„Трудът и науката са брат и сестра.“

Движение на полюсите на Земята. Към настоящия момент в Русия се извършват работи по създаването на автоматизирани бази от геопространствени данни както държавни, така и ведомствени. В частност, в Института по навигация и хидрография на МО на Русия се разработва технология за геопространствена база от данни за осигуряване на въоръжените сили и гражданските ползватели. Очевидно е, че информационното напълване на такива база е с необходимост от включване на координатите на геопространствени обекти във вида ширина и дължина, определени в различно време и по различни методи. Точността на определяне на тези координати е различна. Съвременните практически задачи на ВМФ изискат да се повиши точността на геопространственото осигуряване на нивото на точността на GPS и ГЛОНАСС. Точността на другите методи за определяне на координатите е по-ниска, но данните, получени на основата на тези методи са значително повече. Поради това създаването на автоматизирани бази от геопространствени данни е необходимо на етапа проектиране предвижда разработка на технологии за отчет на точността на определенията и алгоритмите за съгласуване на координатите с различна точност.

Един от проблемите, който е необходимо да се реши в автоматизираните бази от геопространствени данни, – това е отчитане на изменението на координатите вследствие на нутацията (колебание на земната ос) на оста на въртене на Земята. Полюсите постепенно изменят своето положение на повърхността на Земята, което води към изменение на ширината и дължината във времето.

Точката, в която оста пресича земната повърхност, – „магнитния полюс” на Земята – се премества по земната повърхност в кръг около „средния полюс” в направление на въртенето на Земята, тоест, против часовниковата стрелка. Траекторията на движение на полюса има вид на спирала, която периодично ту се затваря (свива), ту се разтваря (разширява). За пример, на рис. 1 е показана траекторията на движение на Северния полюс за периода 1996-2000 година.

Рис. 1. Траектория на движението на полюса през 1996-2000 г. Плътната крива – траектория на средния полюс от 1890 до 2000 г.

Максималното отдалечаване на полюса от средното положение е било отбелязано през май – юни 1996 г. След това полюсът е започнал да се затваря, и това е продължило до 2000 г., когато полюсът е достигнал до минимално разстояние до центъра на спиралата. Сега полюсът се разтваря и все повече се отдалечава от своето средно положение.

От рис. 1 следва, че центъра на спиралата се намира в страни от началото на координатите – международно координатно начало (1890 г.). Причината е в това – така нареченото вековно движение на плюса. Ако от координатите на полюса се филтрират съставляващите колебания, тогава ще останат координатите на средния полюс. Оказва се, че той също се смества. Траекторията на средния полюс за 1890-2000 г. е изобразена на рис. 1 с плътна крива. Видно е, че в течение на целия период на наблюдение за средното положение полюса се е смествал със скорост около 10 см/год по сложна зигзаг образна крива с преобладаващо направление в страната на Северна Америка (меридиан 290º и.д. ).

За получаване на тези сведения през 1899 г. е била създадена Международна служба за ширината, преименувана през 1961 г. в Международна служба за движение на полюсите на Земята. В нейния състав влизат 5 станции, провеждащи наблюдения за изменение на ширината, и Централно бюро, което на основата на тези наблюдения изчислява координатите на полюса. Станциите са разположени на един географски паралел 39º08’ с.ш. и са снабдени с еднотипни инструменти. В това число влизат станциите: Мидзусава (Япония), Китаб (Туркмения), Карлофорте (Италия) Гейтерсберг (САЩ), Юкайа ( САЩ). В Русия наблюдения за движението на полюсите на Земята се водят от службата в Пулково, Москва, Полтава, Казан, Горки, Иркутск, Благовещенское.

Към настоящия момент в Международната служба за движение на полюсите на Земята влизат 30 станции, които са разположени на различни географски ширини.

Движението на полюсите на Земята се изучава относно така нареченото условно международно начало на координатите на Северния полюс на Земята (на него му съответства „условния” екватор), положението на който е установено с решение на 13 Генерална асамблея на Международния астрономически съюз през 1967 г. Положението на Северния полюс през 1890 г е прието за условен Северен полюс. В тази точка (О, рис. 2) се прекарва плоскост К, допирателна към повърхността на земния сфероид.

Рис. 2. Условни координати за описание на движението на полюса.

По резултатите от астрономически наблюдения ширината φ на станциите се определя от плоскостта на моментния екватор на Земята. Перпендикулярът СР към тази плоскост на практика съвпада с моментната ос на въртене на Земята, а точката Р, в която той пресича плоскостта К, – с моментния полюс на Земята. В плоскостта К въвеждат координатна система: оста ОХ преминава по направление на Гринуич меридиана, OY – под ъгъл 90º на запад от него. Координатите на точката Р в тази система се наричат координати на магнитния полюс на Земята. Те са свързани с ширината на пункта за наблюдение с формула, предложена през 1893 г. от С.К. Костински:

xcosχ+ysinχ=φ-φ_o (1)

където χ – дължина на пункта за наблюдение.

Данните за движението на полюса показват, че полюсът Р се движи по повърхността на Земята в направление на нейното денонощно въртене в кръг около полюса на инерция I (рис. 2), в която най-малката ос на елипсоида на инерцията на Земята пресича плоскостта К и при това описва неправилна спираловидна крива – полодия (рис. 3), витките на която постепенно се сместват относно условното международно начало О към страната на Гренландия. Полодията на Южния полюс има същата такава форма, както Северния.

Рис. 3. Движение на Северния полюс на Земята от 1968 до 1972 . Положението на полюса е отбелязано през десета част от годината. Координатната мрежа е през 0,1” (315 см).

Периодичната съставляваща на движението на полюса се състои от няколко колебания с периоди представени на таблица 1. Амплитудата на движение на полюса се мени значително, приближавайки се до своя максимум от 0,3” (например, през 1910, 1955, 1965 г.) и се намалява почти до нула при своя минимум (през 1927, 1935, 1961, 1968 г.)

Таблица 1. Определени периодите на циклите на положението на оста на въртене на Земята.

Отчитането на движението на полюсите се осъществява само в геодезическите технологии за определяне на координатите в системата на GPS. При това координатите се дават в специални системи за пространствени координати. Изходна конструкция за тези координати се явява пространствените оси на барицентрическите координатни системи с начало в барицентъра на Слънчевата система. В тази система осите се задават с техните направления по отношение към компактен извън галактически източник – квазар. По международно споразумение се използва международна небесна опорна система (ICRF), в основата на която е положен списък с пряко извисяване и склонение около 600 квазара с неопределеност в координатите от 2х10^-4 до 5х10^-4 ъглови секунди. В качество на опорна дата е приета 1 януари 2000 г. Направлението на оста на въртене на Земята и направлението на равноденствието на тази дата са избрани като направлението на ос на координатната система, с която е свързано барицентрическото координатно време (ТСВ). Пространствените оси на не въртящата се геоцентрична координатна система са разположени в центъра на масата на Земята (включваща нейната газова обвивка). Те имат същите направления по отношение на квазара, както в барицентрическата система. Координатното време е близко в тази система към собственото часово време, движещо се в нея със скорост по-малка в сравнение със скоростта на светлината. Това е геоцентрично координатно време (TCG). Физическата реализация на въртяща геоцентрична система носи названието – международна земна опорна координатна система (ITRF2000) и се съпровожда със списък от координати и скорост примерно на 500 пункта, разпределени по цялата земна повърхност за фиксираната опорна дата. И двете координатни системи (ICRF и ITRF2000) установени от Международната служба за въртенето на Земята IERS постоянно се уточняват. Координатната система ITRF2000 служи за първичен геодезичен стандарт, към който постоянно се привеждат всички геодезични системи. Именно за координатната система ITRF2000 с помощта на GPS се определят най-точните геодезични координати, чиято средно квадратична погрешност е 1 м. Съществуват математически формули за преизчисляване на координатите от системата ITRF2000 в WGS-84 и в отечествената система ПЗ-90. Но, при преизчисляването погрешността нараства. Средно квадратичната погрешност в WGS-84 е минимална и е от порядъка на 2-3 м, а в ПЗ-90 – малко по-голяма.

Цялата координатна информация в базата от геопространствени данни се съхранява в една определена при проектирането координатна система (WGS-84 или ПЗ-90). По такъв начин, може да се констатира, че определянето на ширината и дължината на обектите, съхранявани в базата от данни, винаги не съответстват на текущото положение на полюсите. Порядъкът на отклонението е една ъглова секунда.

При попълването на базата данни с високо точна координатна информация е необходимо да се отчита технологията, използвана при измерване на координатите на геопространствените обекти. Ако тази технология е GPS, не е необходимо координатите да се коригират. Но, използването на която и да е друга технология, при която отсъства отчитането на положението на полюса в момента на измерване е необходимо да се въвеждат поправки за разликите между положението на полюса, приет в координатната система, съхранена в геоцентричната база данни.

Поради това в технологията на функциониране на автоматизираната база от геопространствени данни е необходимо да се предвиди технологичен блок, осъществяващ сбора и съхранението положението на полюсите на Земята в различните моменти от времето, и блок осигуряващ въвеждането на поправките. Информация за положението на полюса може да се получи от Международната служба за движението на полюсите на Земята.

Отчитане на остаряването на ширините и дължините при създаването и функционирането на автоматизираните геопространствени бази от данни ще позволи да се повиши ефективността на осигуряването на задачите на ВМФ, в които се изисква повишена точност на координатите в условията на отсъствие на поддръжка от спътникова система от типа на GPS.