زمین و حرکات آن

ازآنجایی­که انواع گوناگون اندازه ­گیری­ های فرازمینی مثل نجومی (هم اپتیکی هم رادیویی)، ماهواره­ ای و مشاهدات به ماه، نقش اساسی در ژئودزی ایفا می­کنند، لازم است برخی از مفاهیم راجع به اینکه زمین چگونه بین دیگر اجرام سماوی حرکت می­کند را توسعه دهیم.

مشخص‌شده است که زمین به‌طور همزمان تحت تأثیر انواع حرکات زیر است:

• زمین در کهکشان ما نسبت به دیگر کهکشان­ ها حرکت می­ کند.
• به همراه منظومه شمسی درون کهکشان ما گردش می‌کند.
•  همراه با دیگر سیارات حول خورشید گردش می‌کند.
• حول محور لحظه­ای خودش دوران (چرخش) می­ کند.

از این حرکات، دو مورد اول برای ستاره‌شناسانی که پدیده­ های کهکشانی و بین کهکشانی را مطالعه می­ کنند، مهم هستند. وقتی تنها با زمین سروکار داریم، معمولاً نباید نگران آن­ها باشیم چراکه اکثر اجرام سماوی که برای مشاهدات ما استفاده می­ شوند به‌طور کامل درون کهکشان ما هستند. بنابراین توجه ما روی دو مورد آخر خواهد بود؛ حرکت سالیانه (گردش حول خورشید)، حرکت روزانه (چرخش حول محور دوران زمین).

دو حرکت از چهار حرکت زمین در ژئودزی مهم هستند، چون‌که اکثر اجرام سماوی به‌کاررفته در ژئودزی همراه کهکشان ما می­ باشند. (یعنی نیاز به مطالعه دو حرکت دیگر نداریم).

به‌طور قابل‌توجه، دو مفهوم فیزیکی کاملاً متفاوت برای توصیف حرکات سالیانه و روزانه زمین استفاده می­ شود. حرکت سالیانه می­تواند به‌اندازه کافی با استفاده از مکانیک سماوی توضیح داده شود، یعنی با در نظر گرفتن زمین و دیگر اجرام سماوی به‌صورت (اجرام نقطه­ ای) یا ذره­ای بدون بعد. برای توضیح حرکت روزانه به همراه اثرات جانبی پرسشن و نوتیشن آن، زمین باید به‌صورت یک توده­ی جرم عظیم یا به‌صورت یک ژیروسکوپ در نظر گرفته شود. این دو مدل دینامیکی زمین در دو بخش اول این فصل بحث می­شوند.

در دو بخش پایانی، حرکت قطب، موضوع پیچیده­ ای که از حرکت روزانه زمین به وجود می­آید، معرفی می­ شود. این حرکت خاص، معنای عمیقی در ژئودزی دارد. به‌منظور توضیح کافی و مناسب این حرکت، مدل زمین باید با در نظر گرفتن رئولوژی (رفتار تحت تنش) آن، اتمسفر، اقیانوس و غیره اصلاح شود.

در توصیف محور زمین، دیگر نمی­توان از ابعاد زمین چشم‌پوشی کرد. در ساده­ ترین مدل دینامیکی بعدی، زمین به‌صورت یک جسم صلب در نظر گرفته می­شود، که درحالی‌که حول خورشید گردش می­کند، حول محوری که از آن عبور کرده نیز چرخش می­کند. به چنین جسمی ژیروسکوپ اطلاق می­ شود.

دو نوع مدل دینامیکی وجود دارد که برای مطالعات حرکات زمین استفاده می­ شوند، چون بسته به نوع حرکت، زمین باید به‌صورت یک جسم با جرم نقطه‌ای یا یک توده جرم عظیم در نظر گرفته شود.

وقتی یک گشتاور خارجی روی ژیروسکوپ دوار اعمال می­شود، محور چرخش ژیروسکوپ یک مخروط دایره­ای شکل که رأس آن در مرکز جرم ژیروسکوپ واقع‌شده است را مشخص می­کند. این حرکت با عنوان پرسشن شناخته می­شود. در مورد زمین، این کشش اجرام سماوی است که نیروی گشتاور را تأمین می­کند. شرایط برای خورشید در شکل رسم شده است.

پرسشن یک حرکت ژیروسکوپی زمین است که به علت کشش اجرام سماوی اطراف زمین هست.

واضح است که نیمکره نزدیک­تر به خورشید نسبت به نیمکره دورتر بیشتر جذب می­شود. برای به دست آوردن گشتاور نشان داده‌شده یعنی گشتاور نسبت به C (نقطه مرجع برای توصیف پرسشن) ما ابتدا باید نیروی اثرکننده در C را از هردوی این نیروهای نیم­کره ای کم کنیم.

فرض می­شود کشش جاذبه بین دو جسم در طول یک خط راست با سرعتی نظیر سرعت نور منتشر می­ شود. برای اهدافمان، کافی است سرعت را بی­نهایت در نظر بگیریم و بدین ترتیب جاذبه در هر فاصله ­ای که بخواهیم دارای یک اثر لحظه ای است. این فرضی است که در مکانیک کلاسیک در نظر گرفته می­ شود.

نیروی گریز از مرکز تابع تغییرات زمانی در مؤلفه­ های جهت و اندازه است. تغییرات در اندازه سرعت دوران باعث به وجود آمدن تغییراتی در اندازه نیرو و تغییرات در جهت محور دوران تغییراتی در جهت نیرو ایجاد می­کند. این تغییرات بسیار کوچک هستند و می­توان بااحتیاط (بدون هیچ مشکلی) در نظر گرفته نشوند.

انتشار کشش جاذبی بین دو جسم برای اهدافی که ما با آن­ها سروکار داریم لحظه ای فرض می­شود.

منبع: .Vanicek, P. and Krakiwsky,E.J. (1986) ”Geodesy: The Concept”, 2nd edition, Elsevier Science