Da li je u stvari oblik krompira najbolji i najverniji prikaz naše planete? Bojim se da će odgovor biti pozitivan. Odbaćicemo sva dosadašnja tela predstavljanja. Počinjemo od najranijeg detinjstva kad su nam pričali da je zemlja okrugla. To je bilo jasno kao dan. Zemlja je okrugla. Onda smo posli u osnovnu skolu, pa smo čuli da nije baš okrugla, jeste, ali malo je sljoštena po polovima, ali je skoro okrugla. Onda smo došli do srednje škole, pa smo shvatili da u stvari nije baš toliko malo deformisana, kao sto su nas učili. To što je spljostena po polovima oko 42km, to je samo jedan deo njenog deformiteta. Ali još uvek zadrzavamo ono prvobitno učenje da je skoro okrugla. Onda ako se opredelimo za studije geografije, geodezije, geologije... prvo te nauče da sve što si do sada učio nije tačno i idemo iz početka. Zemlja nije okrugla.

Pitanje koje sledi  je: pa kakva je onda ako nije okrugla? Uče nas 12 godina da jeste, sad od jednom nije.

Tako lepo, nije. Nepravilna kriva zatvorena linija blize predstavlja zemlju nego bilo koje drugo matematičko telo. To sa ovog stanovišta gledano nije bas jasno, ali nadam se da će biti.

Ako bismo posmatrali površinu stola pod lupom, videli bismo da nije tako savršeno ravan kao što nam se čini. Ako bismo uzeli malo vecu lupu od one kojom smo posmatrali sto i pogledali zemlju, videli bismo da nije tako savršeno građena kao što se smatralo za vreme Galilea i Keplera. Nadam se da me nece spaliti na lomaci što pričam ovo, ali u ime naroda ću izjaviti: Zemlja nije okrugla.

Zašto nije? Pa ako bismo se vratili u osnovnu skolu, ali ovaj put na čas fizike, setili bismo se da dva bliska tela interaguju gravitacionom silom. Sledece sto treba da uradimo je da se setimo da je naš prvi sused, satelit mesec tu pored nas. Idemo dalje. Znamo da na moru postoji plima i oseka, znamo da je to uticaj sunca i meseca. Tu smo sad. Znaci postoji neka promena dinamike zemlje. Sa stanovišta ljudi na Zemlji, rotacija zemlje oko Sunca i oko svoje ose je konstantna i nepromenljiva jer smo mi toliko sitni, a te brojke su toliko velike za nas da ne možemo da govorimo o nekim promenama. Ali, ako bismo se poslužili jednostavnim primerom baletske figure koja se zove pirueta, znaćemo o čemu se radi. Kada klizačica na ledu izvodi tu figuru, da bi povecala svoju ugaonu brzinu, pribiće ruke do sebe i obrnuto. Ako hoće da smanji svoju brzinu okreta, onda će raširiti ruke. Sada ćemo da postavimo pitanje ovako. Da li plima i oseka uticu na zemlju, to jest, da li menjaju nešto u vezi njene rotacije oko svoje ose i oko sunca? Kako se odrazava ta interakcija drugih nebeskih tela sa Zemljom?

Da se vratimo u vreme kada je naša planeta bila užarena masa. Teško da je tad neko mogao da posvedoči kakvi su uslovi bili, ako pretpostavljamo da je to bila demo verzija pakla. Na svu sreću, Zemlja se ohladila i postala gostoljubivije mesto. Mnogo toga se izmenilo na našoj planeti od njenog nastanka. Stvari koje nama sad izgledaju trajno i nepromenljivo, naime su vrlo promeljnive. Kao na primer dan. Znamo da će sutra svanuti i to je činjenica koja se ne osporava. Dan traje oko 23 sata 59‘ 59,100‘‘. Pre oko 4,5 milijardi godina dan je trajao svega 8 sati. To je izuzetno brza rotacija. Ali šta je dovelo do toga da Zemlja usporava svoju rotaciju?

Trenutna važeća pretpostavka da je Mesec nastao tako što je pre oko 4.4 milijarde godina u našu planetu udarila lutajuca planeta Tea, veličine Marsa i odvojila jedan deo Zemlje. Taj deo je neko vreme bio raspoređen u vidu nekog prstena, ali se nakon toga koncentrisao i organizovao u jendu loptu koju sad vidimo kao Mesec. S obzirom na to da su prvi kosmonauti na Mesec postavili reflektujuće ploče, sada sa velikom preciznošću laserskim putem možemo izmeriti razdaljinu od Zemlje do Meseca. Zaključili smo tim merenjima da se Mesec udaljava svake godine po nekoliko santimetara. Po zakonu očuvanja momenta impulsa da bi sistem bio u ravnoteži, Zemlja mora usporavati svoju rotaciju zato što se Mesec udaljava. Pošto Mesec deluje na našu Zemlju, on pravi nekakve izbočine na njoj. To su plimski talasi. Oni prate Mesec sve vreme. Pošto Mesec deluje na Zemljinu površinu, on takođe deluje i na te izbočine nastale plimskim delovanjima. Zemlja pod tim uticajem uspori svoju rotaciju tako da smanji dužinu trajanja dana za 1‘‘ na svakih 50000 godina. Zato Mesec ubrza sovje spiralno udaljavanje od Zemlje.

Na slici se vidi kako Mesec može delovati na bočni deo plimskog talasa te na taj način delovati tako da Zemlja usporava svoju rotaciju.

S obzirom na to da naša Zemlja rotira oko Sunca, a Mesec oko Zemlje, ne znači da su te rotacije potpuno ispravne. Kada bismo pogledali sistem Zemlja-Mesec, videli bismo da pored toga što naša planeta ima svoj centar, ima još jedan centar, zajednički centar sistema Zemlja-Mesec. Taj baricentar (centar masa) se ne nalazi u centru naše planeta, već je malo izmešten. Težište naše planete je u samom centru Zemlje. Ali težiste sistema Zemlja-Mesec nije u toj tački, vec u baricentru koji rotira oko centra nase planete. Rotira zajedno sa rotacijom Meseca oko Zemlje. To konstantno pomeranje težista sistema Zemlja-Mesec uslovljava i promene kretanja nase planete. Ako bismo gledali taj sistem Zemlja-Mesec sa neke druge tačke, rotacija bi izgledala ovako:

Sistem Zemlja-Mesec

Samo da se pomene i to da Zemlja iako vrlo mala u odnosu na Sunce, ipak ima neko delovanje pa bi u tom slučaju sistem Sunce-Zemlja izgledao ovako. Sunce će se u svakom slučaju po malo njihati zato što baricentar sistema Sunce-Zemlja nije u centru Sunca, već je malo pomeren.

Sistem Sunce-Zemlja

Sve te promene koje nastaju  direktno utiču na promenu izgleda Zemlje i primene sila koje deluju na njoj. Prva i osnovna sila na našoj planeti koju svi osećamo je gravitaciona sila. Poučeni dosad navedenim stvarnima, gravitaciona sila nikako ne može biti jednaka u svim tačkama na Zemlji. Zato postoji jedna grana nauke koja se zove gravimetrija i povezana je sa geodezijom, geofizikom i astronomijom, a bavi se mapiranjem gravitacione sile i gravitacionih animalija na planetama.

Osnovi gravimetrije

William Dawes se prvi malo ozbiljnije pozabavio preciznijim merenjem gravitacije i postavio prve temelje gravimetrije kao naučne discipline. On je australijski astronom, astrofizicar i geodeta koji je 1788. prvi put radio precizno merenje gravitacione sile u Sidneju koristeći instrument na pricipu klatna. To su prvi mereni podaci o gravitacionom ubrzanju na australijskom tlu  koji su objavljeni tek 2009. godine u jednoj naucnoj publikaciji.

Gravimetrija je merenje jačine gravitacionog polja. Može se koristiti bilo za merenje jačine gravitacionog polja ili za proučavanja osobina materije odgovorne za njegovo stvaranje. Termin gravimetrija ili gravimetrijski se takođe koristi u hemiji za definisanje vrste analitičkih procedura zvanih gravimetrijska analiza koja se bazira na merenju uzoraka materijala.

Jedinica koja se koristi za gravitaciono ubrzanje je Gal. To je izvedena jedinica, definiše se kao 1cm/s². Ova jedinica nije u SI sitemu.

Gravitaciono ubrzanje usled zemljine teže varira na površini zemlje između 976 i 983 Gal. Varijacije postoje uglavnom zbog razlika u geografskoj širini i nadmorskoj visini. Planine i mase manje gustine unutar zemljine kore tipično izazivaju varijacije i anomalije u gravitacionom ubrzanju u vrednostima od desetina do stotina mGal. Gravitacioni gradijent iznad zemljine površine je oko 3,1 Gal po metru visine, što rezultuje u maksimalnoj razlici od oko 2 Gal od vrha Mount Everesta do nivoa mora.

Poznato je da gravitaciona konstanta iznosi oko 9,81 N/kg. Primećeno je da gravitaciona interakcija između zemlje i nekog tela ili na samoj površini nije ista, da postoji drugačije delovanje, na koje posredno ili neposredno utiče geomorfološki sastav tla ili geografska širina. Pored snimanja detalja, visinskih kota (izohipsa), termalnih granica (izoterma), mesta sa istim vazdušnim pritiskom (izobara), sada je uvedeno još jedno mapiranje po svakoj tački snimanja, a to je gravitaciona anomalija koja se obeležava jedinicom mGAL. Ona nam daje uvid u razne detalje, kao što je visina geoida od uporednog elipsoida, podatke o otklonu vertikala, sastavu tla i ostalim detaljima koje do sada nismo mogli saznati ovom brzinom.

Poznat je način određivanja gravitacione konstante koja iznosi približno 9,81 N/kg. Međutim, primećene su neminovno i izmerene gravitacione anomalije koje se objašnjavaju činjenicom da je sastav tla takav da izaziva promene linija gravitacionog delovanja. Dalje, poznat je pojam geoid koji je usvojen kao najvernije preslikavanje zemljinog tla. Kada bi se ispod kopna pružala voda iz svih mora dobili bismo geoid. Pretpostavka da je zemlja savršena elipsa, formirana pod uticajem rotacije, nije tačna. Pomenuti su faktori koji utiču na to da na našu planetu utiče spreg sila koje je deformišu. Nutaciona i precesiona rotacija ose rotacije zemlje, trenutna nakrivljenost ose rotacije 23.44⁰, dovela su do toga da zemlja nema oblik savršenog elipsoida. Šta više, deformisana je toliko da neke deformacije možemo samo da pretpostavimoiz razloga što su promenljive i ne deluju uvek na isto mesto istom silom.

Shema precesije i nutacije ose rotacije

Nutacija ose je blago njihanje napred nazad u periodu od oko 18,6 godina. Amplituda oscilacija nutacije nije konstantna i varira od 9,2’’ do 17,2’’. Precesija je obrt ose zemlje oko zamišljene upravne linije na ravan Zemljine ekliptike oko Sunca. Vremenski period za koji osa rotacije precesira ceo krug je oko 26000 godina. Precesija ose Zemlje opisuje krug na nebeskoj sferi. Trenutno mesto na nebu gde se nalazi osa rotacije je pored zvezde Severnjace. U budućnosti će zvezda koja pokazuje mesto gde prolazi osa roracije biti Vega. Razlozi nutacije i precesije ose su razni.

Orbita rotacije Zemlje oko Sunca i orbita rotacije Meseca oko Zemlje nisu u istoj ravni, već zaklapaju ugao. Taj ugao iznosi 5,14⁰. To je jedna od razloga njihanja ose rotacije.

Razlika ravni orbite Zemlje i Meseca

Zbog toliko velikih kolebanja u silama koje učestvuju u defomaciji geoida, Zemljin centar mase nije uvek na istom mestu. On se kreće u odnosu na to kako se deformiše Zemlja. Prvi primer su zemljotresi. Zemljotres u Japanu od 11.3.2011. godine je izmenio izgled geoida, pomerio centar Zemlje, pomerio osu rotacije, skratio dan i približio jedan deo japanskog tla Kini za oko 4 metra. Sve te mere su jako male i nikako nisu alarmantne kao sto se može videti u pojedinim novinama ili čuti na televiziji. Sve te promene su samo odgovor na kretanje tolike mase. O tome ćemo malo kasnije pričati.

Shema kretanja centra Zemlje

Zato i prilikom formiranja geoida, ne dobijamo površinu savršenog elipsoida, nego površinu koja je približna, sa varijacijama od oko 100 metra plus ili minus od uporednog elipsoida. Ali pošto je spram 6375,637 km koliko iznosi poluprečnik zemljine lopte i spljoštenosti po polovima od 42 km, ta razlika od oko 100 metra minorna, geoidu se dodeljuje elipsoid kao telo njegovog predstavljanja. Skica pokazije prikaz otklona vertikala u odnosu na elipsoid i geoid i njihovu razliku, ali i razliku u gravitacionom delovanju na mestima gde se elipsoid i geoid ne poklapaju. Ta razlika omogućuje prvi uslov za stvaranje gravitacione anomalije.

Shema otklona vertikala

Gde je R prečnik zemlje, G gravitaciona konstanta, (psi) je Stokesova funkcija dodatka rastojanja sferne udaljenosti do tačke računanja gravitacione anomalije koja je data za planetu, sigma je integracija anomalije po celoj povrsini zemlje.

Drugim rečima, da bi se utvrdila visina geoida, potrebne su gravitacione anomalije raspoređene po celoj planeti.

Ovom formulom se vidi da se gravitaciona anomalija dobija kao negativna recipročna vrednost razlika potencijala i visine date tačke i zbirom recipročne vrednosti odgovarajuće visine geoida sa promenom nominalne gravitacije u odnosu na visinu.

Gravimetrija kao naučna disciplina ima široku primenu kako zbog svoje preciznosti, tako i zbog načina pristupa. Veliku primenu je našla u:

• geologiji, (ispitivanje dubokih sedimenata i otkrivanje mogućih klizišta, ili drugih potencijalno opasnih zona, rasedi, pukotine, spojevi tektonskih ploča, velike tektonske šupljine, postojanje dolomitskih stena i njihovo povezivanje sa mogućom vulkanskom aktivnošću u daljoj budućnosti,
• petroindustriji (otkrivanje potencijalnih nalazišta nafte i ostalih fosilnih goriva, veoma jednostavnom metodom gde se skraćuje vreme merenja, a štedi novac),
• rudarstvu (radi boljeg i preciznijeg određivanja mesta kopova i mesta bogatih rudnim blagom),
• arheologiji (za mapiranje i ucrtavanje arheoloških nalazišta koja još uvek nisu otkrivena – iskopana),
• meteorologiji (termin ispravljanje gravitacije i klimatski eksperimenti –  The Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) uključujuci NASA-u i Nemačku svemirsku agenciju za donošenje detaljnih merenja gravitacionog polja zemlje, koja je nastala u martu 2003. godine. Pošto je poznato da je gravitacija determinanta mase, merenjem će se dobiti podaci o kretanju gravitacionih anomalija po zemlji. GRACE je vrlo bitno udruženje za izučavanje zemlje kao planete u okviru okeanologije, geologije i gedezije (astrogeodezije),
• astrofizici za niz merenja i proračunavanja što daljine i mase nekog nebeskog objekta. Graviterija je takođe bitna za određivanje gravitacionih maskona (anomalija) i njegovih delovanja. Oni su upravo bili razlog pada nekih satelita koji su kružili oko Meseca. Svaki put kada bi satelit presao preko nekog maskona, potonuo bi malo.

Gravimetar i objašnjenje principa rada

• Apsolutni gravimetar

Gravimetar je uređaj koji je mehaničkog tipa i radi po principu matematičkog klatna. Kao i svi geodetski instrumenti, gravimetar takođe ima stativ koji u ovom slučaju treba da bude metalni, od materijala koji je čvrst i koji se ne uvija pod uticajem gravimetra. Neki od uslova moraju biti zadovoljeni, kako kod totalnih stanica, tako i kod ovog uređaja. U zavisnosti od preciznosti datog uređaja, može posedovati samo centričku ili i centričku i cevastu libelu koje se dovode u horizontalni položaj (položaj vrhunjenja) položajnim zavrtnjima. Naravno tehnika je otišla daleko pa postoje i digitalni gravimetri koji pomoću elektromotora vrše svoje centrisanje na tačku i dovođenje u horizontalni položaj, odnosno dovođenje ose padajuće komore u vertikalni položaj. Osa dna komore treba biti okrenuta ka nadiru, a osa vrha ka zenitu. Vertikalna osa padajuće komore mora prolaziti kroz centar tačke na kojoj se nalazi.

• Atomski gravimetar

Atom ima masu, a na masu deluje ubrzanje sile teže. Kod klasičnog apsolutnog gravimetra se primenjuje prizma kao telo u slobodnom padu na koju se s obzirom na lasersko merenje udaljenosti i vremena određuje uticaj polja ubrzanja sile teže. Kod atomskog gravimetra se primenjuje pojedini atom kao senzor na koji deluje polje ubrzanje sile teže. Atomski gravimetar koristi merni princip atomskog interferometra. Princip rada atomskog interferometra je sličan standardnim svetlosnim interferometrima. Fundamentalna razlika je da se kod atomskog interferometra koristi manipulacija pojedinog atoma za interferometrijska merenja, a kod standardnog se primenjuje zrak svetlosti. Za razliku od standardnih interferometara kod kojih se meri razlika u talasnoj dužini zraka svetlosti, kod atomskog interferometra se kao merna veličina koristi promena u fazi atomskog talasa pod uticajem polja ubrzanja sile teže prilikom oscilovanja atoma u polju ubrzanja sile teže. Dobija se vrlo fini signal polja ubrzanja sile teže.

Osnove mernog procesa

Atom slobodno pada u lokalnom inercijalnom sistemu. Dok atom pada javlja se pomak u kružnoj frekvenciji atoma koji je proporcionalan ubrzanju sile teže. Ovo svojstvo se koristi u mernom procesu atomskog gravimetra. Redosled mernog procesa se može prikazati:
1) Primenjuje se laserski stimulisan prelaz između dva super fina energetska stanja atoma. Na atom se usmere dva laserska zraka čija je razlika frekvencija jednaka atomskom skoku između dva atomska energetska stanja. Ova razlika talasnih dužina se naziva efektivni talasni broj k_eff = k₁ - k₂, a w_eff = w₁ - w₂ je efektivna frekvencija.
2) Apsorpcija i stimulisana emisija fotona za vreme impulsa može promeniti moment atoma za iznos (proizvod Plankove konstante i efektivnog talasnog broja) i njegov položaj.
3) Kvantna mehanička faza novog položaja zavisi od lokalne faze koja se dobije pomoću izraza

f_i = k_eff z_i - w_eff t_i

gde je t_i trenutak vremena, z_i relativna visina atoma unutar sistema. Promena faze je proporcionalna ubrzanju sile teže koji su povezani pomoću izraza

Df = k_eff g  T²

gde je Df razlika u fazi, g apsolutno ubrzanje sile teže i T vreme između impulsa interferometra. Ovo je jednačina merenja koja povezuje merene razlike u fazi i traženo ubrzanje sile teže. Ovaj izraz bi za prostor bez gravitacije bio jednak nuli.

Gravimetar	Metoda	Tehnika	Preciznost	Dec. pomak	Tačnost	Interval	Temp	Mobilnost
			g/sqrt(Hz)	g/day	g	sec	K
Opruga (Lacoste-Romberg)	Relativna	Nesabijena mehanička opruga	1 x 10-10	3 x 10-8	NA	~15	288~303	Dobra
Idealna opruga (Superprovodnik)	Relativna	Superprovodljivost Radiativno hlađenje tečnim He	< 1 x 10-12	2 x 10-10	NA	~15	4 ~ 6	Loša
Padajuća prizma-Kocka	Apsolutna	Optički interferometar, slobodno padajuci retroreflector (prizma)	5 x 10-8	-	2 x 10-9	~10	288~303	Loša
Atomski Interferometar	Apsolutna	Hladni atom, lasersko hlađenje i detekcija	4.2 x 10-9	-	3 x 10-9	~1.3	6 m ~ 12 m	Dobra

VI Geoid i njegove osobine

Geoid je ekvipotencijalna površ, na koju je, u svakoj njenoj tački pravac sile teže upravan. To je nepravilna površ, koja se poklapa sa mirnom površi vode u okeanima. Pojam ‘geoid’ (na grčkom – oblik Zemlje) prvi put je upotrebio G. I. Listing 1873. godine.

Geoid, koji se na okeanima poklapa sa nivoom vode, produžava se ispod kontinenata, tako da je u svakoj tački sila teže usmerena po normali na njega (u stvari, normalna je na tangentnu ravan geoida u tački posmatranja). Položaj geoida pod kontinentima može se predstaviti zamišljenom mrežom kanala, prosečenim kroz čvrstu koru i spojenim sa okeanima, dovoljno uskim, ali u kojima nema trenja i uticaja kapilarnosti. Tada bi voda iz okeana, popunivši kanale, dostigla nivo koji bi odgovarao površini geoida.

Prvim približenjem obliku zemlje smatra se sfera, drugim rotacioni elipsoid, dok stvaran oblik zemlje najpribližnije opisuje geoid. Geoid se razlikuje od elipsoida za oko 100 m, što znači da su odstupanja geoida od stvarnog oblika zemlje istog reda kao i kod elipsoida. Prelazak sa elipsoida na geoid na kontinentima ne rešava zadatak sledećeg približenja.

Kako je geoid nepravilna figura, on ne može da se izrazi analitički. To znači da se geoid ne može koristiti za rešavanje raznih zadataka. Bez obzira na to, geoid ima veliki naučni i praktični značaj. U odnosu na geoid određuju se apsolutne visine tačaka fizičke površi zemlje, a pošto se geoid poklapa sa mirnom površi vode okeana, visine nad geoidom se obično nazivanju nadmorske visine.

Slika 4

Odnos između zemljine površine, modela geoida i elipsoida, primer 1

Preciznost GPS merenja visine zavisi od nekoliko faktora, ali najbitniji je ‘nesavršenost’ oblika zemlje. Visina može da se meri na dva načina. GPS koristi visinu (h) iznad referentnog elipsoida koji predstavlja zemljinu površinu. Tradicionalna nadmorska visina (H) je visina iznad imaginarne površine zvane geoid koja je determinisana zemljinom gravitacijom i nultom nivolskom površi. Razlika između dveju visina – razlika između elipsoida i geoida – je visina geoida (N). Slika iznad pokazije odnos između različitih modela i objašnjava razlog zbog koga se oni skoro nikad ne poklapaju prostorno.

ζ = srednja dinamička topografija okeana

Čak i posle višegodišnjih učestalih merenja i određivanja srednje visine mora (nulte nivolske površi-NNP) lokalni nivo mora ne odgovara proračunatnoj NNP.

ζ  je uslovljeno stalnom promenom temperature, saliniteta, vetrova okeana, što varira geografski, pa je dalje jasno da je geografsko variranje direktno uslovljeno gravitacionim anomalijama.

S obzirom na to da gore vec pomenuto delovanje gravitacije i zemljine rotacije utiče na greške u merenju i određivanju geoida, kao matematičkog tela, merenje uticaja gravitacije je jedan od važnih parametara za tačnije određivanje anomalije geoida i otklanjanje potencijalnih grešaka vezanih za njega.

• Anomalije geoida usled disbalansa mase i gravitacije

S obzirom na to da naša planeta nije homogenog tipa niti ravna ploča, razumljivo je postojanje disbalansa različitih tipova. Tako i nejednakost gustine i visine podvodnih planina, kao i nejednakost masenih skupina u zemljinoj unutrašnjosti, dovodi do stvaranja anomalija i nepravilnosti na geoidu.

Ove nepravilnosti ili geoidne 'anomalije' su rezultat nejednake distribucije mase unutar zemlje. Jednostavan način da se ovo predstavi je da se zamisli jednako dubok okean u kome se nalazi izolovana podvodna planina. U odsustvu ove planine, površina mora bi imala svuda jednaku visinu. Međutim, podvodna planina, s obzirom na to da je gušća od vode, povećava gravitacionu privlačnost okolne vode koja zbog toga ima tendenciju da se nagomilava iznad nje povišujuci geoid na tom mestu. Drugi način za sagledavanje ovoga je činjenica da je gravitaciono polje blago pojačano iznad podvodne planine zbog njene veće gustine, pa se ista gravitaciona privlačnost nalazi na blago većoj udaljenosti od zemljinog centra.

Povećanje visine geoida preko velike podvodne planine može da bude nekoliko desetina santimetara, ali velike duboko postavljene anomalije mase u zemlji mogu da ga još više dovedu do tog efekta anomalije. Shema 6 pokazuje mapu anomalija geoida (merenih relativno u odnosu na referentni sferoid) koja je u opsegu do 100 m (samo jug Indije). Tako velike anomalije se reflektuju na planetarnom nivou što se tiče distribucije mase i proizilaze iz termički indukovane promene gustine zbog konvekcije omotača ili zbog topografije na granici između jezgra i omotača.

Shema 4

Mapa velikih anomalija geoida (visina geoida iznad referentnog sferoida) u metrima.

VII Determinisanje geoida

Napred naveden opis pokazuje da postoji blizak odnos između visine geoida, zemljine gravitacione privlačnosti i distribucije mase unutar zemlje. Postoji jedinstven matematički odnos između geoida i gravitacionog polja, mada odnos između ove dve i distribucije mase nije jedinstven (zbog variranja, distribucija mase može da poveća dato gravitaciono polje). Uprkos tome, oblik geoida postavlja važna ograničenja na distribuciju mase. Još, pošto je lokalna vertikala (kao što je prikazano otklonom vertikale) definisana kao pravac gravitacione privlačnosti, koji je uvek upravan na geoid, anomalije geoida izazivaju ‘defleksije vertikale’ (relativne u astronomskim okvirima) koje su od velikog praktičnog značaja za inženjere. Determinisanje geoida je stoga važan cilj u geodeziji, geofizici i astronomiji.

U presatelitskoj eri, geoid je determinisan iz gravitacionog polja, što je podrazumevalo merenje gravitacione privlačnosti ili defleksije vertikale (ili oba) na velikom broju lokacija širom planete. Preciznost i rezolucija su bili ograničeni brojem i distribucijom posmatranja koja su izvođena. Od razvoja veštačkih satelita, determinacija geoida je postala lakša, preciznija i veće rezolucije. U pricnipu, postoje dve metode. U prvoj (i najranijoj) sateliti su praćeni precizno sa statičkih stanica na zemlji i geoid je determinisan iz malih fluktuacija u njihovim izmerenim orbitama.

Od skora, nivo mora može da se izmeri direktno radarskim nivelirom postavljenim na satelit. Važno je ukloniti efekte talasa, oluja, okeanskih struja i druge slične efekte, ali na kraju ovaj metod daje preciznost od nekoliko santimetara u visini geoida. Iako ne mogu da se koriste preko kopna, ova merenja su omogućila izvrsnu pokrivenost geoida visoke rezolucije preko okeana. Uzdužna rezolucija je preciznosti na nekoliko kilometara, poprečna rezolucija je ograničena širinom uzdužne rezolucije koja je preciznosti do 10 kilometara u najboljem slučaju. Ovaj metod se koristi poslednjih godina za mapiranje visoke rezolucije gravitacionog polja preko okeana. Pošto je glavni izvor anomalija gravitacije kratkih talasnih dužina različita topografija okeanskog dna, metoda je snimila ovu topografiju sa izvrsnim detaljima.

VIII Sateliti za gravimetrijska merenja

Sa ekspanzijom nauke i tehnike merenja, metoda gravimetrijskih snimanja terena je zajedno sa mnogim drugim tehnikama otišla u orbitu radi preciznijeg određivanja. Satelitsko određivanje gravitacionih anomalija je daleko brže i bolje od terestičkih zato što pokriva veću površinu i može dati uvid u neke od podataka koje ne bismo imali da njega nema. Na primer, gravimetrijski satelit je registrovao veliku gravitacionu anomaliju pre velikog zemljotresa u Indijskom okeanu što je kasnije uslovilo cunamni talas koji je stigao i do udaljenih obala Juzne Amerike, a da ne pominjemo Indiju i Afriku gde su bili katastrofalni. Budućnost i ekspanzija satelitske geodezije i gravimetrije, možda će dovesti do toga da ćemo biti u mogućnosti da mapiramo područja potencijalno rizična što zbog zemljotresa, to i zbog podvodnih raseda koji mogu prouzrokovati velike katastrofe. Vođeni time, jasno je da se može pratiti vulkanska aktivnost i postepeno nagomilavanje mase ispod litosferne ploče, što na vreme može spasiti ljudstvo. Izračunavanjem gravitacionih anomalija, može se pretpostaviti i stepen deformiteta geodetskih mreža zbog raznih uticaja heterogene gravitacione sile.

Slika 7

Mapa regionalnih gravitacionih anomalija i (1974 – 1994) epicentara zemljotresa (veličina tačkica je proporcionalna jačini) u seizmičkoj zoni New Madrid. Gravitacioni podaci su izglačani i podešeni tako da isprave efekat sedimentnih raseda Misisipija niske gustine. Konture su izražene u mGal. Gravitacioni podaci od Cordell (1977)

Primećeno je da je učestalost jakih i kataklizmičkih zemljotresa znatno veća na mestima sa jakim gravitacionim anomalijama. Naime, više mase čini i više gravitacije, u tom slučaju znači i veća, uslovno rečeno težina, kao i gustina. Sa većom gustinom postoji veći rizik za slaganje sila i sleganje već postojećih ili stvaranje novih raseda.

Nakon velikog zemljotresa od devet rihtera u Japanu, zemaljski dan se skratio za 1,6 mikrosekundi. Pre toga, tokom zemljotresa u Čileu, dužina dana se promenila za 1,3 mikrosekunde, a pri zemljotresu u Indoneziji iz 2004. dan se skratio za 6,8 mikrosekundi.

Možda su vas zabrinule ove vesti. Nema razloga, jer su promene tako male (milioniti deo sekunde), da su zapravo manje od uticaja koji vazdušne mase imaju na trajanje rotacije zemlje i dužinu dana. Međutim, kako, zapravo, zemljotresi skraćuju ili produžuju dan?

Ako posmatrate dečju čigru, primetićete kako uspravno stoji dok se okreće, što je posledica takozvanog ugaonog momenta, odnosno momenta impulsa dok čigra precesira oko vertikalne ose. Sasvim nalik na čigru, vrteće se i balerina oko svoje ose. Međutim, ako balerina raširi ruke, njeno okretanje će se naglo usporiti. Fizičari to objašnjavaju održanjem ugaonog momenta, što je jedan od temeljnih principa koji važe u prirodi i koji kaže da se ugaoni moment neće promeniti u bilo kom zatvorenom sistemu.

Naime, kad balerina spusti ili raširi ruke, ona menja svoj moment inercije, što je veličina koja ne govori samo o tome kolika je masa nekog tela nego i kako je masa u njemu raspoređena. Ugaoni momenat je zapravo ekvivalentan proizvodu ovog momenta inercije i ugaone brzine kojom balerina rotira. Budući da se taj proizvod održava tako da je uvek isti, zbog povećanja momenta inercije, ugaona brzina se uspori.

Zakon očuvanja momenta impulsa

Dakle, kad balerina raširi ruke, njen moment inercije se poveća i ona naglo uspori okretanje. Cela stvar podrazumeva da se, ako je reč o precesiji, može pomerati i osa oko koje se vrši precesija, budući da Zakon ugaonog momenta važi u vektorskom obliku – pravac ugaonog momenta kao proizvod pravca brzine i rastojanja mora ostati isti.

Slično je i sa Zemljom. Najjednostavnije rečeno, ako bi nešto promenilo njen moment inercije dok rotira, ugaona brzina rotacije bi se promenila. Pri jakim zemljotresima se pomeraju tektonske ploče, što dovodi do nove preraspodele mase, a samim tim se menja i moment inercije planete. Zbog toga planeta menja brzinu i pomera se osa, pa se menja i dužina dana.