1. Úvod do kosmické geodézie Aleš Bezděk

Transkript

1 1. Úvod do kosmické geodézie Aleš Bezděk Teoretická geodézie 4 FSV ČVUT 2017/2018 LS 1

2 Teoretická geodézie 4: základní informace Přednáší: Mgr. Aleš Bezděk, Ph.D. (B922) Cvičení: Ing. Jan Holešovský (B919a) přednáška bude zakončena zkouškou informace, témata ke zkoušce, tyto prezentace v pdf a další materiály budou na gwiki 2

3 Zkoumání Země jako tělesa tvar, velikost poloha Země ve vesmíru gravitační pole Poznání i praktické použití zeměměřičství navigace mapování Kosmická geodézie historie a dnešek Všechny tyto aspekty se pojí ke geodézii od počátku novověku a platí i dnes. (Obr: Wdowinski Eriksson 2009 Geodesy in the 21st Century) 3

4 Kosmická geodézie historické příklady Zkoumání Země jako tělesa tvar, velikost: před kosmickou érou velmi nepřesné Eratosthenes z Kyrény (cca 200 př. n. l.) odhad obvodu Země na základě předpokladu kulatosti zeměkoule patrně první měření a výpočet metodami kosmické geodézie Stupňová měření je zjišťována vzdálenost mezi dvěma body na stejném poledníku (příp. rovnoběžce). je to pokračování v Eratosthenově metodě zjišťování velikosti a tvaru Země experimentální důkaz, že je Země zploštělá na pólech (18. st) (Obr.: Poutanen 2012 Space Geodesy - Observing Global Changes) 4

5 Odhad obvodu Země Erathosthenem Eratosthenes z Kyrény (cca 240 př. n. l.) zjistil, že při letním slunovratu je Slunce v nadhlavníku v Syeně (24 sev. šířky) ve stejný okamžik pomocí gnómónu (tyče) změřil úhel (7 ) mezi svislicí a směrem ke Slunci v Alexandrii vzdálenost Alexandrie-Syena byla změřena na cca 5000 stadií na základě hypotézy kulatosti Země odhadl její obvod Eratosthenes odhadl, že na stupeň připadá 700 stadií, na celý obvod stadií Kontrola výsledku je dnes obtížná: neznáme s jistotou délku 1 stadia Syena není přesně na obratníku Raka Alexandrie není přesně na sever od Syeny Země není přesně sférická atd. atd. Význam Eratosthenova odhadu je ovšem veliký přístup k problému, princip výpočtu i geometrické úvahy jsou naprosto moderní patrně první měření a výpočet metodami kosmické geodézie 5

6 Kosmická geodézie historické příklady Určení zeměpisné šířky poměrně jednoduché a přesné měřením na Slunce a hvězdy Určení zeměpisné délky nesrovnatelně náročnější, nutno přesně měřit čas ve starých mapách je směr východ-západ je deformovaný oproti směru sever-jih Objevitelské cesty, doba Kryštofa Kolumba chybně považovali Zemi za mnohem menší, než ve skutečnosti je vzdálenost Evropa-Čína byla odhadnuta na méně než ¼ obvodu Země naštěstí mezi Evropou a Asií našli nový kontinent měření na zatmění Měsíce 1494 a 1503: chybná zeměpisná délka Ameriky o 20 a 40 (!) přesnější hodnoty zeměpisných délek na mořích dosaženy až díky chronometru (18. st.) Harrison solved the precision problems with his much smaller H4 chronometer design in H4 looked much like a large five-inch (12 cm) diameter pocket watch. In 1761, Harrison submitted H4 for the 20,000 longitude prize. His design used a fast-beating balance wheel controlled by a temperature-compensated spiral spring. These features remained in use until stable electronic oscillators allowed very accurate portable timepieces to be made at affordable cost. (Wikipedia) 6

7 Kosmická geodézie metody Zásadní impulz vypuštění umělých družic Země (UDZ) Sputnik 1, 4. října 1957, další družice rychle následovaly kosmická geodézie je mladý obor Kosmická geodézie spočívá na měření vzdáleností a úhlů za použití kosmických objektů přirozená tělesa: Slunce, Měsíc, hvězdy, kvazary... umělé družice, sondy... ze zemského povrchu, nebo i mezi objekty samými 7

8 Globální pokrytí zemského tělesa družicovými měřeními úplné novum umožněné družicemi je možno rozlišit mezi kontinentálními, regionálními, lokálními procesy možno naplánovat pravidelný návrat družic nad dané místo časové řady měření: přinášejí nové a zajímavé informace Obrázek: Pokrytí zemského povrchu drahami družic nesoucích altimetry Figure 1-4: The SENTINEL-6 (Jason-CS) 10-day repeat cycle ground-track (in white) versus the SENTINEL-3 ground-track (in grey). (Credit: ESA) 8

9 Sledování zemského zploštění z družicových měření Měření zploštění, Stokesova koeficientu J normovaný koef.: C 20 = J 2 / 5 = Obr: zploštění klesá (J 2 klesá, C 20 roste) Země se mění směrem k větší sféričnosti články před r vysvětlovaly sekulární nárůst C20 působením postglaciálnímu zdvihu Měřilo se však dál a přesněji časová řada nyní vykazuje řadu dalších variací sezónní variace dlouhoperiodické a meziroční variace, navrženy různé možné příčiny klimatické oscilace v oceánech vodní masy na kontinentech anelasticita Země viditelná změna ve sklonu počínaje r hypotéza: tání ledovce v Grónsku a Antarktidě Čím déle a přesněji se měří, tím více zajímavých jevů se může objevit. Figure 4 The blue line shows a time series of C 20, determined from more than 35 years of SLR measurements. The orange line is a smoothed version of those values. (Wahr 2015 Time-Variable Gravity from Satellites) 9

10 Detekovatelné časové změny ve tvaru Země umožnila to dnešní úroveň technologie přesnost zpočátku desítky metrů, dnes milimetry i když jsou změny malé, mohou mít významné společenské dopady tání ledovcových příkrovů zvyšování hladiny oceánů úbytek podzemní vody (kosmická) geodézie má dnes velmi mnoho aplikací v ostatních geovědách 10

11 Příklad, mise GRACE: Trend a postglaciální zdvih ( ) Obr. 1: Trend gravitačního signálu z měření GRACE Trend = změna gravitace (hmotnosti) za čas změna ekvivalentní výšky vody za čas (cm/rok) GRACE pozoruje celkovou změnu gravitačního signálu Obr. 2 Model postglaciálního zdvihu V pozorováních GRACE je obsažen postglaciální zdvih Kanada, Skandinávie, trochu i v Antarktidě způsobuje, že někde gravitace trochu přibývá tato místa byla během poslední doby ledové stlačena ledovcovou hmotou a přestože od odlednění uběhlo již 10 tisíc let, země se stále ještě pomalu odlehčuje a zdvihá Obr. 3: Čistá bilance trendu gravitačních změn po odečtení modelového postglaciálního zdvihu. Grónsko, část Antarktidy aj.: vykazují úbytek gravitačního signálu pomocí dalších pozorování (pozemních i družicových) se hledají příčiny 11