Geoid: a Föld valós fizikai alakja és geodéziai jelentősége
Geoid: a Föld valódi fizikai alakja — a gravitáció és forgás által meghatározott referencia a geodézia, térképészet és GPS pontosságának megértéséhez.
A geoid az a valós, egyenpotenciális felület, amely a tengerszintet jellemzi, ha a tengerek nyugalomban lennének — vagyis ha csak a Föld tömegeloszlásából származó gravitációjának és a Föld forgásának hatása érvényesülne, minden más hatás (például a szelek és az árapályok nélkül,) elhanyagolható lenne. Ez a felület ezért a Föld Föld valódi fizikai alakjának legközelebbi matematikai leírása, ugyanakkor nem szabályos geometriai test.
Mit értünk a geoid alatt?
A geoid egy háromdimenziós geometriai felület, de nem egyszerű síkidom vagy tökéletes ellipszoid. A köznyelv gyakran azzal egyszerűsíti a Föld alakját, hogy olyan, mint egy narancs. Az ilyen forgó égitestek alakjára jellemző, kissé lapult forma az oblate spheroidoknak nevezett csoportba tartozik; a matematikai egyszerűsítésre használt sima test a klasszikus ellipszoid (referenciaellipszoid).
A geoid azonban ettől a sima ellipszoidtól apró, de geopotenciálisan jelentős eltéréseket mutat: helyi tömegnagyságok (hegyek, földtani szerkezetek) miatt «kilengések», vagyis geoid-süllyedések és -emelkedések alakítják. Ezek a geoid-eltérések, más néven geoidmagasságok, világszerte több tíz métertől nagyságrendileg akár száz méterig terjedhetnek.
Formális meghatározás és történet
Meghatározása röviden: A geoid az az alak, amelyet az óceánok felszíne csak a Föld gravitációjának és forgásának hatására, más hatások, például a szelek és az árapályok nélkül, felvenné.
Ezt a fogalmat a 19. századi geodézia és matematikai geofizika keretében dolgozták ki; a kifejezést többek között Gauss is használta 1828 körül. A geoid vizsgálata és a Föld alakjának, illetve gravitációs mezőjének mérése a geodéziának egyik alapfeladata.
Kapcsolat a referenciaellipszoiddal és a magasságokkal
Gyakorlati és számítási okokból a geoidnál egyszerűbb, sima felületet választanak referenciának: ez a referenciaellipszoidnak nevezett matematikai ellipszoid (például a WGS84 ellipszoid). A GPS-műholdak azonban ellipszoidi koordinátákat adnak (ellipszoidi magasság: h), míg a hagyományos magasságok, amelyeket például térképezésnél és építkezésnél használunk, ortometrikus (tengerszinthez viszonyított) magasságok (H). A kétféle magasságot a geoidmagasság (N) kapcsolja össze az egyszerű egyenlettel:
H = h − N
Azaz a geoidmagasság (N) megadja, hogy az ellipszoid és a geoid egymáshoz képest milyen távolságra vannak egy adott helyen.
Mérések, modellek és meghatározásuk módjai
A geoid meghatározása többféle megfigyelés és modell kombinációjával történik:
- helyi és térségi gravitációs mérések
- műholdas mérések (magassági radar/szintmérés, GNSS műholdak),
- műholdas gravitációs missziók (pl. GRACE, GOCE),
- tengeri altimetria és a tengerszint mérései,
- geopotenciál-modellek (globális példák: EGM-sorozat, lokális geoidmodellek).
A nemzeti geodéziai szolgálatok gyakran pontos, lokálisan kalibrált geoidmodell(ek)et adnak ki, amelyeket a GNSS-mérésekhez és a hagyományos magasságokhoz való átszámításhoz használnak.
Gyakorlati jelentőség
A geoidnak nagy gyakorlati szerepe van:
- Magasságok meghatározása és egységesítése térképezésben és építészetben;
- Vízügyi és partmenti szintmodellezés (tengerszint-változások, árvízszámítások);
- Geofizikai kutatások: a geoid-kibillenések a belső tömegeloszlásra utalnak, ezért segítenek a kéreg- és köpenystruktúra feltérképezésében;
- Műholdas navigációs rendszerek és tengerszintre vonatkozó műholdas mérések pontosításához elengedhetetlen a jó geoidmodell.
Összefoglalás
A geoid tehát nem csupán egy egyszerű geometriai test, hanem a Föld gravitációs potenciáljának és forgásának következményeként kialakuló, helyenként erősen ingadozó, de a gyakorlatban alapvető referenciát adó felület. Mérése és modellezése a modern geodézia és a földtudományok fontos feladata, amely közvetlen hatással van a térképészetre, a földtani kutatásokra és a mindennapi navigációra is. A geoid megértése nélkül nem lehet pontosan összekapcsolni a műholdas (ellipszoidi) magasságokat a hagyományos, tengerszinthez viszonyított magasságokkal — ezért a geoidmodellek folyamatos fejlesztése kiemelt jelentőségű.
A geoid fogalmát és használatát a földtudományokban továbbra is aktívan fejlesztik, különösen a műholdas adatok és a nagy pontosságú gravimetriai mérések előretörésével.
Megjegyzés: a geoid fogalmának egyszerűsített magyarázatát gyakran tanítják úgy, hogy a Föld alakja hasonlít egy narancsra vagy forgó gömbre: minden forgó égi test – mint például a csillagok és a bolygók is ilyen – általában lapultabb az egyenlítő körül, de a részletek és a tömegeloszlás minden esetben különböznek.
Lapított gömb (eltúlzott)
Kérdések és válaszok
K: Mi az a geoid?
V: A geoid egy háromdimenziós geometriai alakzat, mint egy narancs, amely a lapított szferoid egy speciális fajtája.
K: Hogyan határozzák meg a geoidot?
V: A geoidot úgy határozzák meg, mint azt az alakot, amelyet az óceánok felszíne csak a Föld gravitációjának és forgásának hatására, más hatások, például a szelek és az árapályok hiányában, felvenné.
K: Ki és mikor határozta meg a geoidot?
V: A geoidot Gauss határozta meg 1828-ban.
K: Mi az a geodézia?
V: A Föld méreteinek és alakzatainak tanulmányozását geodéziának nevezzük.
K: Miért használunk referenciaellipszoidot a geoid helyett?
V: Sok gyakorlati célra egyszerűbb alakzatot használnak, mert az megkönnyíti a számításokat. Ezt az alakzatot referenciaellipszoidnak nevezik.
K: Hogyan írják le a Föld alakját az alapoktatásban?
V: Az alapoktatásban a Föld alakját úgy írják le, hogy olyan, mint egy narancs, egy gömb, de az egyenlítő körül szélesebb.
K: A geoidhoz hasonló formák más égi forgó gömbökön is megtalálhatók?
V: Igen, ezt az alakot minden égi forgó gömb, például a csillagok és a bolygók is produkálják. A részletek minden egyes esetben némileg eltérnek.
Keres