прорезает местность извилистыми тенями. Крупнейшая река делит каньон с глубиной в 500 м (справа).

Этим способом можно выявить руды или горные породы. Наиболее естественная радиоактивность поступает от урана, тория и радиоизотопа калия. Сцинтиллометр помогает обнаружить гамма-лучи. Главный эмиттер – калий-40. Иногда скалу специально облучают, чтобы измерить воздействие и ответную реакцию.

Геотермические методы

Вычисление температурного градиента приводит к определению аномалии теплового потока. Земля наполнена различными жидкостями, химический состав и перемещение которых определяются чувствительными детекторами. Элементы трассировки иногда связаны с углеводородами. Геохимические карты помогают отыскать промышленные отходы и загрязненные участки.

Раскопки и выборка

Боливийские Анды выделяются уникальным и ярким явлением – Лагуна-Колорадо. При отсутствии атмосферной дымки удалось зафиксировать озеро, расположенное на высоте 4300 м над уровнем моря, что повышает уровень яркости. Отчетливый красно-коричневый окрас 10-километрового озера создается водорослями, живущими в соленых водах. Но иногда есть и зеленые участки, потому что водоросли отличаются по цвету и могут располагаться по уровню солености и температурному показателю.

Чтобы идентифицировать различные виды топлива, нужно добыть образец. Многие скважины создаются вращательным способ, где жидкость циркулирует через долото для смазки и охлаждение. Иногда используют перкуссию, где тяжелое сверло опускают и поднимают, чтобы срезать куски скал.

Выводы о земных глубинах

О форме узнали в 1742-1743 гг., а среднюю плотность и массу вычислил Генри Кавендиш в 1797 году. Позже выяснили, что плотность горных пород на поверхности ниже показателя средней плотности, а значит данные внутри планеты должны быть выше.

В конце 1500-х гг. Уильям Гилберт изучил магнитное поле. С того момента узнали о дипольном характере и перемене геомагнитного поля. Волны землетрясений наблюдали в 1900-х гг. Черта между корой и мантией характеризуется крупным ростом скорости на разрыве Мохоровича с глубиной в 24-40 км. Граница мантии и ядра – разрыв Гутенберга (глубина – 2800 км). Внешнее ядро жидкое, потому что не пропускает поперечные волны.

Небольшой островок с огромной концентрацией зон вокруг. Это темный центральный участок, представленный серией пляжных хребтов, созданных песками, которые вынесло с берега штормами. Наивысшая точка поднимается на 12 футов над уровнем моря. Маяк с солнечной батареей кажется крошечной белой точкой (стрелка). Здесь размножаются различные редкие птицы, среди которых фрегаты.

В 1950-х гг. случилась революция в понимании нашей планеты. Теории континентального дрейфа перешли в тектонику плит, то есть литосфера плавает на астеносфере. Пластины смещаются и формируется новая океаническая кора. Также литосферы могут сближаться, удаляться и врезаться. Многие землетрясения возникают на местах субдукции.

Об океанической коре узнали благодаря серии буровых скважин. В рифтовых участках материал из мантийных колодцев охлаждается и затвердевает. Постепенно осадки накапливаются и создается базальтовый фундамент. Кора тонкая (5-8 км в толщину) и практически вся молодая (меньше 200 000 000 лет). Но реликты достигают возраста в 3.8 млрд. лет.

Для побережья Индийского океана прибережные лагуны с округленными островами – типичное явление. Подобные формы выделяются на фоне белых угловых прудов соледобывающей промышленности. Бурые воды (справа и внизу слева) постоянно пополняются дождями, но дамбы не дают темной воде смешаться с более прозрачной.

Континентальная кора намного старше и формировалась сложнее, поэтому ее тяжелее изучать. В 1975 году команда ученых использовала сейсмические методы, чтобы найти залежи нефти. В итоге им удалось обнаружить несколько низкоугловых тяговых листов под горами Аппалачи. Это сильно отразилось на теории формирования континентов.

После Второй мировой войны энтузиасты со всего мира пытались найти места ядерных взрывов. Это помогло провести огромное количество измерений землетрясений и стало главным источником для определения земной структуры.

Современные исследования планетарных глубин строятся на вычислении поперечных волн. Сейсмический томографический анализ фиксирует отличия в скорости земной поверхности и помогает найти мантийные струи. Ниже представлены знаменательные даты изучения планеты Земля и космические аппараты, которые использовали для этих целей.

Источник