Географические координаты

Географические координаты - числа, с помощью которых указывают положение произвольной точки на поверхности или вблизи поверхности Земли. Эти числа называют долготой и широтой.

Система географических координат определяется по отношению к некоторым основным точкам и линиям на поверхности земного шара. Две из таких точек - полюса Земли. Географическими полюсами Земли называются точки, в которых ось вращения Земли пересекает поверхность земного шара. Тот из двух полюсов, при наблюдении с которого вращение Земли происходит против часовой стрелки, называется Северным. Противоположный полюс называется Южным.

Плоскость, проходящая через центр Земли перпендикулярно оси вращения, называется плоскостью экватора Земли. Окружность, по которой эта плоскость пересекает поверхность Земли, называется экватором. Экватор делит земной шар на два равных полушария: Северное и Южное.

Плоскость, проходящая через произвольную точку М земной поверхности и ось вращения Земли, пересекает земную поверхность по линии, называемой меридианом точки М. Меридианы в совокупности образуют систему воображаемых линий, соединяющих Северный и Южный географические полюсы. Положение каждого меридиана определено по отношению к тому или иному меридиану, принятому за начальный. Начальный меридиан и экватор - вот основные линии, с помощью которых задается система географических координат.

В разное время в качестве начального принимались разные меридианы. С 1634 г. он про водился через остров Ферро. Этот крохотный островок считается самым западным пунктом Старого Света, и таким образом начальный меридиан символически разделил на два полушария страны Старого и Нового Света.

С 1884 г. по решению Международной меридианной конференции начальным условились считать тот меридиан, который проходит через одну из старейших в мире астрономических обсерваторий - Гринвичскую обсерваторию, в то время располагавшуюся на окраине Лондона.

Широта места наблюдений (φ) на Земле численно равна высоте полюса мира (h) над математическим горизонтом

Три разновидности географических широт: геодезическая (φsub1/sub), астрономическая (φsub2/sub), геоцентрическая (φsub3/sub)

Двугранный угол между плоскостями начального меридиана и меридиана заданной точки на земной поверхности представляет собой одну из географических координат - долготу. Географическая долгота может отсчитываться или к востоку (восточная долгота), или к западу (западная долгота) от начального меридиана.

Чтобы отличить друг от друга точки, лежащие на одном меридиане, вводят вторую географическую координату - широту. Широтой называют угол, который образует проведенная в данном месте поверхности Земли отвесная линия с плоскостью экватора.

Для точек в Северном полушарии Земли широты считаются положительными, или северными; для точек в Южном полушарии - отрицательными, или южными. Широты могут иметь значения от -90° до +90° (или от 90° южной широты до 90° северной широты).

Термины "долгота" и "широта" дошли до нас от древних мореходов, давших описание длины и ширины Средиземного моря. Та координата, которая соответствовала измерениям длины Средиземного моря, стала долготой, а та, которая соответствовала ширине, стала современной широтой.

Определение широты, как и определение направления меридиана, тесно связано с наблюдением звезд. Уже астрономы древности доказали, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места.

Линия на поверхности Земли, соединяющая точки с одинаковыми широтами, получила название параллели. Плоскость любой параллели параллельна плоскости земного экватора. Среди параллелей особое место занимают тропики и полярные круги.

Солнце в течение года совершает обход небесной сферы, двигаясь по эклиптике, наклоненной к небесному экватору (см. Небесная сфера) под углом 23,5°. В день весеннего равноденствия оно находится в точке пересечения эклиптики с небесным экватором и поэтому в полдень наблюдается в зените на земном экваторе. День ото дня Солнце смещается по эклиптике в северное полушарие неба, его склонение (см. Небесные координаты) возрастает, и в последующие дни в полдень оно проходит над головой уже не на экваторе Земли, а на широте, численно равной склонению Солнца. Так продолжается до дня летнего солнцестояния, когда склонение Солнца достигает максимального значения +23,5°. В этот день оно единственный раз в году проходит в полдень через зенит на северной параллели +23,5°. Эту параллель называют Северным тропиком, или тропиком Рака (по названию зодиакального созвездия, в котором в древности находилась точка летнего солнцестояния). В день летнего солнцестояния зона полярного дня вокруг Северного полюса Земли распространяется до параллели +66,5°, которую называют Северным полярным кругом (см. Долгота дня).

Через полгода, в день зимнего солнцестояния, Солнце, склонение которого принимает значение -23,5°, единственный раз в году проходит над головой на широте Южного тропика, или тропика Козерога, т. е. на параллели с широтой -23,5°. Южная параллель с широтой -66,5° называется Южным полярным кругом.

Астрономическое определение одной из географических координат - широты - выполняется сравнительно просто. Для этого, как указывалось выше, достаточно определить высоту полюса над горизонтом. Астрономы древности это умели делать уже в III в. до н. э. Измерение же долготы сопряжено с гораздо большими трудностями. Только из одних астрономических наблюдений, без привлечения дополнительных сведений долготу не умели определять ни в древности, ни в средние века. С этим связано, в частности, великое заблуждение Христофора Колумба, который из-за ошибок в определении долготы, открыв Багамские острова, полагал, что он плавает вблизи оконечности Азии.

Географическая долгота получается как разность местного времени (см. Измерение времени) данного пункта и местного времени исходного, принятого за нулевой меридиана.

Прежде для определения долготы вели наблюдения явлений, которые происходят практически одновременно на обширных территориях земной поверхности, например солнечных и лунных затмений либо же затмений спутников Юпитера.

Выполнялось это так. Астрономы, работавшие на нулевом меридиане, пользуясь результатами многолетних наблюдений, предвычисляли те моменты, в которые нужное явление происходит по местному времени нулевого меридиана. Эти предвычисления публиковались в специальных таблицах. В дальнейшем астроном-мореплаватель или астроном-путешественник из своих измерений устанавливал гот момент местного времени, когда ожидаемое явление произошло в пункте наблюдений. Результат сравнивался с данными таблицы. Поскольку выбранное для наблюдений явление должно было происходить одновременно для всех частей Земли, то разность местного времени в походном пункте наблюдений и местного времени, указанного в таблице для нулевого меридиана, соответствовала разности долгот. Гораздо более удобный способ - "транспортировка времени". Этот способ заключается в следующем. Часы, поставленные по местному времени нулевого меридиана, перевозят в заданную точку Земли, и там их показания сравнивают с местным временем. Но для применения способа "транспортировки времени" на практике нужны очень надежные часы, способные хранить время нулевого меридиана в условиях длительного путешествия. Ведь ошибка часов всего в 1 мин при определении долготы вблизи экватора приводит к неточности определения местоположения на поверхности Земли почти в 30 км. Надежные механические часы-хронометры появились только во второй половине XVIII в. в Англии.

С изобретением телеграфа время нулевого меридиана стало передаваться в пункты наблюдений по электрическим проводам. А впоследствии телеграф заменило радио. Проблема определения географических долгот в наше время перестала существовать.

Описанные выше географические координаты называются астрономическими. Астрономические координаты неудобны для построения точных топографических карт, так как отвесные линии, с которыми связаны измерения широт, изменяются при переходе от одной точки земной поверхности к другой неправильно. На направление отвесных линий большое влияние оказывают гравитационные аномалии (см. Гравиметрия), связанные с особенностями рельефа местности и другими причинами.

Для решения задач геодезии более удобны геодезические координаты. В геодезической системе координат линией отвеса служит перпендикуляр к земному эллипсоиду. Таким образом, геодезическая широта равна углу между направлением перпендикуляра к земному эллипсоиду, проведенному через заданную точку, и плоскостью экватора эллипсоида. Она лишь незначительно отличается от астрономической широты.

Вместо отвесной линии можно воспользоваться радиусом-вектором данной точки поверхности Земли, проведенным из ее центра. Система географических координат, полуценная таким образом, называется геоцентрической. На рисунке (с. 65) показано сечение Земли по меридиану и различие географических широт - астрономической, геодезической и геоцентрической.

По аналогии с системой географических координат на Земле подобные же системы вводятся на поверхностях других планет и их спутников.

Две географические координаты - широта и долгота - определяют положение точки на правильной геометрической фигуре - сфере или на земном эллипсоиде. Для точек реальной физической поверхности Земли вводят третью координату. Чаще всего для этой цели используется высота над геоидом, так называемая высота над уровнем моря.

Измерение высоты пунктов земной поверхности над уровнем моря является не астрономической, а геодезической задачей. Начало счета высот обычно задают результаты многолетних осредненных наблюдений за уровнем воды в морях при помощи специальных водомеров - футштоков. Система высот на территории СССР базируется на среднем уровне вод Балтийского моря и берет начало от нуля Кронштадтского футштока.