Geoidi – mikä se on? Maan todellinen muoto ja määritelmä
Tutustu geoidin määritelmään ja maapallon todelliseen muotoon: selkeä selitys geoidista, geodesiasta, viiteellipsoidista ja miksi se vaikuttaa mittauksiin.
Geoidi on Maan pinnan kaltainen, mutta epätasainen ja fysikaalisesti määritelty muoto. Se on kolmiulotteinen geometrinen muoto, joka muistuttaa paikoin esimerkiksi litistyneen pallon muotoista kappaletta kuten appelsiini, mutta todellisuudessa geoidi on paljon monimutkaisempi ja pieniä kohoumia ja painaumia sisältävä pinta. Tällaisia litistyneitä palloja kutsutaan oblate spheroideiksi, jotka ovat eräänlaisia ellipsoideja.
Geoidi on kuitenkin hyvin erityinen pallomainen sfäärin muoto. Se määritellään seuraavasti:
Geoidi on muoto, jonka valtamerten pinta saisi pelkästään maapallon painovoiman ja pyörimisliikkeen vaikutuksesta ilman muita vaikutuksia, kuten tuulia ja vuorovesiä.
Termi ja käsite on liitetty geodeettiseen tutkimukseen; sen merkityksen selvensi mm. Gauss vuonna 1828. Geoidia kuvataan usein maapallon todelliseksi fyysiseksi muodoksi, koska se heijastaa Maan massajakauman vaikutusta painovoimakenttään. Maapallon mittojen ja muotojen tutkimista kutsutaan geodesiaksi, ja geoidi on yksi geodesian peruskäsitteistä.
Koska geoidi on fysikaalinen, epäsäännöllinen pinta, käytännön laskuissa ja kartoissa käytetään usein yksinkertaistettua ja säännöllistä matematiikkaa: viiteellipsoidia, joka on tasainen, äärellisen muodon ja mittojen määritelmä (esimerkiksi puolimantereiden säde ja litistyminen). Viiteellipsoidi helpottaa koordinaattijärjestelmien ja navigoinnin laskentaa, mutta todelliset korkeudet (ns. ortometriset korkeudet) perustuvat geoidin suhteeseen viiteellipsoidiin.
Miten geoidi liittyy merenpintaan ja korkeuksiin? Geoidi vastaa ideaalitilannetta, jossa meret asettuisivat vain painovoiman ja Maan pyörimisliikkeen vaikutuksesta. Käytännössä merenpinta vaihtelee tuulten, vuorovesien ja muista ilmiöistä johtuvien vaihtelujen takia, joten geoidin määrittäminen vaatii pitkän aikavälin keskiarvoja ja mittauksia. Kartoituksessa ja rakentamisessa korkeusjärjestelmän nolla määritellään usein geoidin mukaisesti (kansallinen nollataso = merenpinnan pitkän ajan keskiarvo).
Miten geoidia mitataan ja mallinnetaan? Geoidin muotoa selvitetään yhdistämällä erilaisia mittauksia: satelliittigeodeettisia havaintoja (esim. GPS/GNSS), gravimetrisia mittauksia maan pinnalta ja satelliittien avulla (satelliittigravimetria), sekä merenpinnan korkeusmittauksia satelliittialtimetrialla. Nämä tiedot yhdistetään laskennallisiksi geoidimalleiksi, kuten kansallisiksi geoidimalleiksi tai globaaleiksi malleiksi (esimerkiksi EGM-sarjan mallit). Geoidin ja viiteellipsoidin välistä erotusta kutsutaan geoidin poikkeamaksi tai geoidin korkeudeksi.
Kuinka suuri ero geoidin ja viiteellipsoidin välillä on? Eroja esiintyy paikallisesti ja ne johtuvat Maan massajakauman epätasaisuuksista (esim. vuoristot, tiheät kivilajit). Näiden poikkeamien suuruus vaihtelee yleensä kymmenistä metreistä kymmeniin tai muutamiin satoihin metreihin eri puolilla maailmaa; useimmilla alueilla vaihtelu on kymmeniä metrejä. Täsmälliset arvot riippuvat siitä, mitä viiteellipsoidia käytetään vertailukohtana.
Mihin geoidia käytetään? Geoidi on keskeinen referenssipinta korkeuksille ja siten tärkeä:
- kartoituksessa ja paikkatietojärjestelmissä (maanpinnan korkeuksien määrittely),
- rakentamisessa ja insinöörityössä (esim. siltojen ja tunnelien suunnittelu),
- merenkulussa ja merentutkimuksessa (määritellään merenpinnan pitkäaikainen taso),
- satelliitti- ja geofysiikan sovelluksissa, joissa painovoimakentän mallit ovat tarpeen.
Yhteenveto: Geoidi on Maan painovoiman ja pyörimisliikkeen määräämä tasa-potentialipinta, joka vastaa ideaalistettua merenpinnan muotoa ilman tuuli- ja vuorovesivaikutuksia. Se on epätasainen ja heijastaa Maan massojen jakautumista, ja siksi käytännössä yhdistetään geoidimalli viiteellipsoidiin, jotta saadaan käyttökelpoisia korkeustietoja kartoissa ja GPS-sovelluksissa.
Litteä pallo (liioiteltu)
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on geoidi?
A: Geoidi on appelsiinin kaltainen kolmiulotteinen geometrinen muoto, joka on tietynlainen litteä sferoidi.
K: Miten geoidi määritellään?
V: Geoidi määritellään muodoksi, jonka valtamerten pinta saisi pelkästään Maan painovoiman ja pyörimisliikkeen vaikutuksesta ilman muita vaikutuksia, kuten tuulia ja vuorovesiä.
K: Kuka määritteli geoidin ja milloin?
V: Gauss määritteli geoidin vuonna 1828.
K: Mitä on geodesia?
V: Maan mittojen ja muotojen tutkimista kutsutaan geodesiaksi.
K: Miksi geoidin sijasta käytetään referenssiellipsoidia?
V: Moniin käytännön tarkoituksiin käytetään yksinkertaisempaa muotoa, koska se helpottaa laskelmia. Tätä muotoa kutsutaan viiteellipsoidiksi.
K: Miten maapallon muotoa kuvataan perusopetuksessa?
V: Perusopetuksessa maapallon muodon kuvataan olevan kuin appelsiini, joka on pallomainen, mutta päiväntasaajan ympärillä leveämpi.
K: Löytyykö geoidin kaltaisia muotoja muilta taivaankappaleiden pyöriviltä palloilta?
V: Kyllä, tämä muoto on olemassa kaikilla taivaallisilla pyörivillä palloilla, kuten tähdillä ja planeetoilla. Yksityiskohdat eroavat hieman toisistaan kussakin yksittäistapauksessa.
Etsiä