Jakiego kształtu jest kula ziemska?

Oczywiście, wcale nie kulistego. Co więcej, odpowiedź, że jest geoidą jest jeszcze gorsza – Ziemia to ziemio-kula!

Kształt Ziemi bada  od 2009 roku satelita GOCE latający na niskiej wysokości (270 km) i mierzący precyzyjnie oddziaływanie grawitacyjne Ziemi.

Ale co on właściwie mierzy? Siłę grawitacji? Nie! bo z uwagi na spłaszczenie Ziemi i jej ruch obrotowy przyspieszenie ziemskie (czyli siła grawitacji) jest w różnych miejscach globu różna.

Satelita GOCE mierzył potencjał grawitacyjny Ziemi. Zmiana potencjału grawitacyjnego mówi, czy poruszamy się „pod górkę” czy „z górki”. Jeśli potencjał się nie zmienia, to poruszamy się w poziomie. A siła grawitacji jest do poziomu prostopadła!

 
Poziomica wskazuje poziom: kulka nie stacza się z poziomej powierzchni, poziom morza jest poziomy a pion do poziomu jest prostopadły (Sopot, zdjęcie GK)

GOCE badał, w którym kierunku działa siła grawitacji (nie zawsze do geometrycznego środka Ziemi!) i ustalał kształt geoidy jako prostopadły do tej siły. Innymi słowy – kształt Ziemi to powierzchnia stałego potencjału (grawitacyjnego + odśrodkowego).

W pierwszym przybliżeniu kształt Ziemi to elipsoida obrotowa – wypadkowa siły grawitacji i siły odśrodkowej są do takiej elipsoidy zawsze prostopadłe. Jasne: gdyby siła grawitacji nie była prostopadła do powierzchni morza, to po Ziemi przetaczałyby się kilometrowej wysokości fale!

Elipsoida obrotowa jest „idealną” powierzchnią Ziemi: jest to taka powierzchnia, że siła wypadkowa Q (pochodząca od siły grawitacji F_g i siły odśrodkowej bezwładności F_O) jest do niej zawsze prostopadła. Proporcje siły odśrodkowej i spłaszczenia Ziemi są na tym rysunku znacznie wyolbrzymione. W rzeczywistości, promień równikowy różni się od biegunowego o 22,4 km (co przy promieniu równikowym 6378 km daje spłaszczenie 1/298)

GOCE pokazał, z dokładnością do pojedynczych centymetrów, że geoida leży poniżej elipsoidy w rejonie Oceanu Indyjskiego (i Himalajów!). Himalaje (i dno Oceanu Indyjskiego) składają się lekkich skał wapiennych. Natomiast w rejonie Islandii i Indonezji geoida się wybrzusza: ze środka Ziemi wypływają tam ciężkie bazalty.

Pytanie o kształt Ziemi zadał również Kopernik: jak się to dzieje, że woda nie spływa z kuli ziemskiej?

Odpowiedź o kształt Ziemi jest bardzo prosta, wręcz kopernikańska: geoida to taka powierzchnia, jakby Ziemię w całości pokryć wodami.

Zobacz więcej:
Elipsoida Ziemska, J. Chojnacka, G. Karwasz, Foton, 114, 2011
Jakiego kształtu jest „kula” ziemska, Geografia w Szkole 6/2011, 45-51

Tekst: GK
WWW: KS