С. А. Толчельникова Овзаимодействии астрометрии и геодезии в области изучения вращения Земли
| скачать С.А.Толчельникова О взаимодействии астрометрии и геодезии в области изучения вращения Земли. (Взгляд астронома) Введение Астрономия и геодезия были изначально единой наукой, опирающейся на измерения на небе и Земле, но мы не будем углубляться в столь далекое прошлое. Несмотря на тесное взаимодействие между астрономами и геодезистами к концу XIX века уже складываются четкие границы, как между наблюдениями, так и обязанностями астрономов и геодезистов, изучающих вращение Земли. Краткие сведения об этом периоде, примерно совпадающем с XX веком, мы приводим в первом разделе статьи. Второй период принято называть «революцией в астрометрии», его началом считается конец прошлого века. «Эта революция не была бы возможна без новых технических средств измерений, и она возвестила о конце заслуженных рядов фундаментальных каталогов (FK). Ничто не останется таким, как было прежде», – пишут Х.Вальтер и О.Соверс в монографии ([1],с. 211). О техническом перевооружении астрометрии и наук о Земле достаточно написано, мы остановимся на некоторых аспектах, относящихся к революционным методам. Методы нуждаются в пояснении потому, что вводимые новые термины не всегда однозначно поясняются и не все авторы придерживаются одинаковой терминологии. Этому вопросу посвящен второй раздел, необходимый для понимания решений революционного периода, которым посвящен третий раздел. В этой статье мы не обсуждаем способы краткосрочного прогнозирования, но рассматриваем, не подвергая критике, новые установки, отражающиеся на изучении долгопериодических и вековых движений (или изменений средник координат), для определения которых необходимы продолжительные наблюдения и сохранение строгой преемственности в используемых системах координат и времени, т.е. продуманная стратегия развития науки. Мы полагаем, что только совместными усилиями представителей обеих дисциплин можно выработать стратегию развития геодезии и астрометрии – единой науки, в фундаменте которой произошли кардинальные изменения. На пути к решению столь сложной задачи не обойтись без ревизии достигнутого и упущенного в результате различия методических принципов, принятых в два периода. Каждая эпоха оставляет своим наследникам не только ответы, но и вопросы, поставленные и оставшиеся нерешенными. ^ Кратко остановимся на разделении задач между астрономией с одной стороны и геодезией и гравиметрией с другой. Астрономы продолжали традиционные наблюдения, с целью составления звездных каталогов, объединяемых затем в сводные (фундаментальные) каталоги [2]. Наблюдаемые координаты звезд связаны с зенитом, или с отвесной линией в месте наблюдения, но при составлении каталогов, последовательность которых представляла главную небесную сферическую координатную систему (СКС), астрономы приводили искомые экваториальные координаты α,δ к двум направлениям: на среднее положение полюса Мира конкретной эпохи, определяющее экваториальный круг, и на точку весеннего равноденствия. Достаточно координат звезд хотя бы в каталогах двух эпох, чтобы вычислить их изменения, которые в рассматриваемый период разделяли на две части: постоянную прецессии и собственные движения звезд. Вращением земной оси принято называть вращение «в пространстве», т.е. по отношению к практически бесконечно далеким светилам, а движением полюса – вращение оси по отношению к земной коре, или пунктам на земной поверхности. Изучение вращения земной оси по наблюдениям имеет длинную историю, к XX веку уже существовала теория прецессии и нутации земной оси, согласованная с наблюдениями, которая использовалась для вычисления изменений координат звезд, происходящих из-за движения оси. В истории изучении движений полюса прослеживается иной порядок: существование периодического движения было теоретически доказано Эйлером для твердотельной модели Земли еще в 1765 г., однако, к систематическим наблюдениям с целью его обнаружения и изучения астрономы приступили только с начала XX века. Для этой цели была организована Международная служба широты (МСШ), использовавшая наблюдения пяти станций МСШ, установленных примерно на одной широте 38.90. Общее для всех стран начало отсчета земных долгот, λ, было установлено еще в конце XIX века. Нуль-пункт долгот был связан с меридианным кругом Гринвича, т.е. с направлением отвеса в конкретной точке Земли. Вторая координата, широта  , была связана с земной твердью с помощью направлений отвесов, или астрономических зенитов, пяти станций МСШ, для этого были определены значения их широт в начальную эпоху. Так была создана земная сферическая координатная система (СКС).Для изучения движения полюса в каждую ясную ночь измерялись разности зенитных расстояний звезд, откуда, используя каталожные значения склонений звезд, выводились текущие широты. Поскольку склонения отсчитывались не в земной, а в небесной СКС (от экватора, подвижного по отношению к станциям), определениям изменений склонений звезд уделялось особое внимание. Изменения, зависящие от прецессионно-нутационного вращения оси Земли, учитывали, используя ранее найденные поправки. Предполагалось, что заметных искажений в искомом движении полюса из-за этого не возникнет, т.к. измеряемыми были разности зенитных расстояний, а возможные ошибки в определении вращения оси относительно звезд были на порядок меньше ошибок наблюдений. В дальнейшем уменьшились ошибки наблюдений, и последнее предположение было поставлено под сомнение, тогда поправки к нутации оси стали уточнять, используя результаты наблюдений станций, отслеживающих движения полюса, увеличив тем число искомых неизвестных. Существенные методические изменения произошли при организации новых Международных служб, изучающих вращение Земли. До этого, из анализа результатов станций МСШ были обнаружены кроме периодического движения полюса, также неполярные изменения широт станций и нерегулярное движение, названное движением среднего полюса, которое представляется неправильной спиралью по отношению к начальной эпохе, или полодией. Число искомых поправок, которые надеялись уточнить, превысило число независимых уравнений наблюдений (называемых в геодезии уравнениями погрешностей), поэтому приближенные, статистические методы стали все шире внедряться в практику обработки астрометрических наблюдений. Приближенное решение недоопределенной системы уравнений не считалось корректным, астрономы прежних столетий добивались однозначного определения искомых величин одновременно с их средними квадратичными ошибками. Эта цель, т.е. получение системы уравнений, достаточной для определения всех поправок к искомым движениям, не могла быть достигнута в результате увеличения числа станций и добавления к широтным наблюдениям наблюдений за изменениями долгот. Во второй половине века начала (нуль-пункты) отсчета долгот и широт уже не были однозначно закреплены за конкретными инструментами на Земле, в качестве «начал» использовались средние значения, образованные из долгот и широт тех станций, которые проводили текущие наблюдения. Равным нулю считали среднее из движений всех станций. Для оправдания такого решения увеличивали число станций (до 80) и принимали допущение о хаотическом характере их смещений ([3], с.36-37). Нулевое движение присваивали в разное время разным суммам движений: изменениям положений станций по каждой из координат, либо по обеим координата; либо использовали иные условные соглашения об ограничении движений. В специальной литературе уделяется много места реорганизациям международных служб. Нам достаточно констатировать, что недоопределенность систем уравнений, получаемых из наблюдений, сохранилась. Хотя организаторы МСШ, понимая недостаточность одной, небесной СКС для определения движения полюса, установили земную СКС, но в начале XIX века не было способа, позволяющего исключить зависимость изменений земных координат станций от изменений координат звезд, о чем мы писали в [3]. Как хорошо известно, при выборе одного из «решений» недоопределенной системы уравнений неустранима возможность перераспределения ошибок между численными значениями искомых поправок к неизвестным, в данном случае к параметрам двух моделей: движений полюса и отдельных станций, а также вращения оси. В этой связи уместно напомнить предупреждение Эйлера (на него обратила внимание М.И.Юркина ([4], с. 205), о том, что для одновременного определения движения оси в пространства и по отношению к Земле не хватит уравнений. Переходя теперь к роли геодезии и гравиметрии в изучении вращения и формы Земли, напомним слова С. Ньюкома: “It is common to consider the celestial sphere as of infinite radius. Then every point with which we are concerned may be regarded as situated in its centre” ([5], с.90). Действительно, сфера бесконечно большого радиуса по сравнению с радиусом Земли достаточна исследователю до тех пор, пока он изучает движения проекций. Во всех системах координат, связанных с квазарами, далекими звездами и любыми светилами, не обнаруживающими годичных параллаксов и собственных движений, измеряемыми величинами являются углы, или сферические расстояния. Места объектов, проектируемых на небесную сферу, однозначно определяются двумя сферическими координатами ([6], с.10-13). Чем больше расстояния до светил, проекции которых служат небесными «реперами», тем больше свободы в выборе центра воображаемой небесной сферы — его можно поместить не только в центр Земли, но и в другую точку, выбор которой зависит от решаемой задачи. Астрометрические наблюдения дают возможность проектировать положения станций в момент наблюдений на небесную сферу, по словам Е.П.Федорова, находить «созвездие зенитов обсерваторий среди звезд». Задачи определения уклонений отвесов (направлений на астрономический зенит) от нормалей к отсчетному эллипсоиду, а также расстояний точек на земной поверхности от общего центра внутри Земли решались трудоемкими методами геодезии и гравиметрии. Только они обеспечивали возможность описания формы Земли и положений пунктов в системе с тремя координатами: двумя сферическими и расстоянием до общего центра, либо декартовыми. Методы геодезии и гравиметрии лучше известны читателям журнала, чем автору, мы упомянем об использовании данных астрономии. Задачу, которую решали геодезисты при определении на пунктах Лапласа уклонений отвесной линии в меридиане и в первом вертикале, можно назвать обратной по отношению к задаче астрономов, переходивших от координат, связанных с отвесной линией, к экваториальным координатам звезд. Геодезисты «возвращались» к направлениям отвесов, но уже не на нескольких обсерваториях, а во многих точках Земли. Используя координаты звезд, геодезисты по наблюдениям зенитных расстояний и азимутов получали место астрономического зенита. Место «астрономического зенита соответствует точным астрономическим координатам и λ,P, где P-полюс Мира, место условного зенита соответствует предварительным (условным) координатам пункта 0, и λ0»,– пишет С.С.Уралов ([7], c. 15). Угол при полюсе P между астрономическим и условным меридианами равен λ—λ0. На каждом астропункте определялись две составляющие уклонения зенита в меридиане (x) и в первом вертикале (y) от условной нормали с координатами 0 и λ0, «достаточно близкими к их истинным (астрономическим, С.Т) значениям и λ» [7]. Определения уклонений отвесов от истинных нормалей к отсчетному эллипсоиду, проведение астрономо-геодезического нивелирования для определения высот пунктов по отношению к отсчетному эллипсоиду и определение расстояния земных точек от общего центра – все это требовало больших затрат труда и времени. При редукции своих наблюдений геодезисты пользовались поправками за приведение широт, долгот и азимутов к «среднему полюсу в системе Международного условного начала (МУН)» [7]. Таким образом, результаты геодезистов по определению движения земных пунктов и литосферных плит зависели от того, насколько успешно определено астрономами движением земного полюса в угловой мере. Хорошо известно, что долгосрочные прогнозы астрономов оказывались неудовлетворительными. ^ Революционные преобразования в физике, проявившиеся в замене понятий пространство и время на нерасторжимое пространство-время, отразились на астрометрии лишь к концу XX века. С этим периодом связаны методические изменения и новая терминология, которая сложилась в зарубежной литературе. Астрономы и геодезисты активно обсуждают задачу, именуемую «координатно-временным обеспечением» непосредственных потребителей, которых текущие практические задачи интересуют значительно больше, нежели фундаментальные. В результате использования новых технических средств и методов в геодезии и астрометрии, задачи обеспечения потребителей точными координатами и точным временем успешно решаются. Иная судьба у фундаментальных проблем, где новые решения активно внедряются сравнительно небольшой группой теоретиков, подготавливающих резолюции Международного астрономического союза, которые столь многочисленны и касаются такого количества рекомендуемых поправок, что трудно «за деревьями увидеть лес» (см., например, [8,9]). Нередко вводимые понятия сопровождаются противоречивыми пояснениями, и авторы придерживаются собственной терминологии, что является дополнительным препятствием для понимания. В немногочисленных трудах, переведенных на русский язык, отмечены затруднения с переводом терминов reference frame и reference system, в качестве эквивалента предложено соответственно «опорная система отсчета» и «опорная система координат» ([10], с. 1-2). Встречается и такое определение: понятие frame относится к СК, выведенным по наблюдениям, а понятие system – к зависящим от теории. Такое разделение не является принципиальным, поскольку и отсчитываются, и вычисляются координаты, и положения объектов описываются также с помощью координат, значения которых зависят не только от величин наблюдаемых, но и вычисляемых, а также от условных соглашений. Традиционная терминология, ранее принятая в астрономической литературе, существенно облегчила бы понимание сути дела. В русском языке понятие система координат (СК) является общим по отношению к системам сферической и декартовой. Чтобы отличить положения (positions) тел в пространстве от положений их проекций на сфере, используется термин «места» (places). Если измерялись только угловые расстояния между проекциями тел, то можно было определить их относительные места, и, установив два нуль-пункта, получить СКС, или систему мест. Reference Frame – это опорная СКС, или «координатная сетка». В современной геодезии для изучения изменений координат земных пунктов используются данные наблюдений с РСДБ о координатах радиоисточников, проектируемых на поверхность сферы, поэтому в системе ICRF нет необходимости в третьей координате. Измерения расстояний до тел открывает возможность перехода от системы мест к системе положений, т.е. к декартовым координатам x,y,z – к триаде (triad). Если опорные светила бесконечно далеки, для них невозможно однозначно установить начало, или центр триады; но, как известно, к их местам, т.е. к координатам их проекций, удобно относить места более близких тел (e.g. планет, земных пунктов), расстояния до центров движений которых, известны. С такими центрами выгодно связать начала соответствующих триад, например, планетарной для Солнечной системы и земной – для изучения вращения Земли относительно неподвижной точки. Изложение следующего раздела потребовало цитат из иностранной литературы, господствующее положение которой в новой фундаментальной астрометрии достигло такого уровня, что современная английская аббревиатура стала употребляться без перевода. В аббревиатуре, принятой для небесной и земной координатных систем, букву F (frame) следовало бы употреблять для систем мест – CКС, а букву S (system) – для систем положений – триад. Ниже при переводе с английского в скобках мы указываем авторское обозначение. Началом часто называют не только центр триады, но и начала отсчета сферических координат, во избежание путаницы начала отсчета сферических координат мы называем нуль-пунктами. Мы полагаем, что заменять термин «нуль-пункт» на «направление оси» не следует, потому что, в отличие от места, ось не может быть изображена одной точкой — ось направлена откуда-либо на что-то; например, от наблюдателя к планете, звезде; от центра Земли к Солнцу и т.п. Специальная оговорка о том, что направления без указания конкретного начала заданы с помощью ортов, не помогает, поскольку орт – это единичный вектор, а единичная длина не равна нулевой, т.е. точке. Мы полагаем, что нет нужды копировать иностранную литературу и анализировать все противоречия в ней; в текстах на русском языке необходимо сохранять те понятия, смысл которых вполне ясен, ведь научные проблемы решаются не за счет введения новых терминов, но посредством четкой постановки задачи и сначала поиска, а затем выбора метода ее решения. ^ Изменив порядок изложения, начнем с геодезии. К XXI веку наблюдения спутников в системах GPS и ГЛОНАСС и использование атомного времени позволили с высокой точностью решать практические проблемы ориентировки на суше, море и в воздухе. Техническое перевооружение обеспечило не только более точное, но и менее трудоемкое решение многих задач, при этом оно оказалось возможным без использования астрометрических оптических наблюдений служб вращения Земли. Благодаря появлению точного и сравнительно простого способа определения расстояний многих точек на поверхности Земли от ее центра, у геодезистов появилась возможность, которая пока не реализована, а именно, начать с «построения» земной триады. Необходимо и достаточно установить на двух подходящих пунктах кроме антенн для наблюдений спутников также астрономические инструменты. Начальные значения их координат в системе бесконечно далеких светил (звезд, квазаров) определят направления двух осей, связанных с центром Земли ([3], с.40-41), которые вместе с третьей осью, перпендикулярной двум зафиксированным, образуют геоцентрическую земную триаду. Остается найти способ, который позволил бы определять изменения земных сферических координат станций, независимо от изменений координат небесных опорных светил ([3], с.41-43). В литературе отмечалось, что высокая точность определения геоцентрических орбит искусственных спутников достигается благодаря использованию наиболее надежных астрономических и геодезических постоянных, в число которых входят значение большой полуоси и сжатие земного эллипсоида. Значения последних величин подлежат уточнению, следовательно, нужна более стабильная (“долгоживущая”) система координат для изучения вековых и долгопериодических движений и изменений. Для этого природные тела надежнее искусственных. Изучение вращения Земли вышло на первый план, когда астрономы обратили внимание на зависимость ошибок наблюдений тел Солнечной системы от точности учета вращения Земли и движений инструментов, связанных с земной корой. Не случайно задача связи разных СК была поручена новой Международной службе вращения Земли (IERS –International Earth Rotation Service), обязанности которой формулируются во Введении к IERS Technical Notes следующим образом: «Миссия IERS состоит в том, чтобы определять и поддерживать земную опорную триаду (system), основанную на наиболее точных современных методах космической геодезии, определять и поддерживать небесную опорную триаду (system), опирающуюся на направления на внегалактические радиоисточники, обеспечивать ее связь с другими опорными сетками (frames), а также отслеживать ориентировку Земли, т.е. определять зависящие от времени параметры, связывающие земную и небесную опорные триады (systems)» ([11], с.vii). В соответствии с возложенными задачами служба IERS была в 2003 переименована в International Earth Rotation and Reference System Service. Служба IERS сохранила первенство за астрономией, признав главной новую Международную небесную барицентрическую триаду ICRS; изменения координат, как звезд, так и земных пунктов теперь поставлены в зависимость от высокоточных небесных радио ориентиров. Хотя независимая земная СК (СКС или триада) пока не создана, но в литературе обсуждается проблема связи небесной и земной СК. Мы рассмотрим сначала предложения о связи сферических координат земных пунктов с местами квазаров в ICRF, затем – связи между триадами (ITRS и ICRS). 1). Авторы «IERS Technical Notes» характеризуют земную СКС такими словами: «ITRF представляет собой малую выборку точек на поверхности, положение которых известно на некоторую эпоху (или эпохи) с определенной точностью» ([12], с.25). Они поясняют: «Система ITRF определена посредством положений и скоростей станций. Предполагается, что скорости остаются постоянными во времени, что может быть неоправданным для всех станций» ([12], с.26). В статье Г.В.Демьянова читаем: «Значения геоцентрических координат пунктов ITRF в результате непрерывного совершенствования сети и геодинамических процессов изменяются. Поэтому каталоги координат обновляют и указывают эпоху обновления, например: ITRF-89, ITRF-94, ITRF-2000, ITRF-2005 с указанием скорости изменения координат пунктов» ([13], с.18). Авторы статьи [12] также пишут, что постоянство скоростей требуется лишь для ограниченного срока, затем координаты станций и пунктов ITRF подвергаются процедуре “updating”, в результате которой пересматриваются их координаты, а, следовательно, и скорости. «Земная система ITRF не является статической и должна быть непрерывно пересматриваемой» (если буквально перевести слово “updating”, осовремениваемой, обновляемой) ([12], с.26). Обновление заключается в периодическом уточнении координат пунктов путем их приведения в небесную систему ICRF, следовательно, земная система не имеет собственных, связанных с земными точками нуль-пунктов. International celestial reference frame (ICRF) – Международная небесная опорная система мест, которую можно назвать «квазарной» СКС, как хорошо известно, создана на основе РСДБ наблюдений дуг между квазарами и точечными радиогалактиками, не обнаружившими собственных движений и годичных параллаксов. Использование наблюдений источников, излучающих в радио и в оптическом диапазонах, позволило связать ICRF со звездами и установить три нуль-пункта в точках с координатами α=0, δ=0; α=6h, δ=0 и δ=900 в каталоге FK5 (средняя эпоха наблюдений 1991.25, динамическое равноденствие J2000.0). Оставляя открытым вопрос о целесообразности выбора избыточного числа нуль-пунктов для СКС, отметим, что многие авторы полагают, что система ICRF не будет вечной, но периодически поддерживаемой (maintaining). Процедура поддержания, или обеспечения стабильности ICRF заключается в изучении скоростей (изменений сферических координат) радиоисточников с целью исключения из начального списка тех пунктов, чьи скорости аномально велики и включения новых, более надежных. Предполагается, что таким путем уточняя координаты радиоисточников, оставленных в списке, можно поддерживать постоянные направления осей (sic!) ICRF ([1], с.212). Бесспорными причинами изменения угловых расстояний между координатами квазаров в ICRF и спроектированными на сферу квазаров земными пунктами является суточное вращение Земли, прецессионно-нутационное вращения земной оси, движения полюса (периодические и нерегулярные), а также движения самих станций. Модели этих движений теперь сложнее прежних; таким образом, на основе сравнения вычисленных и наблюдаемых сферических координат пунктов, как и прежде, невозможно однозначно определить поправки к параметрам используемых моделей. Необходимо уточнять параметры нескольких моделей, и можно утверждать, что задача, поставленная в начале XX века (см. раздел I) остается нерешенной. Раздельно определить из наблюдений движение земной оси по отношению к сфере квазаров и к земной коре, а также смещения земных пунктов снова невозможно по той же причине — недоопределенность системы уравнений погрешностей только увеличивается вместе с увеличением искомых параметров усложняемых численных моделей. Методы прогнозирования координат полюса и станций сходны с экстраполяцией с бóльшим или меньшим числом разностей по предыдущим рядам наблюдений. Краткосрочные прогнозы признаются удовлетворительными, долгосрочные – неудовлетворительны, о чем красноречиво свидетельствуют средние квадратичные ошибки прогнозируемых значений x,y и UT1-UTC: на полгода они соответственно в 5,10 и 30 раз больше, чем на 10 суток, амплитуда даже последующего чандлерова периода остается непредсказуемой. 2). Остановимся теперь на сравнении координат пунктов земной триады ITRS (еще не созданной) с главной опорной небесной триадой ICRS, началом которой, по решению МАС, назначен барицентр Солнечной системы. Выбор объясняют тем, что направления ортов триады ICRS, считаются постоянными, поскольку барицентр движется инерциально относительно квазаров; поэтому ICRS называют инерциальной СК и «невращающейся небесной триадой». Переход от ICRF (т.е. от сферических координат квазаров) к триаде ICRS в современной монографии описан так: «Использование рафинированных моделей и улучшенных стандартов (IERS 1996b) для редукции РСДБ наблюдений внегалактических объектов в согласии с требованиями специальной и общей теорий относительности по учету аберрации, уклонения лучей и преобразования времени обеспечивает совпадение центра координатных осей ICRS с барицентром Солнечной системы» (курсив мой, С.Т). ([1], с.139). Перечисленные поправки, учитывающие аберрационные смещения и влияние атмосферы – «уклонение лучей», относятся к наблюдаемым с Земли сферическим координатам квазаров. Очевидно, посредством их учета связь центра сферы бесконечного радиуса (даже отдельного квазара) с барицентром Солнечной системы обеспечена быть не может. Эти поправки вносятся в наблюдаемые, координаты проекций квазаров и учитывают такие особенности их определения, как влияние атмосферы и скоростей вращений земных наблюдателей относительно бесконечно далеких светил (звездная аберрация, суточная и годичная), но не относительно барицентра Солнечной системы. Из центра Солнца также невозможно наблюдать, как и из барицентра, но Солнца наблюдаемо, а барицентр не наблюдаем ни относительно звезд или квазаров, ни в какой-либо локальной системе координат. Как же осуществить проверку теории – численной модели, на основе которой вычисляются эфемериды планет, включая Землю с Луной? Этот вопрос не обсуждается, хотя прежний способ проверки, основанный на использовании наблюдений Солнца, стал неактуальным. Если бы наблюдения квазаров или далеких звезд производились из центра Солнца или барицентра, то не возникло бы сомнений в постоянстве направлений от наблюдателя к указанным светилам (в течение очень долгого времени). Если бы наблюдения производились из центра Земли, то с помощью угломерного инструмента, фиксировалось бы вращение квазаров (звезд) из-за орбитального движения Земли, зависящего от движений других планет и Луны. Поскольку наблюдатель находится на поверхности Земли, приходится учитывать кроме барицентрического, также все вращения наблюдателя, которые были перечислены нами в п. 1)1. Таков наш вывод. Сравним его с мнением эксперта IERS. Мак-Карти пишет о решении МАС относительно установления начала ICRS: «Начало располагается в барицентре Солнечной системы посредством подходящего моделирования наблюдений (sic!) в рамках общей теории относительности» ([14], c.4). О том, как осуществляется зависящая от времени (“time dependent”) связь между ICRS и ITRS Мак-Карти пишет следующее: «Координатные преобразования, которые необходимо использовать для перехода от земной опорной системы (TRS) к небесной опорной системе (CRS) для даты наблюдений t могут быть записаны так: [CRS] = PN(t) R(t) W(t) [TRS],……………(1) где PN(t), R(t) и W(t) являются соответственно матрицами преобразований, возникающих из-за вращения небесного эфемеридного полюса (CEP – Celestial Ephemeris Pole) в небесной опорной системе (CRS), из-за вращения Земли вокруг оси небесного эфемеридного полюса (CEP) и из-за движения полюса» ([14], с.20). Такова общая схема преобразований, далее в [14] приводятся два алгоритма, которые эквивалентны. Второй алгоритм изложен на с.34-38, и есть в русском варианте в работе [8], c.195-200). Запись уравнений (1) такова, что в ней в явном виде нет указания на необходимость использования теории барицентрического движения Земли (с учетом влияния Луны) для перехода от TRS к CRS. Косвенным указанием на то, что решение задачи требует использования эфемерид, является присутствие матриц: PN(t) для учета вращения небесного эфемеридного полюса (CEP) в системе квазаров и R(t) для учета вращения земной оси относительно этого полюса. Предполагается, что полюс CEP вместе с CEO (Celestial Ephemeris Origin – Небесное эфемеридное начало) связан с зафиксированными относительно квазаров координатами, с ICRF. С этой системой отсчета связаны эфемериды планет, включая Землю и Луну, получаемые на основе численной теории, развиваемой в рамках ОТО. Эфемериды планет пересматривают почти так же часто, как сферические координаты земных станций в ITRF (об этом см. ([13], с.18). Например, эфемериды DE403 и лунные эфемериды LE403 (1995г.), заменили устаревшие DE200 и LE200 от 1990г. ([14], c.8). В настоящее время приняты эфемериды DE405 и LE405 или DE406 и LE406, которые вычисляются с точностью до 12ти значащих цифр и до 18ти соответственно. Частая замена препятствует изучению вековых и долгопериодических изменений в Солнечной системе. В 2000г. на XXIV Генеральной Ассамблее МАС было принято 10 пространных резолюций ([15], с.117-127). Согласно Резолюции 1.6 об уточнении прецессионно-нутационного вращений земной оси, с 1 января 2003 г., модель прецессии-нутации IAU2000A заменяет устаревшие модель прецессии IAU1976 и теорию нутации IAU1980 (с.123). К вращению Земли относится также Резолюция B1.7 «Определение Небесного промежуточного полюса» CIP (Celestial Intermediate Pole), которые с 1января 2003г. введен вместо CEP: “ the Celestial Ephemeris Pole is no longer necessary” (c.124). В других резолюциях полюс CEP не отвергнут. Замена CEP на CIP влияет не только на используемые алгоритмы (options). Смысл резолюции B1.7 проясняется, если обратиться к резолюциям B1.3 и B1.8. Отметим в них то, что непосредственно касается изучения вращения Земли. В первой из них, посвященной определению в рамках ОТО «пространственно-временных координат Земли, создается новая триада, названная Геоцентрической небесной опорной системой (GCRS)» (с.116). Резолюция содержит рекомендацию об использовании гармонических координат для барицентрической (BCRS) и геоцентрической опорной системы. Вторая, B1.8, – также посвящена GCRS, создаваемой на основе наблюдений. В Рекомендации №2 вводится TEO (Terrestrial Ephemeris Origin) – Земное эфемеридное начало на экваторе полюса CIP. В констатирующей части этой Резолюции в частности указывается на желательность описания вращения Земли независимо от ее орбитального движения (с.125)2. Фактически рекомендовано использование предложения Б.Гино от 1979 г.[16] об установлении «невращающегося начала на подвижном экваторе», что свидетельствует о возвращении к предложениям «дореволюционных» лет. Тенденция, отмеченная нами в статье ([17], с. 14), сохраняется, — астрономы постепенно отказываются от некоторых революционных установок. ^ изменение, касающееся учета неразрывности пространства-времени, нами не рассматривалось. Известно, что, согласно ОТО, течение времени, как и движения светил зависит от поля тяготения, поэтому барицентрическое время должно отличаться от геоцентрического. В результате такой установки связь координатных систем оказывается значительно сложнее – появляются многочисленные поправки, которые упомянуты почти во всех резолюциях, например; в B1.4 – Post-Newtonian Potential Coefficients (с.118-120), B1.5 – Extended Relativistic Framework for Time Transformations and Realization of Coordinate Times in the Solar System ([15], с.121-122), также докладах на “Journées”, например, за 2004 ([18], с.11-12, 182-187). Заключение Сравнение двух эпох показывает, что задача изучения вращения Земли, должна оставаться предметом обсуждения астрономов и геодезистов. Технические возможности и методы геодезии успешно развивались в XX веке. Анализ влияния революционных методов астрометрии на решение задач, связанных с вращением Земли, которые обсуждались также в работе [3] и затронуты в [4], приводит к следующим выводам. 1. Новый подход к определению движения полюса Земли, опирающийся на вывод движения полюса и изменений координат земных пунктов путем их приведения в ICRF, не устранил основного недостатка прежнего решения. Сохраняется невозможность однозначного определения (уточнения) параметров моделей, описывающих вращение земной оси, неравномерности вращения Земли, а также движения полюса и станций, из сравнения координат, вычисленных с непосредственно наблюдаемыми – из анализа разностей «o-c». 2. При изучении вращения Земли путем приведения земных координат к главной опорной барицентрической триаде ICRS решение рассматриваемой задачи заводится в тупик. В этом случае увеличивается число моделей – посредников, которые необходимо использовать для сравнения значений наблюдаемых координат «о» с вычисленными «с», поскольку приходится опереться также и на современную теорию орбитального движения Земли с Луной относительно барицентра. Критических замечаний по поводу такого решения в резолюциях МАС не содержится, но есть упоминание о желательности описания вращения Земли независимо от ее орбитального движения ([15], с.125). Для этой цели вводится Геоцентрическая небесная система (GCRS) с промежуточным полюсом CIP и «невращающимся началом на подвижном экваторе», которое предлагал Б.Гино в 1979г. [16]. Эти изменения, свидетельствуют о намерении сохранить преемственность с наблюдениями прежних веков. 3. Современные астрономы не создали земной СКС, нуль-пункты которой были связаны с конкретными точками на поверхности Земли. В настоящее время существуют только «выборки станций», геодезические определения координат которых в системах GPS и ГЛОНАС подвергаются частым уточнениям [13,14]. Мы полагаем, что установление земной системы координат является первым шагом, необходимым для изучения вековых и долгопериодических движений полюса и литосферных плит, а также решения других задач астрометрии, которых мы здесь не рассматривали. Литература 1 Walter H. & Sovers O. Astromerty of Fundamental Catalogues, 2000, Springer, 232 c. 2. Толчельникова С.А. Глава II в Отчете по Договору между ЦНИИГАиК и ГАО РАН. 3. Толчельникова С.А. — Земная сферическая система координат, определение движений среднего полюса и земных пунктов // Геодезия и гравиметрия: XX век. – С. 34–44. 4. Юркина М.И., Толчельникова С.А. Леонард Эйлер и изучение вращения Земли. В сб.: Леонард Эйлер: к 300-летию со дня рождения, СПб., «Нестор – история», с.202-212. 5. Newcomb S. “A Compendium of Spherical Astronomy”, 1906, N.-Y., Macmillan, 444 с. 6. Толчельникова С.А. Особенности изучения движений в координатных системах, построенных по наблюдениям бесконечно далеких светил. // Геодезия и картография, №6, 2008, с.11-17. 7. Уралов С.С. Общая теория методов геодезической астрономии, М., «Недра», 1973, 271с. 8. Лукашова М.В., Свешников М.Л. Небесное эфемеридное начало (CEO) // Труды ИПА 9. Щербакова Н.В. Глава III в Отчете по Договору между ЦНИИГАиК и ГАО РАН. 10. Маррей К.Э. Векторная астрометрия. Предисловие Я.С.Яцкива (с.5-7)– Киев: Наукова думка,1986, 326 с. 11. Reigber C. and Feissel M. Foreword // IERS Technical Note 22, 1997, Observatoire de Paris, 50c. 12. Bjorn Engen, J. Bernard Minster, Tom James, Chopo Ma, Pettersen B.R., Jim Ray, Scherneck H-G Topography and Crustal Deformations. // IERS Technical Note 22, January 1997, Observatoire de Paris. 13. Демьянов Г.В. Геодезическая система координат, современное состояние и основные направления развития // Геодезия и картография №9, 2008, с.17-20. 14. McCarthy D. Transformation between the Celestial and Terrestrial Systems // IERS Technical Note 21, July 1996, Observatoire de Paris. 15. IAU Resolutions Adopted at the XXIVth General Assembly // IERS Technical Note №32. 2000, Observatoire de Paris. 16. Guinot B. Basic Problems in the Kinematics of the Rotation of the Earth // IAU Symposium № 82, Time and the Earth’s Rotation/ McCarthy D.D and Pilkington J.D.(eds.), 1979, D.Reidel Publ., c.7-18. 17. Толчельникова С.А. Международная небесная опорная система координат ICRS и революция в астрометрии. // Геодезия и картография, № 9, 2002, с.13-20. 18. Fundamental Astronomy: New concepts and models for high accuracy observations – Journées 2004, Paris, Observatoire de Paris, 270 c. 1 Кроме того, при «уточнении» всех наблюдаемых с Земли движений путем приведения к барицентрической триаде возникают проблемы с отчетом времени, что понятно изучавшим астрономические системы времени. 2 Эта резолюция указывает также на необходимость сохранения связи между Гринвичским средним временем и UT1.
|
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 