Fysikaalinen geodesia
Fysikaalinen geodesia on geodesian tieteenala, joka tutkii Maan painovoimakentän, eli geopotentiaalin, rakennetta. Tutkittavat ilmiöt ovat:Fysikaalisessa geodesiassa painovoima () on yhteisvaikutus Maan painovoimakenttään vaikuttavista kahdesta komponentista: Maan massojen aiheuttamasta gravitaatiokentästä ja Maan rotaatioliikkeen aiheuttamasta keskipakoisvoimasta (), joka on on näennäisvoima. Painovoiman symboli on formula_1. Vapaan pudotuksen kiihtyvyys on keskipakoisvoiman takia pienempi kuin Maan massan aiheuttamaa kiihtyvyys.
Tämän suhteen on huomioitava, että fysikaalisessa geodesiassa käytetään suomen kielessä käsitettä "vetovoima" viitatessa yhteen fysiikan neljästä perusvuorovaikutuksesta, jota kuitenkin usein muissa tieteenhaaroissa kutsutaan painovoimaksi ()!
Painovoiman formula_2 yksikkö on formula_3. Maapallolla tämän arvo vaihtelee välillä 9,78–9,83 formula_3, Suomen alueella 9,818–9,826 formula_3. Usein käytetään arvoa formula_6, joka karkeasti vastaa painovoimaa 45 leveysasteella ja jonka likiarvo 9,81 formula_7 on useimmille tuttu. Tästä käytetään usein termiä "normaaliputoamiskiihtyvyys" (). Siitä sovittiin 1901 (arvona 980.665 formula_8). Muita olennaisia yksiköitä ovat formula_9 ja siitä johdettu formula_10:
Painovoiman potentiaalia "geopotentiaaliksi", symboli formula_13. Painovoimavektori on geopotentiaalin gradientti:
Painovoimavektori formula_1 on kaikkialla kohtisuorassa geopotentiaalikentän tasa-arvopintoja vastaan. Geopotentiaalin tasa-arvopinnalla tarkoitetaan sellaista pintaa, jolla potentiaali saa vakioarvon:
jossa formula_17 ovat pisteen koordinaatit avaruudessa.
"Geoidiksi" kutsutaan sellaista geopotentiaalin tasa-arvopintaa, joka on samalla tasolla kuin "keskimerenpinta". Korkeudet keskimerenpinnalta ovatkin itse asiassa korkeuksia tämän geoidipinnan yläpuolella. Geoidipintaa voidaan ajatella keskimerenpinnan matemaattisena jatkona mantereiden alitse.
Normaalipainovoimakenttä () on matemaattinen malli Maan painovoimakentälle, joka on painovoiman suuruus ja suunta paikan funktiona. Yleensä normaalipainovoimakenttä pohjautuu geodeettiseen vertausjärjestelmään. Normaalipainovoima () on matemaattinen malli painovoiman suuruudelle. Normaalipainovoima määritellään yleensä osana normaalipainovoimakenttää.
Painovoimaa voidaan mitata "gravimetrin" avulla. Tulos olkoon painovoiman kiihtyvyys formula_18. Jos samalla määritetään mittauspisteen korkeus merenpinnalta (sekä sen likimääräinen vaakasijainti), voidaan myös "laskea" sen normaali- eli vertauspainovoima formula_19 Maan vertausellipsoidin painovoimamallin avulla. Tulos on "painovoima-anomalia":
jossa formula_21 on painovoima-anomalia, formula_2 mitattu painovoima geoidille redusoituna ja formula_19 normaalipainovoima vertausellipsoidilla.
Painovoima-anomaliat ovat geofysikaalisesti merkittäviä. Ne kuvaavat sitä, miten Maan painovoimakenttä poikkeaa alueellisesti ja paikallisesti säännöllisen pyörähdysellipsoidin muodosta (mitatun painovoiman ja normaalipainovoiman erotus). Nämä poikkeamat ovat Maan sisäisen massajakauman epäsäännöllisyyksien seurausta, ja painovoimamittaus on yksi keino niiden tutkimiseksi. Tästä syystä painovoimamittausta eli gravimetriaa käytetään myös malminetsinnän apuvälineenä.
Painovoima-anomalioita voidaan käyttää myös geoidin korkeuksien määrittämiseen. Tällöin on tiedettävä painovoima kaikkialla Maan pinnalla. Tätä kutsutaan gravimetriseksi keinoksi. Menetelmän keksi ensimmäisenä irlantilainen matemaatikko G. G. Stokes, joka johti Stokesin funktion 1849. Nykyisin vaatimus painovoima-arvojen globaalisesta saatavuudesta ei ole enää niin suuri ongelma, koska Maan painovoimakenttä on kartoitettu kattavasti satelliittien avulla.
Kun geoidin muoto määritetään gravimetrisista mittauksista, ei tarvita kolmiomittauksia eikä astronomisia paikan- ja suunnan määrityksiä. Matemaattisena perustana on Stokesin funktio ja sen derivaatat, jotka F. A. Vening Meinesz johti 1928. Stokesin funktio ja siihen nojautuva Stokesin kaava antavat geoidin korkeudet vertauspinnaksi valittuun pyörähdysellipsoidiin nähden, ja Vening Meineszin kaava antaa luotiviivan poikkeaman komponentit. Edellytyksenä on, että painovoima-anomaliat tunnetaan globaalisti. Laskentapisteestä kaukana olevien painovoimapoikkeamien vaikutus on kuitenkin vähäinen, joten ne voidaan jättää ottamatta huomioon.
Reino Hirvonen, joka julkaisi tutkimuksensa tulokset 1934 väitöskirjassaan "The Continental Undulations of the Geoid", sovelsi ensimmäisenä maailmassa Stokesin kaavaa gravimetriseen geoidilaskuun. Niukasta, vain noin 4 500 pisteen globaalista painovoima-aineistosta huolimatta hän kykeni osoittamaan, että geoidi voi poiketa vertausellipsoidista vain vähän, keskimäärin 50 metriä. Hirvonen osoitti myös, että päiväntasaaja oli ennemmin ellipsin kuin ympyrän muotoinen.
Lauri Tannin tutkimus "On the Continental Undulations of the geoid as determined from the present gravity material" vuodelta 1948 perustui 13 000 heiluripisteeseen ja muutamaan tuhanteen gravimetrihavaintoon. Gravimetrihavainnot olivat selvästi tarkempia kuin edelliset, mutta tekniikka oli tuolloin kallista, harvinaista ja kooltaan suurta, mikä selittää havaintojen vähäisyyden. Vaikka aineiston globaalijakautuma oli puutteellinen, Tannin geoidissa Maan muodon pääpiirteet olivat jo selvästi näkyvissä ja oikeilla paikoillaan. Tannin geoidijulkaisu saavutti nopeasti lähdeteoksen aseman ja oli ainakin 10 vuoden ajan useimmin siteerattuja geodeettisia julkaisuja.