Магнитный меридиан

Магни́тное по́ле Земли́ или геомагни́тное по́ле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад [1] .

Содержание

Строение и характеристики магнитного поля Земли

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части [2] :

  • главное поле,
  • поля мировых аномалий,
  • внешнее магнитное поле.

Главное поле

Более чем на 90 % оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем [3] [4] [5] . Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трёх её радиусов) близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг [2] [6] [3] [7] [8] . Центр этого диполя смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на угол около 10°. На такой же угол отстоят от соответствующих географических полюсов геомагнитные полюса — точки пересечения оси диполя с поверхностью Земли [4] . Их положение в различные моменты времени вычисляется в рамках той или иной модели магнитного поля, определяющей тем или иным образом первые три коэффициента в ряду Гаусса [3] . Эти глобальные модели, такие как Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) [9] и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM) [en] [10] , создаются различными международными геофизическими организациями, и каждые 5 лет утверждаются и публикуются обновлённые наборы коэффициентов Гаусса, определяющих все данные о состоянии геомагнитного поля и его параметрах [4] . Так, согласно модели WMM2015, северный геомагнитный полюс (по сути это южный полюс магнита) имеет координаты 80,37° с. ш. и 72,62° з. д., южный геомагнитный полюс — 80,37° ю. ш., 107,38° в. д., наклон оси диполя относительно оси вращения Земли — 9,63° [3] [11] .

Поля мировых аномалий

Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности. Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии [2] [4] [7] [8] . Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах [5] .

Существование магнитных полей протяжённых локальных областей внешних оболочек приводит к тому, что истинные магнитные полюса — точки (вернее, небольшие области), в которых силовые линии магнитного поля абсолютно вертикальны, — не совпадают с геомагнитными, при этом они лежат не на самой поверхности Земли, а под ней [4] [3] [6] . Координаты магнитных полюсов на тот или иной момент времени также вычисляются в рамках различных моделей геомагнитного поля путём нахождения итеративным методом всех коэффициентов в ряду Гаусса. Так, согласно актуальной модели WMM, в 2015 г. северный магнитный полюс находился в точке 86° с. ш., 159° з. д., а южный — 64° ю. ш., 137° в.д [3] . Значения актуальной модели IGRF12 немного отличаются: 86,3° с. ш., 160° з. д., для северного полюса, 64,3° ю. ш., 136,6° в.д для южного [11] .

Соответственно, магнитная ось — прямая, проходящая через магнитные полюса, — не проходит через центр Земли и не является её диаметром [6] [7] .

Положения всех полюсов постоянно смещаются — геомагнитный полюс прецессирует относительно географического с периодом около 1200 лет [2] .

Внешнее магнитное поле

Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в её атмосфере [2] [4] . В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — её молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны [12] .

Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны [2] . Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, ещё контролируемую магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников [2] [4] [7] [8] ; она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Подсолнечная точка магнитосферы в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов R; при слабом солнечном ветре это расстояние достигает 15—20 R, а в период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 R) [2] . Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 R и длину более 900 R; начиная с расстояния примерно 8 R, он разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю [2] [4] [7] [8] .

Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц — протонов и электронов — магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Общая их масса, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг. Они формируют так называемый радиационный пояс, охватывающий Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два — внутренний и внешний. Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина — несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10—15 тыс. км. Частицы радиационного пояса под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно, одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии они совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток [7] .

Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц [8] . Однако в её хвосте, на больших расстояниях от Земли напряженность геомагнитного поля, а следовательно, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность попасть вовнутрь магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Хвост таким образом служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи [2] . В полярных областях часть потока солнечной плазмы вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует, а при обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, ионизированные же молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом наблюдаются полярные сияния, особенно динамичные и яркие во время магнитных бурь. Они происходят при возмущениях в магнитосфере, вызванных увеличением плотности и скорости солнечного ветра при усилении солнечной активности [8] [7] .

Параметры поля

Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли даёт магнитная стрелка, закреплённая таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), — в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.

Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно. Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, — магнитным меридианом [6] [8] . Таким образом, магнитные меридианы — это проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах [13] . Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением. Оно может быть западным (часто обозначается знаком «−») или восточным (знак «+») в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана [6] [7] [8] .

Далее, линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны её поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол — он называется магнитным наклонением [6] [8] . Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси [3] .

В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25 до 65 мкТл (0,25—0,65 Гс) и сильно зависит от географического положения [3] . Это соответствует средней напряжённости поля около 0,5 Э (40 А/м) [2] . На магнитном экваторе её величина около 0,34 Э, у магнитных полюсов — около 0,66 Э. В некоторых районах (магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает: в районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э [7] .

Магнитный дипольный момент Земли на 2015 год составлял 7,72⋅10 25 Гс·см³ (или 7,72⋅10 22 А·м²), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,007⋅10 25 Гс·см³ в год [11] .

Природа магнитного поля Земли

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году [18] , предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды. Однако в 1934 году Т. Каулинг [en] [19] доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма. А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теореме [20] . Даже Альберт Эйнштейн скептически относился к осуществимости такого динамо при условии невозможности существования простых (симметричных) решений. Лишь гораздо позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х гг. несимметричные решения были найдены [20] [15] .

С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами. Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4—6 тысяч кельвин, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твёрдого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты). Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора [en] . Благодаря трению слоёв они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создаётся система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея. Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений [14] [21] [16] [22] . Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счёт прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это всё же именно термохимическая конвекция [17] .

где u — скорость потока жидкости, B — магнитная индукция, η = 1/μσ — магнитная вязкость [en] (коэффициент магнитной диффузии), σ — электропроводность жидкости, а μ — магнитная проницаемость, практически не отличающаяся при такой высокой температуре ядра от μ0 — проницаемости вакуума. Первое слагаемое в правой части соответствует формированию магнитного поля, а второе — его подавлению. При u=0 (без динамо) решение этого уравнения — поле, полностью угасающее через 6⋅10 4 лет [23] .

Однако для полного описания необходимо записать систему магнитогидродинамических уравнений. В приближении Буссинеска (в рамках которого пренебрегается т. н. вековым охлаждением и все физические характеристики жидкости полагаются постоянными, кроме силы Архимеда, при расчёте которой учитываются изменения плотности вследствие разности температур и — в общем случае — концентрации лёгких элементов) это [16] [17] [23] :

    , содержащее члены, выражающие совокупное действие вращения и магнитного поля:

Вращение Земли — один из важнейших факторов формирования геомагнитного поля, и его механизм схож с процессами в атмосфере Земли, приводящим к завихрению воздушных масс против часовой стрелки в северном полушарии и в обратном направлении в южном — циклонам и антициклонам. Аналогичные завихрения конвекционных потоков в ядре приводят к тому, что отдельные турбулентные конвекционные движения приобретают крупномасштабную (при усреднении по пульсациям скорости) зеркальную асимметрию и в совокупности приводят к генерации динамо в макроскопических масштабах благодаря электродвижущей силе, направленной уже вдоль, а не перпендикулярно среднему (которое определяется усреднением реального поля по его возможным статистическим реализациям) магнитному полю ⟨ ε ⟩ = α ⟨ B ⟩ <\displaystyle \langle \mathbf <\varepsilon >\rangle =\alpha \langle \mathbf \rangle > , где ε — ЭДС, а α — коэффициент пропорциональности, из-за которого этот механизм и получил название альфа-эффект [22] [24] . В общем случае α — тензор, однако зеркальная антисимметрия даёт псевдоскаляр, которого и требует по построению эта формула, так как ε — истинный вектор, а B — псевдовектор [25] . Динамо, основанное исключительно на α-эффекте, называют α 2 -динамо, поскольку его действие выражается произведением двух членов, содержащих этот коэффициент [23] , — оно характеризуется практически стационарным полем, испытывающим небольшие кратковременные вариации (порядка сотен лет для Земли) и долговременные полные инверсии (порядка миллиона лет для Земли). Возможен также механизм с действием омега-эффекта (более существенного для Солнца, чем для Земли, однако необходимого для объяснения природы наблюдаемого дрейфа геомагнитных неоднородностей) — это измеряемое градиентом скорости дифференциальное вращение, которое из направленного к наблюдателю полоидального (вытянутого вдоль меридианов, BS) магнитного поля создаёт скрытое в проводящем ядре планеты тороидальное (вытянутое вдоль параллелей, BT) поле. Альфа-эффект замыкает цикл генерации — превращая тороидальное поле в полоидальное за счёт вихрей, характеризуемых отрицательной спиральностью (эта характеристика выражается соотношением u ⋅ ∇ × u <\displaystyle \mathbf \cdot \mathbf <\nabla >\times \mathbf > и непосредственно связана с величиной α) в Северном полушарии и положительной в Южном: восходящие и нисходящие потоки в конвекционных цилиндрах вытягивают и поворачивают BT-линии в S-направлении [26] [20] [15] [17] . Такая схема обычно называется αω-эффектом, она даёт переменные поля, и при этом BT>>BS, тогда как для α 2 -механизма эти компоненты сравнимы (экспериментально на сегодняшний день удалось получить только грубую оценку |BS|<|BT|<100|BS|). И если источником полоидального поля может быть только альфа-эффект, то тороидального — оба, причём если оба вносят существенный вклад, соответствующий механизм иногда обозначают α 2 ω. Большинство теоретических моделей магнитного динамо — типа α 2 . В обоих случаях, как альфа, так и омега-эффектов, таким образом снимаются ограничения теоремы Каулинга [16] [23] . Однако существует ряд геометрий течений, для которых динамо также невозможно (например, чисто тороидальное поле скоростей [23] [27] ), в то же время при определённых условиях оно возможно и при нулевой суммарной завихрённости ∇ × u <\displaystyle \mathbf <\nabla >\times \mathbf > и нулевой спиральности; возможны и другие эффекты, приводящие к возникновению ЭДС, параллельной магнитному полю [25] .

    , выражающее закон сохранения энергии:

где T — температура, κ = k/(ρcp) — температуропроводность (коэффициент тепловой диффузии), k — теплопроводность, cp — удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении. Последнее слагаемое, ε, пропорционально выделению тепла, генерируемого теми или иными растворёнными в жидкости источниками (такими как радиоактивный распад), на единицу массы. В моделях, учитывающих перенос не только тепла, но и вещества, записывается соответствующее аналогичное уравнение относительно переменной ξ — массовой доли лёгких элементов (считается, что это сера и кислород) в составе ядра:

где κξ — коэффициент (молекулярной) диффузии. В большинстве моделей динамо, однако для простоты разность температур и концентраций лёгких элементов объединяются в одну отвечающую за плавучесть переменную.

    :
  • Также должна выполняться теорема Гаусса
  • Наконец, уравнение состояния; в различных моделях используются различные его формы, например,

Естественно, необходимы также граничные условия для скорости потока, магнитного поля и разности температур, и многое зависит от того, как они ставятся в той или иной модели. Наибольший разброс имеет место в отношении потока тепла и вещества на границах между внутренним и внешним ядром, а также между внешним ядром и мантией, причём существенную роль играет неоднородность мантии и процессов в ней из-за тектоники плит [16] [17] [28] , которые, что немаловажно, протекают на порядки медленнее, нежели в ядре, что значительно осложняет комплексный анализ задачи.

Удобнее решать эту систему уравнений в безразмерном виде, вводя характерные величины длины, времени, скорости, магнитного поля и т. д.; тогда в них будут входить следующие безразмерные параметры [16] [17] [29] :

В зависимости от модели, встречаются и другие определения:

а также (при учёте массопереноса) массовое число Прандтля

соотношение характерных времён диффузии вязкой и тепловой, то есть кинематической вязкости и температуропроводности

Эту систему дифференциальных уравнений в частных производных ввиду её сложности можно точно решить только численно, и такая возможность технически появилась лишь относительно недавно. Задача численного моделирования — выяснить, описывает ли решение наблюдаемую динамику геомагнитного поля [16] . Получаемое в результате решения магнитное поле должно быть способно возбуждать токи, порождающие магнитное поле далее, и т. д. Сложность состоит в недостаточности информации о внутреннем ядре, в частности, об источниках тепла, вызывающих конвекцию [22] . Большие трудности вызывает описание мелкомасштабных структур и расчёт характеристик для них, например, слой Экмана [en] толщиной 10 см (пусть даже 10 м) на поверхности ядра радиусом 3500 км [16] . Исключительная малость безразмерных параметров E и Pm и, наоборот, большое значение Rm до сих пор являются недостижимыми при численном моделировании [17] .

Прорыв в этом отношении был достигнут в 1995 году в работах групп из Японии [31] и Соединённых Штатов [32] [30] . Начиная с этого момента, результаты ряда работ численного моделирования удовлетворительно воспроизводят качественные характеристики геомагнитного поля в динамике, в том числе инверсии [15] [33] . Эталонной моделью считается совокупный результат работы шести научных групп в конце 90-х гг. [34] , где ключевые безразмерные параметры полагались равными Ra=10 5 , E=10 −3 , Pr=1, Pm=5, что очень далеко от реальных значений, но принципиально, что в рамках неё тем не менее существует стабильное решение, и она широко используется для оценки точности других методов [17] .

Вместо точного численного решения, однако, можно построить систему обыкновенных дифференциальных уравнений низкого порядка, грубо отражающую основные особенности оригинальной нелинейной задачи, чтобы приближённо смоделировать поведение системы с точки зрения теории динамических систем [29] [15] . Также аналитически можно оценить поведение системы в асимптотическом пределе [17] [20] . Это позволяет моделировать различные режимы динамо, анализировать связь между параметрами [23] .

Экспериментальное изучение динамо-эффекта также сопряжено с огромными сложностями, так как в лабораторных условиях, естественно, крайне затруднительно воспроизвести условия, создаваемые внутри Земли либо других астрономических объектов — звёзд и планет. Основной проблемой является малость магнитного числа Прандтля, характеризующего экспериментально доступные жидкости [25] [17] . Поэтому с середины XX века осуществлено лишь три успешных реализации гидромагнитного динамо научными группами в Риге [35] [36] , Карлcруэ [37] и Кадараше [38] [39] , причём строго говоря, ни один из них нельзя считать прямым аналогом природного процесса [25] . Сейчас наиболее крупные исследования ведутся в Мэрилендском университете с использованием жидкого натрия и в Висконсинском университете, где необходимые для генерации динамо условия моделируются на горячей плазме [40] .

Проблемой современного геомагнетизма является так называемый Новый парадокс ядра [41] В рамках традиционной теории динамо для генерации самоподдерживающегося магнитного поля необходимо твёрдое внутреннее ядро. Однако в начале 2010-х гг исследования показали, что твёрдое ядро могло образоваться всего около 1,5 миллиардов лет назад [42] [43] , тогда как магнитное поле существовало уже 3,4 миллиарда лет назад [44] , а по некоторым данным даже 4,2 млрд лет назад [45] , то есть вскоре после формирования самой планеты. Следовательно, либо твёрдое ядро всё-таки сформировалось гораздо раньше [46] [47] , либо на ранних этапах динамо реализовывалось по какому-то иному механизму [48] [49] , например, некоторые ученые полагают [50] , что объяснением парадоксу может служить большая теплоотдача ядра и меньшая — мантии (в таком случае конвекция тепла возможна ещё до образования твердого ядра), однако даже изменённые значения теплопроводности не объясняют парадокс полностью. Разрабатываются также гипотезы о том, что магнитное поле Земли на ранних этапах её существования обеспечивается кристаллизацией минерального вещества — диоксида кремния [51] либо оксида магния [52] . На 2017 г. вопрос о возрасте твёрдого ядра и магнитном поле в ранние геологические периоды остаётся открытым [33] .

Изменения магнитного поля Земли

Исследования остаточной намагниченности, приобретённой изверженными горными породами при остывании их ниже точки Кюри, свидетельствуют о неоднократных инверсиях магнитного поля Земли, зафиксированных в полосовых магнитных аномалиях океанической коры, параллельных осям срединных океанических хребтов. В океанической коре, таким образом, записаны все изменения магнитного поля Земли за последние 180 млн лет. Сопоставляя участки с одинаковой намагниченностью по разные стороны океанических хребтов, можно определить, когда эти участки начали расходиться.

Смещение магнитных полюсов Земли

Впервые координаты магнитного полюса в Северном полушарии были определены в 1831 году, повторно — в 1904 году, затем в 1948 году и 1962, 1973, 1984, 1994 годах; в Южном полушарии — в 1841 году, повторно — в 1908 году [53] . Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии переместился [54] почти на 900 км и вышел в Южный океан [55] . Новейшие данные [56] по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные расчётные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса.

После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением. Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, например, в компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолётов [57] .

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах, — например в южной части Атлантического океана, — на 10 %. В некоторых местах напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (эти коридоры позволили выявить более 400 палеоинверсий) позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли [58] .

Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 1990-х годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок [ источник не указан 3967 дней ] .

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвейна)

В физике космических лучей широко используются специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь учёного Карла Мак-Илвейна (Carl McIlwain), первым предложившего их использование [59] , так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуется двумя координатами (L, B), где L — так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак-Илвейна (англ.  L-shell, L-value, McIlwain L-parameter ), B — магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли. [60]

История исследований

Ещё несколько тысячелетий назад в Древнем Китае было известно, что намагниченные предметы располагаются в определённом направлении, в частности стрелка компаса всегда занимает определённое положение в пространстве. Благодаря этому человечество с давних пор получило возможность при помощи такой стрелки (компаса) ориентироваться в открытом море вдали от берегов. Однако до плавания Колумба из Европы в Америку (1492 г.) особого внимания к исследованию такого явления никто не проявлял, так как ученые того времени полагали, что оно происходит в результате притяжения стрелки Полярной звездой. В Европе и омывающих её морях компас в то время устанавливался почти по географическому меридиану. При пересечении же Атлантического океана Колумб заметил, что примерно на полпути между Европой и Америкой стрелка компаса отклонилась почти на 12° к западу. Этот факт сразу же породил сомнение в правильности прежней гипотезы о притяжении стрелки Полярной звездой, дал толчок к серьезному изучению вновь открытого явления: сведения о магнитном поле Земли были нужны мореплавателям. С этого момента и получила свое начало наука о земном магнетизме, начались повсеместные измерения магнитного склонения, то есть угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки, то есть магнитным меридианом. В 1544 году немецкий учёный Георг Хартман [en] открыл новое явление: магнитная стрелка не только отклоняется от географического меридиана, но, будучи подвешена за центр тяжести, стремится встать под некоторым углом к горизонтальной плоскости, названным магнитным наклонением [5] .

С этого момента наряду с изучением явления отклонения ученые начали также исследовать и наклонение магнитной стрелки. У Хосе де Акосты (одного из основателей геофизики, по словам Гумбольдта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения. Он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом, а также колебание отклонений от одной точки до другой, идентифицировал места с нулевым отклонением, например, на Азорских островах [61] .

В результате наблюдений было установлено, что как склонение, так и наклонение имеют различные значения в разных точках земной поверхности. При этом их изменения от точки к точке подчиняются некоторой сложной закономерности. Её исследование позволило придворному врачу английской королевы Елизаветы и натурфилософу Уильяму Гильберту выдвинуть в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete») гипотезу о том, что Земля представляет собой магнит, полюсы которого совпадают с географическими полюсами. Другими словами, У. Гильберт полагал, что поле Земли подобно полю намагниченной сферы. Свое утверждение У. Гильберт основывал на опыте с моделью нашей планеты, представляющей собой намагниченный железный шар, и маленькой железной стрелкой. Главным аргументом в пользу своей гипотезы Гильберт считал, что магнитное наклонение, измеренное на такой модели, оказалось почти одинаковым с наклонением, наблюдавшимся на земной поверхности. Несоответствие же земного склонения со склонением на модели Гильберт объяснял отклоняющим действием материков на магнитную стрелку. Хотя многие факты, установленные позднее, не совпадали с гипотезой Гильберта, она не теряет своего значения и до сих пор. Основная мысль Гильберта о том, что причину земного магнетизма следует искать внутри Земли, оказалась правильной, равно как и то, что в первом приближении Земля действительно является большим магнитом, представляющим собой однородно намагниченный шар [5] .

В 1634 году английский астроном Генри Геллибранд установил, что магнитное склонение в Лондоне меняется со временем. Это стало первым зафиксированным свидетельством вековых вариаций — регулярных (от года к году) изменений средних годовых значений компонентов геомагнитного поля [5] [61] .

М. В. Ломоносов в 1759 году в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма он рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России [61] .

Углы склонения и наклонения определяют направление в пространстве напряженности магнитного поля Земли, но не могут дать её численного значения. До конца XVIII в. измерения величины напряженности не производились по той причине, что не были известны законы взаимодействия между магнитным полем и намагниченными телами. Лишь после того, как в 1785—1789 гг. французским физиком Шарлем Кулоном был установлен закон, названный его именем, появилась возможность таких измерений. С конца XVIII в., наряду с наблюдением склонения и наклонения, начались повсеместные наблюдения горизонтальной составляющей, представляющей собой проекцию вектора напряженности магнитного поля на горизонтальную плоскость (зная же склонение и наклонение, можно рассчитать и величину полного вектора напряженности магнитного поля) [5] .

Первая теоретическая работа о том, что представляет собой магнитное поле Земли, то есть каковы величина и направление его напряженности в каждой точке земной поверхности, принадлежит немецкому математику Карлу Гауссу. В 1834 г. он дал математическое выражение для составляющих напряженности как функции координат — широты и долготы места наблюдения. Пользуясь этим выражением, можно для каждой точки земной поверхности найти значения любой из составляющих, которые носят названия элементов земного магнетизма. Эта и другие работы Гаусса стали фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме [5] . В частности, в 1839 году он доказал, что основная часть магнитного поля выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде [61] .

В 1831 году английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт северный магнитный полюс — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. А в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде [61] .

Основы земного магнетизма. Магнитный компас в яхтинге.

навигация в яхтинге

Для решения подавляющего большинства навигационных задач в яхтинге, как на морской карте, так и при непосредственном управлении судном, яхтсмену необходимо, как можно точнее, определять направление на Северный географический полюс Земли. С древних времён для этого применялся свободно подвешенный намагниченный кусочек железа, имеющий продолговатую форму. Эта конструкция явилась прообразом сложных современных приборов — магнитных компасов.
Однако, у магнитных компасов имеется один существенный недостаток — они показывают направления не на северный географический полюс, а на северный магнитный. Да ещё, к тому же, делают это не совсем точно (а кое-где — и совсем не точно). Что хорошо — неточности магнитных компасов подчиняются определённым закономерностям, которые на сегодняшний день хорошо известны науке. Зная такие закономерности, и имея неточное направление на север, указанное таким магнитным компасом , можно достаточно легко и точно определить направление на северный географический полюс (истинный север).

Наклонение магнитного компаса.

Материал данной статьи как раз и посвящён объяснению всех перечисленных выше явлений и закономерностей, а также способов их практического использования в яхтинге. Наш земной шар, как это ни странно, представляет собой обыкновенный, но только очень большой магнит, окруженный, как положено, своим собственным магнитным полем. Магнитные полюса Земли находятся относительно недалеко от полюсов географических, но не совпадают с ними. Согласно современным представлениям физики, силовые линии магнитного поля Земли «выходят» из южного полюса и «входят» в северный .

магнитный компас

Говоря грубо, стрелка магнитного компаса стремится расположиться вдоль этих силовых линий. Но стрелка — практически прямая, а силовые линии — приближенные к эллиптической форме кривые. Поэтому стрелка располагается не строго горизонтально , а почти по касательной к силовой линии. И наклонена относительно плоскости горизонта к земле на некоторый угол. Этот угол характеризует магнитное наклонение . Отсюда определение магнитного наклонения, которое вытекает из элементарных законов геометрии — магнитное наклонение — вертикальный угол между осью свободно подвешенной стрелки магнитного компаса и плоскостью истинного горизонта. Для лучшего запоминания — магнитное наклонение — это то, что заставляет стрелку наклоняться к земле.

Вблизи полюсов наклонение принимает значение 90°. Это значит, что стрелка магнитного компаса стремится принять вертикальное положение. Такая стрелка хороша, как отвес, но никуда не годится, как определитель направлений в море. На экваторе же стрелка магнитного компаса чувствует себя вольготно, располагаясь практически горизонтально. Ничто не мешает ей хорошо делать своё дело (магнитное-то наклонение равно нулю!).
Отсюда правило: лучше всего магнитный компас работает в районе экватора , и совсем неприменим в непосредственной близости от полюсов . И соответственно, при практической навигации в яхтинге магнитное наклонение не учитывают , если конечно нет планов посетить Арктику или Антарктиду , где , мягко говоря, не очень комфортно на яхте.

Магнитное склонение.

Вертикальная плоскость, проходящая через силовую линию магнитного поля (а, значит, и через стрелку магнитного компаса) называется в навигации плоскостью магнитного меридиана. Плоскость магнитного меридиана пересекает поверхность земного шара. В результате этого пересечения получается замкнутая кривая, близкая к окружности. Эта кривая — магнитный меридиан наблюдателя.
Но в разных, расположенных даже довольно близко, точках Земли оказывается (при точных замерах), что стрелка магнитного компаса показывает не одно и то же направление — на магнитный полюс. Такое природное явление обусловлено тем, что в разных точках Земли магнитное поле испытывает разнообразные влияния и, как следствие, имеет неоднородные характеристики. Величина указанных отклонений в навигации «привязывается» к плоскости истинного меридиана и называется магнитным склонением.
Значения склонения в различных точках земли различно и колеблется в умеренных широтах от 0° до 25°. В высоких широтах магнитное склонение достигает значений в десятки градусов, а если измерить его, находясь между северным магнитным и северным географическим полюсами, то оно составит 180° (так же и с «парой» южных полюсов).

магнитное склонение

Для осуществления измерений элементов земного магнетизма, из которых для навигации в яхтинге важнейшим является магнитное склонение, построены и используются специальные научно-исследовательские суда разных стран. На основании их измерений составляются карты склонений, которые называют — изогоническими. На этих картах нанесены кривые линии, соединяющие точки с одинаковыми значениями магнитных склонений. Эти линии принято называть изогонами. Изогона, соединяющая точки с нулевым склонением носит название агоны.

В результате упомянутых выше исследований также установлено, что в одном и том же месте величина склонения с течением времени изменяется (как изменяется и местоположение магнитных полюсов Земли). Что хорошо для яхтинга — изменение это имеет практически постоянную величину за определённый отрезок времени (в практических целях используют год). Поэтому на морских навигационных картах указывается величина магнитного склонения и год, в который она измерена. Ещё обязательно указывается, на какую величину и в какую сторону (к западу или востоку) в течение одного года это склонение изменяется. Такая величина называется годовое изменение склонения. Причём если изменение идёт в восточную сторону, то годовое изменение имеет знак «плюс» (+) и называется ещё годовым увеличением. А если значение изменяется к западу, то оно называется годовым уменьшением и имеет знак «минус» (—).

В процессе любой работы с навигационной картой в яхтинге необходимо обязательно приводить магнитное склонение к году плавания. Это делается достаточно просто. К значению склонения (со своим знаком), указанному на карте (в виде картушки магнитного компаса или просто надписью) прибавляют произведение величины годового изменения (также со своим знаком) и количества лет, прошедших от года, к которому отнесено склонение, до года фактического плавания.
Описанная процедура производится яхтсменом ещё на стадии предварительной прокладки маршрута перехода и обязательно — на каждой используемой карте. Есть тут маленькая особенность, на которую не всегда обращают внимание, особенно начинающие моряки. Как уже отмечалось, склонение в разных точках земной поверхности — разное. И оно зачастую разное на разных участках морской карты. Так оно и указывается — различное — в нескольких местах карты (вместе с соответствующим годовым изменением). Необходимо осуществить приведение склонения к году плавания на каждом таком участке!

Говоря о земном магнетизме, нельзя не затронуть такое явление, как магнитные аномалии. Они возникают в местах, где имеются крупные залежи пород, обладающим своим собственным магнитным полем. Такое поле, как бы складываясь с полем Земли, вызывает изменения параметров последнего. Магнитные аномалии указаны на картах специальными линиями. Так же указывается и величина наибольших изменений склонения. Пользоваться при яхтинге в таких районах магнитными компасами нежелательно, потому что их показания здесь не имеют практического значения.

Случаются в природе и магнитные бури. Учёные установили их определённую зависимость от солнечной активности, но до конца данное явление не изучено. Во время бури происходят изменения значений элементов земного магнетизма, достигающие порой весьма значительных величин. Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Когда «на дворе» буря яхтсмену на показания магнитного компаса ни в коем случае нельзя полагаться.

Девиация магнитного компаса.

девиация магнитного компаса

Также необходимо знать ещё об одной характеристике, применяющейся в работе с морскими магнитными компасами. Её название — девиация . Она возникает в результате того, что металлические детали яхты, на которой установлен магнитный компас, с течением времени намагничиваются. Магнитные поля деталей судна вступают во взаимодействие с полем земли и в результате вокруг каждого судна создаётся суммарное поле, отличающееся своими характеристиками от поля Земли в какой-либо её точке. Следовательно, стрелки магнитных компасов устанавливаются не по линии вектора напряженности поля Земли, а по линии равнодействующей напряженности обоих полей (Земли и судна). Это значит, что, кроме магнитного склонения, появляется ещё одна «поправочка», мешающая моряку получить направление на истинный (географический) северный полюс. Эта «поправочка» и есть девиация .

Дадим её более строгое определение. Но сначала нам опять-таки нужно ввести ещё одно понятие. Это понятие компасного меридиана. Его плоскость проходит вертикально через центр Земли и ось свободно подвешенной стрелки магнитного компаса. Девиация магнитного компаса — это горизонтальный угол между плоскостью магнитного и плоскостью компасного меридианов.
Девиация магнитного компаса отсчитывается от северной части магнитного меридиана (в отличие от склонения, отсчитываемого от меридиана истинного) в восточную или западную стороны. Соответственно восточная девиация имеет знак «плюс» (+), а западная — «минус» (-).

Важно понять и запомнить! При изменении курса яхты изменяется и значение девиации. Это происходит вследствие того, что изменяется положение железных частей судна относительно стрелки магнитного компаса (стрелка-то крутиться!). Именно поэтому девиацию определяют для разных курсов и составляют специальную таблицу, которой впоследствии постоянно пользуются.
Зная девиацию магнитного компаса, можно вычислить направления относительно магнитного меридиана, используя компасные направления.

Компасные направления — компасные курсы и компасные пеленги — отсчитываются от северной части компасного меридиана .
Компасный курс — горизонтальный угол между направлением на северную часть компасного меридиана и носовой частью диаметральной плоскости судна, отсчитываемый по часовой стрелке.
Компасный пеленг — горизонтальный угол между направлением на северную часть компасного меридиана и направлением на предмет, отсчитываемый по часовой стрелке.
Обратный компасный пеленг -угол, отличающийся от значения компасного пеленга на 180°

Нам уже ясно, что разного рода направления используются в навигации постоянно. Познакомимся ещё с некоторыми из них. Это магнитные направления. Понятие магнитных направлений введено специально для упрощения расчётов. Магнитные направления — это направления, отсчитываемые от магнитного меридиана. Такими направлениями являются магнитный курс, пеленг и обратный пеленг. В идеале такие направления может показать магнитный компас, на который не действуют никакие другие поля, кроме земного. А реально они отличаются от компасных на величину девиации.

Между магнитными и компасными направлениями существуют определённые зависимости, которые яхтсмен обязан знать. Тем более , что в любой уважающей себя яхтенной школе решениям навигационных задач с учетом этих зависимостей отводится довольно много времени. Да и сами задачи несложные , построены на простых арифметических действиях.

Конечно, в наши дни область практического применения магнитных компасов в яхтинге значительно сузилась. Везде установлены спутниковые радионавигационные системы. На этом «основании» современные молодые яхтсмены пренебрежительно относятся к старой доброй технике. Им совершенно не хочется изучать теорию магнетизма, вникать в тонкости эксплуатации «архаичных» магнитных компасов.
Понимание приходит со временем, когда яхтсмен с удивлением убеждается, что вся современная техника нередко ломается, а «дедуля» продолжает исправно служить, оставаясь до прихода в порт единственным курсоуказателем на яхте!

Нужно всегда помнить, что на море недопустима халатность и несерьёзное отношение . Это может привести к очень неприятным последствиям. Но не будем о плохом, продолжим изучение «магнитного дела», тем более, что разбираться с основами его теории уже закончили. Перед нами теперь лежит область практических задач, связанная с применением магнитных компасов для навигации .

На этом про земной магнетизм закончим. О применении полученной информации для практического яхтинга в следующих статьях.

Небесный меридиан: определение, структура и интересные факты

Популяризации знаний из области астрономии сегодня во многом способствует интерес к астрологии, гороскопам и тайным знаниям. Но такие романы, как «Карта (тайна) небесной сферы, или Тайный меридиан» известного романиста из Испании Артуро Переса-Реверте, который стал бестселлером с 2007 года, не восполняют знания из области классической астрономии. В статье рассмотрим понятие небесной сферы. И, конечно, ее характеристики – небесный меридиан и экватор.

Полуденный показатель

Именно так с латыни переводится само слово «меридиан». Под ним понимается линия сечения любой поверхности плоскостью, которая проходит через ось симметрии тела.

Что такое апофема для многоугольника и пирамиды? Апофема правильной четырехугольной пирамиды Вам будет интересно: Что такое апофема для многоугольника и пирамиды? Апофема правильной четырехугольной пирамиды

Существуют астрономические, географические, магнитные меридианы. В народном целительстве есть понятия меридианов человеческого тела.

С понятием меридиана связано развитие астрологии как науки о связи расположения звезд в момент рождения человека и влиянии их на судьбу. Именно так древними астрологами были выделены в полосе эклиптики каждые 16 градусов, которые и образовали двенадцать зодиакальных знаков-созвездий.

И хотя сегодня наши знания о расположении звезд на небесном своде гораздо шире, но зодиакальные обозначения продолжают использоваться в астрономии.

плоскость меридиан

Такие разные меридианы

В упомянутом романе речь идет о тайном небесном меридиане, расшифровка которого связана с сокрытыми сокровищами иезуитов. А сколько на самом деле меридианов?

В астрономии выделяют следующие:

  • Меридиан астрономический или истинный. Это линия на поверхности земли, на которой все точки характеризуются одинаковой астрономической долготой. Плоскость этого меридиана проходит через направление отвеса в любой точке и параллельна оси вращения планеты.
  • Небесным меридианом называется круг на небесной сфере, который проходит через полюсы мира и соединен с зенитом точки наблюдения.
  • Меридиан Гринвичский. Это условная линия, которая проходит через Гринвичскую обсерваторию (Англия). Именно от него сегодня ведется счет астрономической долготы в западном и восточном направлениях.

Тайный меридиан

Но так было не всегда, а лишь с 1884 года, когда именно Гринвичский меридиан был принят во всех странах в качестве нулевого. А произошло это в соответствии с решением первой Международной меридианной конференции.

В Российской империи до данного события использовался как нулевой Пулковский меридиан, во Франции – Парижский, во многих странах – меридиан Ферро.

А в средние века вообще за нулевой меридиан могли принять любой. Именно в связи с этим и существует легенда о тайном меридиане.

Небесный свод

Наблюдателю кажется, что все звезды располагаются на поверхности огромной сферы, которая вращается в направлении с востока на запад. Это заметили еще в глубокой древности, и первыми астрономами (Аристотель, Птолемей) было обозначено понятие небесной сферы с четким расположением на ней небесных тел.

Микроскопы "Микромед": обзор, описание, характеристики Вам будет интересно: Микроскопы "Микромед": обзор, описание, характеристики

Именно тогда появилась сферика – наука про положение звезд и составление их каталогов и карт. И пусть представления древних астрономов и были ошибочны, но такая модель небесной сферы оказалась очень удачной.

небесная сфера

Основные термины

Итак, сегодня небесной сферой называют воображаемую сферу с произвольным радиусом, на которой спроецировано расположение небесных тел.

Элементами небесной сферы являются:

  • Отвесная линия – прямая, которая проходит через центр сферы и совпадает с направлением отвесной прямой в точке наблюдения. Пересечение этой линии с небесной сферой называется зенит, а в точке на поверхности планеты или же под ногами у наблюдателя – надир.
  • Истинный горизонт – плоскость круга небесной сферы, перпендикулярная отвесной линии.
  • Вертикал светила – полукруг сферы, который проходит через светило и соединяет надир с зенитом.

карта астрономия

Понятия, связанные с вращением небесной сферы

  • Ось мира – это воображаемая прямая, которая проходит через центр и пересекается с поверхность самой сферы в полюсах (северном и южном).
  • Небесный экватор – большой круг, перпендикулярно пересекающий ось мира. Он делит сферу на северное и южное полушария.
  • Круг сферы, который проходит через отвесную линию и ось, – небесный меридиан. Плоскость его также делит сферу на два полушария – восточное и западное.
  • Полуденная линия – условная прямая, где пересекаются плоскости меридиана и горизонта.

Как располагается ось мира относительно небесного меридиана, иллюстрирует рисунок ниже.

меридиан астрономия

Становится понятно, что ось мира расположена параллельно оси вращения планеты и находится в плоскости меридиана. А сам небесный меридиан пересекается с горизонтом в точках севера и юга.

Системы сферических координат

Каждой звезде соответствует точка на небесной сфере с соответствующими координатами. При этом положение и движение светил может изучаться в разных системах сферических координат, например:

  • Горизонтальная топоцентрическая. В данном случае фундаментальной точкой отсчета считают положение наблюдателя, а центральной плоскостью – истинный (математический) горизонт.
  • Первая и вторая экваториальные системы за фундаментальную плоскость берут экватор.
  • Эклиптическая использует плоскость эклиптики (большой круг небесной сферы, по которому Солнце перемещается в течение года).
  • Галактическая система координат основана на использовании плоскости, на которой размещена наша галактика.

Кульминации светил

Каждая звезда на небесной сфере два раза в сутки проходит небесный меридиан. При этом в своем верхнем положении светило расположено к югу, а в нижнем – к северу от полюсов. Именно явления, когда центр светила проходит небесный меридиан, называются кульминациями. При этом стоит отметить, что явления доступны для наблюдения только у восходящих и заходящих светил.

кульминация светил

Для наблюдения за движениями светил используют телескопы, установленные в их плоскости (пассажные инструменты).

Для астронома-любителя

Но и без специальных приборов и при минимальных астрономических знаниях можно наблюдать за движением светил и даже измерять расстояния между ними.

меридиан небесный

Как известно, расстояния между звездами измеряются в угловых градусах. Полный круг для светила равен 360 градусов. Например, изменение расстояния между звездами можно, хоть и приближенно, заметить при сравнении угла между ними.

Кроме того, знание координат светила в тот или иной временной промежуток значительно упрощает их поиск на небесном своде для астронома-любителя. В домашний телескоп так можно увидеть Меркурий (очень недолго), Венеру (и то только в виде серпа) и Марс (только раз в два года – в период противостояния). А самыми захватывающими будут наблюдения за Юпитером и Сатурном.

тайна небесной сферы или тайный меридиан

Подведем итог

Величайшие открытия нашей цивилизации связаны с понятием небесных координат. Прецессия и нутация нашей планеты, аберрации и параллаксы звезд, черные дыры и разноцветные карлики – эти и другие открытия продолжают будоражить умы ученых и любителей. Знания о небесных координатах дали человечеству возможность решать задачи времени, определять географическое положение на планете, составить каталоги и карты звезд.

Значение этих знаний сложно переоценить в астрономии, астрофизике, космонавтике.

И в астрологии также. Ведь именно обнаружение тринадцатого знака зодиака – Змееносца – внесло в астрологию немало скептицизма. А появилось это созвездие в эклиптике благодаря тому, что изменилась прецессия Земли. Но это тема уже совсем другой статьи.

Азимуты, магнитное склонение, дирекционные углы, сближение меридианов

Истинный и магнитный азимут, дирекционный угол и формулы связи.

При изображении участков местности на бумаге необходимо всегда указывать их положение относительно сторон света (направлений север – юг, восток – запад). Определение направления линии относительно сторон света называют ориентированием линии. Исходными направлениями для ориентирования линий в геодезии служат: 1 – северное направление истинного (географического) меридиана (И.М.), 2 – северное направление магнитного меридиана (М.М.) (меридиана проходящего через ось магнитной стрелки компаса), 3 – северное направление осевого меридиана (О.М.), или направление, параллельное ему (рисунок 2.8).

Ориентирование линий местности относительно исходных направлений осуществляется с помощью следующих ориентирных углов: истинного азимута (АИ), магнитного азимута (АМ), дирекционного угла (α).

И с т и н н ы м а з и м у т о м ( Аи) называют угол между северным направлением истинного меридиана и направлением заданной линии АВ местности, отсчитываемый по ходу часовой стрелки. Истинный азимут в зависимости от направления линии АВ может изменяться от 0 до 360о.

М а г н и т н ы м а з и м у т о м называют угол между северным направлением магнитного меридиана и заданной линией АВ местности, отсчитываемый по ходу часовой стрелки от 0 до 360о.

Д и р е к ц и о н н ы м у г л о м называется угол между северным направлением осевого меридиана и заданной линией АВ местности, отсчитываемый по ходу часовой стрелки от 0 до 360о.

Из рисунка 2.8 видно, что

Приравняв (2.1) и (2.2), получим:

Формулы (2.1) – (2.4) определяют зависимость между истинным азимутом, дирекционным углом и магнитным азимутом данной линии АВ местности. В этих формулах γ – сближение меридианов. Сближением меридианов называется угол между направлением географического меридиана и направлением, параллельным осевому меридиану в данной точке А земной поверхности. Если точка А расположена на осевом меридиане или на экваторе, то γ = 0. В общем случае

где ΔL – разность долгот географического меридиана точки А и осевого

В – широта точки А.

Сближение меридианов отсчитывается всегда от истинного меридиана к осевому и может быть восточным, если осевой меридиан отклоняется к востоку от истинного (см. рисунок 2.8), или западным, если осевой меридиан отклоняется к западу от истинного. Восточному сближению меридианов приписывают знак плюс, а западному – минус. Как видно из формулы (2.5), наибольшее значение сближение меридианов достигает на полюсах (В = ±90о), где для шестиградусных зон в проекции Гаусса – Крюгера γ = ±3о.

Угол δ в формулах (2.1) – (2.4) называют склонением магнитной стрелки и определяется как угол между направлениями географического и магнитного меридиана в данной точке А поверхности Земли. Магнитное склонение отсчитывают от истинного меридиана к магнитному. Восточному склонению приписывают знак плюс, а западному – минус. Магнитное склонение зависит как от места на поверхности Земли, так и от времени, и имеет вековые, годичные и суточные периодические изменения. Суточные изменения могут достигать 15′. Сведения о магнитном склонении можно получить на метеостанциях или выбрать из схемы, приведенной под южной рамкой топографической карты.

Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 2

Магнитный компас может указывать направление исключительно благодаря воздействию на него огромного магнита под названием Земля. Поэтому ответить на вопрос, поставленный в первой части конспекта «Что делать, если девиация магнитного компаса вдруг, «в результате попадания молнии» стала очень большой?», без представления о земном магнетизме затруднительно. Итак, планета Земля – второй участник процесса выработки курса с помощью магнитного компаса.

Магнитное поле Земли

Наша планета Земля представляет собой огромный магнит, создающий вокруг себя мощное магнитное поле. Магнитное поле Земли, в первом приближении, представляет собой поле намагниченного шара-диполя, помещенного в центре планеты и наклоненного к оси ее вращения примерно на угол 12°. Ось этого магнита пересекает земную поверхность в точках, расположенных неподалеку от географических полюсов, и эти точки соответственно называются северный магнитный полюс и южный магнитный полюс. В силу различных причин магнитное поле Земли имеет не одинаковую природу и сложную структуру и поэтому неоднородно.

Магнитное поле Земли

Любопытно, что, хотя северный магнитный полюс и называется «северным», однако, он имеет магнетизм южного наименования и ему приписывают знак «минус», а соответственно южный магнитный полюс – северного наименования и соответствующий ему знак — это «плюс».

Магнитные силовые линии исходят из южного магнитного полюса, имеющего знак плюс, и сходятся в точке северного магнитного полюса, имеющего знак минус.

Магнитные силовые линии

Напомню, что магнитное поле характеризуется напряженностью – векторной величиной, направленной по касательной к силовым линиям. Если мы подвесим намагниченную иголку на нитке – этакую модель магнитной стрелки, то эта свободно подвешенная магнитная стрелка под действием магнитного поля будет стремиться занять такое положение в пространстве, чтобы ее магнитная ось совпала по направлению с вектором напряженности магнитного поля Земли. И эта намагниченная игла будет располагаться под некоторым углом к земной поверхности, который называется магнитным наклонением. Если северный конец иглы опущен под горизонт, то такое наклонение принято считать положительным. Если приподнят, то — отрицательным.

На магнитных полюсах магнитное наклонение равно 90°, т.е. вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен поверхности, и подвешенная игла будет висеть вертикально.

Линия на земной поверхности, где магнитное наклонение равно нулю называется магнитный экватор. В отличие от географического экватора, магнитный экватор представляет собой кривую линию.

Магнитный экватор на карте изолиний горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Полную силу Земного магнетизма можно разложить на составляющие – горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная составляющая этой силы – это как раз та сила, которая заставляет стрелку магнитного компаса указывать на север. Очевидно, что в районе экватора эта составляющая максимальна, а в приполюсных районах она близка к нулю. Поэтому в приполюсных районах магнитный компас не работает, т.к. горизонтальная составляющая магнитного поля Земли слишком слаба.

След от сечения плоскости истинного горизонта и вертикальной плоскостью, проходящей через магнитную ось свободно подвешенной магнитной стрелки, называется магнитным меридианом. Обратите внимание, что магнитный меридиан, в отличие от географического меридиана, не является дугой большого круга, соединяющей по кратчайшему расстоянию полюса, а может иметь весьма извилистую форму вследствие неоднородности магнитного поля.

В общем случае магнитный меридиан и истинный меридиан не совпадают. Угол между ними называется магнитным склонением. Если северный конец магнитной стрелки отклонен от истинного меридиана к востоку, то склонение будет восточным и ему присваивается знак плюс. И наоборот, если стрелка отклонена к западу, то склонение будет соответственно западным и иметь знак минус.

В разных точках земного шара склонение неодинаково и может принимать значение от нуля до 180 градусов.

Карта изогон – линий с равным значением магнитного склонения

Главное магнитное поле земли не является постоянным. Непрерывные наблюдения показывают, что оно из года в год изменяется. Вследствие этого меняются координаты магнитных полюсов, меняются значения элементов земного магнетизма, такие как магнитное склонение, положение магнитного экватора и другие.

В современный компьютерный век элементы земного магнетизма, подобно погоде, рассчитывают с помощью сложных математических моделей. Благодаря таким методам существует возможность рассчитать значение магнитного склонения на любую дату в любой точке Земного шара.

Величина магнитного склонения для Санкт-Петербурга

Мы кратко рассмотрели элементы земного магнетизма, но чтобы приблизиться к ответу на главный вопрос, заданный в начале статьи, нужно проанализировать более детально, каким образом магнитное поле Земли заставляет стрелку магнитного компаса указывать на север.

В отличие от свободно подвешенной намагниченной иголки, стрелка магнитного компаса может вращаться только в горизонтальной плоскости. Поэтому основной силой, заставляющей ее поворачиваться, является горизонтальная составляющая магнитного поля, которая, как уже было отмечено ранее, максимальна вблизи экватора и уменьшается до нуля у магнитных полюсов. Иными словами, создается вращательный момент, заставляющий магнитную стрелку возвращаться в положение, когда ее магнитная ось параллельна горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли. Этот момент силы называется вращающим моментом чувствительного элемента компаса. Вращающий момент чувствительного элемента компаса пропорционален магнитному моменту стрелки, горизонтальной составляющей земного магнетизма и зависит от угла отклонения оси чувствительного элемента от магнитного меридиана.

Вращающий момент магнитной стрелки

Когда магнитная стрелка находится «в меридиане», вращающий момент равен нулю. При отклонении стрелки от магнитного меридиана, появляющийся вращающий момент заставляет стрелку возвращаться в исходное положение равновесия. Из всего этого следует, что вращающий момент магнитной стрелки изменяется с широтой и в приполюсных районах стремится к нулю.

Итак, мы рассмотрели вторую составляющую процесса выработки курса с помощью магнитного компаса – магнитное поле Земли. Остается еще третий участник – наша яхта. Но мы расскажем об этом в следующей части.

Использованные материалы: П.А.Нечаев, В.В.Григорьев «Магнитно-компасное дело», NATIONAL GEOSPATIAL-INTELLIGENCE AGENCY «HANDBOOK OF MAGNETIC COMPASS ADJUSTMENT», E.А.Жалковский, В.И.Никифоров «О картографировании главного геомагнитного поля Земли», В.В.Воронов, Н.Н.Григорьев, А.В. Яловенко «Магнитные компасы»

Первая часть: Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 1

Истинный меридиан и магнитный. Ориентирование по истинному и магнитному меридиану

Азимут — угол между направлением на север и какой-нибудь точкой на местности. Умение определить азимут помогает ориентироваться на местности. Азимут помогает не сбиться с пути при нахождении на равнинах и в местах, где нет ориентиров. Поможет при передвижении при плохой видимости, в темное время суток.

Определение азимута

Для определения азимута понадобится топографическая карта и компас. С помощью карты определяют истинный меридиан, а с помощью компаса — магнитный.

Истинный меридиан — воображаемая линия пересечения поверхности земли с плоскостью, которая проходит через отвесную линию и ось вращения земли.

Магнитный меридиан — это линия, расположенная вдоль силовых линий магнитного поля земли, все магнитные меридианы сходятся в северном и южном магнитных полюсах.

Если совместить магнитный меридиан и истинный меридиан можем найти магнитное склонение. Для определения истинного азимута к магнитному меридиану, найденого с помощью компаса, прибавляют восточное магнитное склонение, либо вычитают западное склонение, которое можно узнать в справочнике, либо определить на карте.

Определение азимута полезно во всех ситуациях. Азимут помогает определить направление и проложить маршрут для путешественников, морских и воздушных судов. Азимут поможет в ситуации, когда нет видимых ориентиров или указателей.

Для определения азимута по карте определяют угол между меридианом и направлением к пункту назначения. Если на пути имеется преграда, маршрут корректирует и он проходит по ломаной прямой.

Истинные азимуты и румбы, зависимость между ними. Сближение меридианов, его применение

Кроме осевого меридиана зоны при ориентировании линий местности за основное направление может приниматься направление истинного (географического) меридиана

Истинный меридиан

– линия пересечения земной поверхности с плоскостью, проходящей через отвесную линию и ось вращения Земли.

Положение линии местности относительно истинного меридиана определяется истинным азимутом или истинным румбом.

Истинный азимут линии

– угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от северного направления истинного меридиана по ходу часовой стрелки до данной линии (рис. 20).

Истинный румб линии

– острый горизонтальный угол, отсчитываемый от ближайшего направления истинного меридиана (северного или южного) до данной линии.

Рис. 20. Истинные азимутыы

Истинный азимут A

измеряется от 0° до 360°. Зависимость между истинными азимутами и румбами такая же, как и между дирекционными углами и осевыми румбами.

Истинные меридианы, проходящие через точки Земли с разной долготой, не параллельны между собой и сходятся на полюсах. Поэтому азимуты одной и той же прямой линии, определяемые относительно разных истинных меридианов, отличаются на величину γ (рис. 21), которую называют углом сближения меридианов. Его приближенное значение можно рассчитать по формулам:

·
tg
φ или γ =
sin
φ · Δλ,

– длина прямой линии между точками (км); φ – средняя широта линии; Δλ – разность долгот. При
l
= 1 км и широте Хабаровска φ = 48°28′ угол сближения меридианов γ = 0,6′ = 36″.

Рис. 21. Зависимость между истинным азимутом и дирекционным углом

Для перехода от дирекционного угла к истинному азимуту и наоборот необходимо знать угол сближения γ между осевым и истинным меридианом (рис. 21). Зависимость между истинным азимутом и дирекционным углом следующая

Если точка расположена к западу от осевого меридиана, то величину угла сближения γ между осевым и истинным меридианом принято считать отрицательной, если к востоку – положительной (рис. 21). Например, истинные азимуты линии при дирекционном угле α

= 70° и углах сближения γ = – 0°50′ для западной точки
М1
, γ = 0°50′ для восточной –
М2
соответственно равны

А1 = 70° – 0°50′ = 69°50′,

А2 = 70° + 0°50′ = 70°50′.

При ориентировании линий местности за основное направление может также приниматься направление магнитного меридиана

Магнитная стрелка на концах имеет точки, в которых сосредоточены магнитные массы. Соединяющая их линия называется магнитной осью стрелки

Вертикальная плоскость, проходящая через магнитную ось стрелки, является плоскостью магнитного меридиана

Линия пересечения плоскости магнитного меридиана с горизонтальной плоскостью дает направление магнитного меридиана.

Горизонтальный угол, отсчитываемый от северного направления магнитного меридиана по ходу часовой стрелки до данной линии, называется магнитным азимутом
Ам
(рис. 22).

Рис. 22. Магнитный азимут и склонение магнитной стрелки: а) западное; б) восточное

В каждой точке на поверхности Земли магнитный и истинный меридианы образуют между собой угол, называемый склонением магнитной стрелкиδ

(рис. 22). Северный конец магнитной стрелки может отклоняться от истинного меридиана к западу или востоку. В зависимости от этого различают западное и восточное склонения. Восточное склонение принято считать положительным, западное – отрицательным:

Аи = Ам + δвост

Аи = Ам – δзап

Магнитное склонение в разных пунктах Земли различно и непостоянно. Различают вековые, годовые и суточные изменения склонения. В связи с этим магнитная стрелка указывает направление магнитного меридиана приблизительно и ориентировать линию по нему можно только тогда, когда не требуется большая точность ориентирования.

10. Рельеф местности его формы. Изображение его на планах и картах, горизонталями, свойства горизонталей.

– форма физической поверхности Земли, рассматриваемая по отношению к её уровенной поверхности.

называется совокупность неровностей суши, дна океанов и морей, разнообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. При проектировании и строительстве железных, автомобильных и других сетей необходимо учитывать характер рельефа – горный, холмистый, равнинный и др.

К основным формам рельефа относятся:

– это возвышающаяся над окружающей местностью конусообразная форма рельефа. Наивысшая точка её называется вершиной. Вершина может быть острой – пик, или в виде площадки – плато. Боковая поверхность состоит из скатов. Линия слияния скатов с окружающей местностью называется подошвой или основанием горы.

– форма рельефа, противоположная горе, представляющая собой замкнутое углубление. Самая низкая точка её – дно. Боковая поверхность состоит из скатов; линия их слияния с окружающей местностью называется бровкой.

– это возвышенность, вытянутая и постоянно понижающаяся в каком – либо направлении. У хребта два склона; в верхней части хребта они сливаются, образуя водораздельную линию, или водораздел.

– форма рельефа, противоположная хребту и представляющая вытянутое в каком – либо направлении и открытое с одного конца постоянно понижающееся углубление. Два ската лощины; сливаясь между собой в самой низкой части её образуют водосливную линию или тальвег, по которой стекает вода, попадающая на скаты. Разновидностями лощины являются долина и овраг: первая является широкой лощиной с пологими задернованными скатами, вторая – узкая лощина с крутыми обнаженными скатами. Долина часто бывает ложем реки или ручья.

– это место, которое образуется при слиянии скатов двух соседних гор. Иногда седловина является местом слияния водоразделов двух хребтов. От седловины берут начало две лощины, распространяющиеся в противоположных направлениях. В горной местности через седловины обычно пролегают дороги или пешеходные тропы; поэтому седловины в горах называют перевалами.

Для решения инженерных задач изображение рельефа должно обеспечивать: во-первых, быстрое определение с требуемой точностью высот точек местности, направления крутизны скатов и уклонов линий; во-вторых, наглядное отображение действительного ландшафта местности.

Рельеф местности на планах и картах изображают различными способами (штриховкой, пунктиром, цветной пластикой), но чаще всего с помощью горизонталей (изогипсов), числовых отметок и условных знаков.

Горизонталь на местности можно представить как след, образованный пересечением уровенной поверхности с физической поверхностью Земли. Например, если представить холм, окружённый неподвижной водой, то береговая линия воды и есть горизонталь

(рис. 30). Лежащие на ней точки имеют одинаковую высоту.

Допустим, что высота уровня воды относительно уровенной поверхности 110 м (рис. 30). Предположим теперь, что уровень воды упал на 5 м и часть холма обнажилась. Кривая линия пересечения поверхностей воды и холма будет соответствовать горизонтали с высотой 105 м. Если последовательно снижать уровень воды по 5 м и проектировать кривые линии, образованные пересечением поверхности воды с земной поверхностью, на горизонтальную плоскость в уменьшенном виде, то получим изображение рельефа местности горизонталями на плоскости.

Таким образом кривая линия, соединяющая все точки местности с равными отметками, называется горизонталью

Рис. 30. Способ изображения рельефа горизонталями

При решении ряда инженерных задач необходимо знать свойства горизонталей:

1. Все точки местности, лежащие на горизонтали, имеют равные отметки.

2. Горизонтали не могут пересекаться на плане, поскольку они лежат на разных высотах. Исключения возможны в горных районах, когда горизонталями изображают нависший утес.

3. Горизонтали являются непрерывными линиями. Горизонтали, прерванные у рамки плана, замыкаются за пределами плана.

4. Разность высот смежных горизонталей называется высотой сечения рельефа

и обозначается буквой
h
.

Высота сечения рельефа в пределах плана или карты строго постоянна. Её выбор зависит от характера рельефа, масштаба и назначения карты или плана. Для определения высоты сечения рельефа иногда пользуются формулой

h = 0,2 мм · М,

где М

Такая высота сечения рельефа называется нормальной.

5. Расстояние между соседними горизонталями на плане или карте называется заложением ската

или
склона
. Заложение есть любое расстояние между соседними горизонталями (см. рис. 30), оно характеризует крутизну ската местности и обозначается
d
.

Вертикальный угол, образованный направлением ската с плоскостью горизонта и выраженный в угловой мере, называется углом наклона ската ν

(рис. 31). Чем больше угол наклона, тем круче скат.

Рис. 31. Определение уклона и угла наклона ската

Другой характеристикой крутизны служит уклон i

. Уклоном линии местности называют отношение превышения к горизонтальному проложению. Из формулы следует (рис. 31), что уклон безразмерная величина. Его выражают в сотых долях (%) или тысячных долях – промиллях (‰).

Если угол наклона ската до 45°, то он изображается горизонталями, если его крутизна более 45°, то рельеф обозначают специальными знаками. Например, обрыв показывается на планах и картах соответствующим условным знаком (рис. 32).

Изображение основных форм рельефа горизонталями приведено на рис. 32.

Рис. 32. Изображение форм рельефа горизонталями

Для изображения рельефа горизонталями выполняют топографическую съемку участка местности. По результатам съемки определяют координаты (две плановые и высоту) для характерных точек рельефа и наносят их на план (рис. 33). В зависимости от характера рельефа, масштаба и назначения плана выбирают высоту сечения рельефа h

Рис. 33. Изображение рельефа горизонталями

Для инженерного проектирования обычно h

= 1 м. Отметки горизонталей в этом случае будут кратны одному метру.

Положение горизонталей на плане или карте определяется с помощью интерполирования. На рис. 33 приведено построение горизонталей с отметками 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 м. Горизонтали кратные 5 или 10 м проводят на чертеже утолщенными и подписывают. Подписи наносят таким образом, чтобы верх цифр указывал сторону повышения рельефа. На рис. 33 подписана горизонталь с отметкой 55 м.

Там, где заложения больше, наносят штриховые линии (полугоризонтали

). Иногда, чтобы сделать чертеж более наглядным, горизонтали сопровождают небольшими черточками, которые ставятся перпендикулярно горизонталям, по направлению ската (в сторону стока воды). Эти черточки называются
бергштрихи
.

Тема: Общие сведения по геодезии. Предмет геодезии

_______ 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.

_______ 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.

Источники:

http://wikiredia.ru/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B4%D0%B8%D0%B0%D0%BD
https://wind-sail.ru/navigation/osnovy-zemnogo-magnetizma-i-ih-primenenie-v-jahtinge/
https://1ku.ru/obrazovanie/42070-nebesnyj-meridian-opredelenie-struktura-i-interesnye-fakty/
https://ohotanaotdih.ru/vyzhivanie/istinnyj-meridian-i-magnitnyj.html
http://geo-s.sibstrin.ru/lec/lec1/lec.html

Истинный и магнитный меридиан

Добавить комментарий

Adblock
detector
Рейтинг@Mail.ru