地球的形状及其地理意义

大地测量中所谓的地球形状，是指一种假想的，用平均海平面来表示的、平滑的封闭曲面。这个曲面叫做大地水准面。所以，这里所说的地球形状就是指大地水准面的形状。研究地球的形状，无论是对人类的生产实践，还是对诸如地球内部状态和结构、天体物理、空间技术等许多方面的科学实践，都有重要的意义。人类很早就掌握了大地球形的简单证据。例如，一个人沿南北方向旅行时，发现星星在地平线上的高度不断变化，一些星出现了，而另一些星不复可见；驶离海岸的船只，总是船身首先从岸上观察者的视野中消失；月食时，出现在月球表面的地影总呈圆形；日出前和日落后天空中出现曙暮光；等等。以后，科学的发展提供了更丰富的证据，人们的认识也随之不断深化。1671 年，法国天文学家里希尔到今法属圭亚那首府卡宴（52.5°W，5°N）进行天文观测时，发现由巴黎带来的摆钟每天慢两分半。他调整了摆长以校准时钟，但回到巴黎后，摆钟每天又快两分半。里希尔指出发生这一现象的原因可能是地球并非真正的球体。后来，牛顿运用万有引力定律对这种现象做了解释。牛顿认为，摆钟变慢是由重力加速度变小引起的。而重力加速度之所以变小，一方面是由于赤道附近的离心加速度增大，另方面则是地球的赤道部分比较凸出，使那里所受的地心引力减小所致。我们知道，当一个长度为l的摆的摆动幅度与l相比很小时，摆动一次的时间T，可由下列公式算出： 式中g为重力加速度。如果摆长不变，时间T只可能随重力加速度的改变而改变。这就说明摆动变慢，是由于重力加速度减小，即赤道上的地表比高纬地区同海拔地表距地心更远。现代精密测量的结果告诉我们，通过赤道的地球直径比通过两极的直径长 42.5 公里。这就证实了地球不是正球体，而是一个两极比较扁平、赤道部分相对突出的椭球体；通过两极的地球断面是椭圆形而不是正圆形；椭球体的最大圆周在赤道上，而不在通过两极的椭圆上（图 1-1）。由于地球两极扁平，那里的地面曲率就比赤道地面曲率小。从图1-1中可以看出，两极附近 5°弧的弧长大于赤道上 5°弧的弧长；相应于前者的圆半径，比相应于后者的圆半径大。 测定地球扁率的工作早在十八世纪就已开始。十九世纪以来，不同国家分别采用了许多种扁率。1924年，国际大地测量和地球物理协会决议采用海福得椭球体。我国在1952年以前也曾采用过。1940年克拉索夫斯基提出了新的数据，并先后为部分欧洲国家所采用。我国自 1953 年开始也采用克拉索夫斯基的椭球体。人造地球卫星出现后，扁率测量的精度大大提高。1971年，第 15 届国际大地测量和地球物理协会决议，采用人造地球卫星提供的最新数据。