Введение

Энергия, связанная с гравитацией Земли.

Геопотенциал — это потенциал гравитационного поля Земли. Для удобства его часто определяют как отрицательное значение потенциальной энергии на единицу массы, так что вектор силы тяжести получается как градиент геопотенциала, без изменения знака. Помимо фактического потенциала (геопотенциала), можно также определить гипотетический нормальный потенциал и их разность – возмущающий потенциал.

Понятия

Для геофизических приложений гравитация отличается от всеобщего тяготения. Гравитация определяется как результирующая сила всеобщего тяготения и центробежной силы, вызванной вращением Земли. Соответствующие скалярные потенциалы могут быть сложены для формирования эффективного потенциала, называемого геопотенциалом.

Поверхности постоянного геопотенциала или изоповерхности геопотенциала называются эквигеопотенциальными поверхностями (иногда сокращенно geop), также известными как геопотенциальные поверхности уровня, эквипотенциальные поверхности или просто поверхности уровня. Глобальная средняя поверхность моря близка к одной эквигеопотенциальной поверхности, называемой геоидом. На рисунке (не в масштабе) показано, как сила всеобщего тяготения и центробежная сила складываются в силу, ортогональную геоиду. На широте 50° отклонение между силой всеобщего тяготения (красная линия на рисунке) и местной вертикалью (зеленая линия на рисунке) фактически составляет 0,098°. Для движущейся массы (например, атмосферы) центробежная сила больше не совпадает с силой всеобщего тяготения, и векторная сумма не является строго ортогональной поверхности Земли. Это является причиной эффекта Кориолиса для атмосферного движения. Геоид представляет собой плавно волнистую поверхность из-за неравномерного распределения массы внутри Земли; однако его можно приближенно представить эллипсоидом вращения, называемым эталонным эллипсоидом. В настоящее время наиболее широко используемый эталонный эллипсоид, эллипсоид Геодезической системы отсчета 1980 (GRS80), приближает геоид с точностью до чуть более чем ±100 м. Можно построить простую модель геопотенциала, в которой одна из эквипотенциальных поверхностей является этим эталонным эллипсоидом, а модель потенциала совпадает с истинным потенциалом геоида; эта модель называется нормальным потенциалом. Разница между ними называется возмущающим потенциалом. Многие наблюдаемые величины гравитационного поля, такие как гравитационные аномалии и отклонения отвеса, могут быть выражены через этот возмущающий потенциал.

Нормальный потенциал

Приблизительно Земля — это сфера, или, с большей точностью, эллипсоид. Аналогичным образом мы можем приблизить гравитационное поле Земли сферически симметричным полем, для которого эквипотенциальные поверхности — поверхности постоянного значения потенциала — являются концентрическими сферами. Однако более точно приблизить геопотенциал полем, для которого эталонный эллипсоид Земли является одной из его эквипотенциальных поверхностей. Наиболее современный эталонный эллипсоид Земли — GRS80, или Геодезическая опорная система 1980 года, используемая системой глобального позиционирования. Его геометрические параметры: большая полуось a = 6378137,0 м и сплюснутость f = 1/298,257222101. Строится геопотенциальное поле, являющееся суммой гравитационного потенциала и известного центробежного потенциала, для которого эталонный эллипсоид GRS80 является одной из его эквипотенциальных поверхностей. Если мы также потребуем, чтобы заключенная масса была равна известной массе Земли (включая атмосферу) GM = 3986005 × 10⁸ м³·с⁻², мы получим для потенциала на эталонном эллипсоиде:

Очевидно, это значение зависит от предположения, что потенциал асимптотически стремится к нулю на бесконечности, что обычно принято в физике. Для практических целей более целесообразно выбирать нулевую точку нормальной гравитации в точке эталонного эллипсоида и отсчитывать потенциалы других точек от неё.

Потенциал возмущения

После того, как построено чистое, гладкое геопотенциальное поле, соответствующее известному опорному эллипсоиду GRS80 с эквипотенциальной поверхностью (мы называем такое поле нормальным потенциалом), его можно вычесть из истинного (измеренного) потенциала реальной Земли. Результат определяется как T – потенциал возмущения:

Потенциал возмущения T численно значительно меньше, чем U или W, и отражает детальные, сложные изменения истинного гравитационного поля существующей Земли от точки к точке, в отличие от общей глобальной тенденции, описываемой гладким математическим эллипсоидом нормального потенциала.

Геопотенциальное число

В практической наземной работе, например, при нивелировании, используется альтернативная версия геопотенциала, называемая геопотенциальной высотой, отсчитываемой от геоида вверх:

где – геопотенциал геоида.