Physical geodesy

Abstract

Physical geodesy studies the large-scale figure and gravity field of the Earth, which are closely related. Our understanding of the gravity field is based on Newton’s theory of gravitation. We present field theory, with partial differential equations describing the behaviour of the field throughout space. Techniques for solving these equations using boundary conditions on the Earth’s surface are explained. A central concept is the geopotential. The figure of the Earth is approximated by an ellipsoid of revolution, after which the precise figure is described by small deviations from this ellipsoid. Vertical reference systems are discussed in this context. Extending the approach to the Earth’s gravity field yields small difference quantities, such as the disturbing potential and gravity anomalies. Approaches to modelling the gravity field explained are spectral development of the field using spherical harmonics, the Stokes equation, numerical techniques based on the Fast Fourier Transform, the remove-restore technique, and least-squares collocation. Gravity measurement techniques are discussed, as are the multiple links with geophysics, such as terrain effects, isostasy, mean sea level and the sea level equation, and the tides.

Fysikaalinen geodesia tutkii Maan muotoa ja sen painovoimakenttää, jotka liittyvät läheisesti toisiinsa. Newtonin gravitaatioteoria on painovoimakentän ymmärtämisen perusta. Esitämme kenttäteoriaa ja kentän spatiaalikäyttäytymistä kuvaavia osittaisdifferentiaaliyhtälöitä. Maanpinnan reunaehdot esitetään yhtälöiden ratkaisumenetelmien avulla. Keskeinen käsite on geopotentiaali. Maan muotoa approksimoidaan pyörähdysellipsoidilla, jonka jälkeen tarkkaa muotoa voidaan kuvata pieninä poikkeamina tästä ellipsoidipinnasta. Myös korkeusjärjestelmät esitetään tässä yhteydessä. Lähestymistavan yleistys Maan painovoimakenttään antaa pieniä erotussuureita kuten häiriöpotentiaali ja painovoima-anomaliat. Kirjassa käydään läpi painovoimakentän mallinnusmenetelmät, kuten kentän spektraalikehitelmä pallofunktioita käyttäen, Stokesin yhtälö, nopeaan Fourier’n muunnokseen perustavat laskentatekniikat, remove-restore -menetelmä ja pienimmän neliösumman kollokaatio. Kirjassa esitellään myös painovoiman mittaustekniikat, sekä yhteydet geofysiikan kanssa, kuten isostasia, maaston vaikutus, keskimerenpinta, merenpintayhtälö sekä vuorovedet.