Дослідження Антарктиди
Антарктида — найхолодніший континент, через що її називають «королевою холоду», «безлюдним континентом», «краєм Землі». Це єдиний материк на планеті, весь процес відкриття якого докладно задокументовано — від плавань Джеймса Кука до аерокосмічних зйомок.
В Антарктиді активно здійснюються міжнародні дослідження. Наразі працює майже 40 дослідних станцій із середньою загальною чисельністю персоналу близько 3 тис. осіб. Тут зареєстровані найнижчі температури повітря на Землі, хоча сонячної радіації в полярний день надходить більше, ніж Африка одержує впродовж року.
Поверхня Антарктиди вкрита потужним шаром льоду, через що вона є найвищим материком Землі. Кліматичні умови Антарктиди є найсуворішими на всій планеті. 21 липня 1983 року на радянській (нині російській) станції «Восток» було зафіксовано найнижчу температуру на Землім –89,2 °С. Через винятково низькі температури тут випадає дуже мало опадів і дмуть сильні вітри зі швидкістю до 90 м/с.
Після здобуття Україною незалежності вітчизняні науковці за підтримки президента НАН України академіка Б. Є. Патона створили Центр антарктичних досліджень (нині Національний антарктичний науковий центр), аби мати підґрунтя та можливість на рівних з іншими країнами брати участь у дослідженні шостого континенту. Цей материк є важливим передусім із точки зору вивчення клімату та розвідки корисних копалин і запасів питної води.
Академік П. Ф. Гожик вважає Антарктиду ключем до прогнозування подальшого розвитку Землі — на коротко- й довгострокову перспективу. Саме потреба відслідковування процесів, що відбуваються на цьому континенті, й спонукала багато країн світу заснувати там свої станції. Антарктида відіграє важливу роль у формуванні обличчя нашої планети, впливає на всі елементи в системі суходіл — океан — атмосфера — зледеніння.
Нині в Антарктиді дослідження ведуться не тільки за національними, а й за міжнародними програмами. Згідно з урядовими угодами, на континенті заборонена будь-яка господарська та військова діяльність, а узгоджує роботу вчених міжнародна Наукова рада з дослідження Антарктиди. Виняток із цього правила був зроблений лише одного разу заради відомого полярного дослідника Роберта Скотта, для постаменту пам'ятника якого була видобута в Антарктиді брила білого мармуру.
Сучасні дослідження антарктичного континенту
Основні напрямки геодинамічних досліджень на території Антарктиди Утворення Антарктичного континенту розпочалося одночасно із розпадом суперконтиненту Гондвани, частиною якого вона була. Відокремлення та рух Антарктичної плити до Південного полюса спричинили її ізоляцію. Розпад Гондвани та утворення окремих континентів викликало виникнення кругової антарктичної течії, що у сукупності з розташуванням Антарктиди на Південному полюсі призвело до її зледеніння приблизно 35 млн років тому. Антарктичний континент складається із двох частин: Східної та Західної. Східна Антарктида у тектонічному сенсі є стабільним регіоном — це давня докембрійська континентальна платформа, яка ідентична з платформами Індії, Бразилії, Африки, Австралії. Результати комплексних геолого-геофізичних досліджень свідчать про те, що Східна Антарктида виникла у результаті розпаду Гондвани, а вік її фундаменту становить близько 2,5—3,0 млрд років, вона майже повністю покрита льодом (товщина покриву — 1—2 км). Західна Антарктида є молодою платформою, яка виникла близько 500 млн років тому у результаті приєднання дрібних мікроплит. На відмінності глибинної будови Західної та Східної частин Антарктиди вказують дані сейсмічної томографії. Сьогодні Антарктична плита активно піддається геодинамічним дослідженням різноманітними методами. Зокрема на території Антарктиди діє більше ніж 10 перманентних GNSS-станцій, 4 станції VLBI, 4 станції DORIS, одним з основних завдань яких є моніторинг кінематики Антарктичної плити. Також проводяться щорічні регіональні та локальні GNSS-спостереження та геолого-геофізичні дослідження.
Уперше в 1988 р. австралійські вчені запропонували використати метод GPS для моніторингу рухів земної поверхні на території Антарктиди. Пілотний проєкт складався з двох частин: планування спостережень — січень 1990 р. і тестові спостереження — січень 1991 р. З успіхом перших спостережень WG-GGI (Working Group on Geodesy and Geographic Information) розпочали серію GPS-кампаній під керівництвом Р. Дітріха. Основною метою цих кампаній було створення високоточної геодезичної мережі в Антарктиці; визначення відносних швидкостей і напрямків руху Антарктичної плити в системі координат ITRF; визначення зв'язку між вертикальними рухами та таненням льодового покриву; прив'язка Антарктиди до системи координат ITRF. Протягом 1999—2003 рр. в районі Землі Вікторія були проведені GPS спостереження в межах проєкту VLNDEF (Victoria Land Network for Deformation) італійських вчених. Мережа складалася з 27 пунктів та охоплювала території 800 км на північ і 300 км на захід від Берега Нової Землі до Тихоокеанського узбережжя. Ця мережа була прив'язана до мережі TAMDEF (Transantarctic Mountains Deformation). Після встановлення нових пунктів в 2003 р. мережа простягається на 670 км з півночі на південь і 400 км з заходу на схід. Основне завдання досліджень полягає у вивченні взаємозв’язку між вертикальними рухами земної поверхні та льодовиково-ізостатичною компенсацією в цьому регіоні; дослідження сучасної тектонічної активності розлому Террор. Мережа має 6 базових станцій, що обслуговують 26 пунктів, на яких виконуються повторні GPS-кампанії з 1996 р. В результаті оброблення повторних GPS-спостережень в районі Землі Вікторії виявлено підіймання скельних порід із середньою швидкістю 4 мм/рік. Автори вважають, що причинами підіймання скельних порід Трансантарктичних гір є зміна товщини льодового покриву Східної Антарктики під впливом льодово-ізостатичної компенсації. Дослідження геофізиків, перш за все сейсмічні і гравіметричні спостереження, дозволили отримати уявлення і про потужності земної кори під льодовиковим покривом Антарктиди. Якби лід Антарктиди розкласти рівним шаром на поверхні земної кулі, то наша планета вкрилася б шаром льоду товщиною 40 м, а якби цей лід розтопити, то рівень Світового океану, піднявся б на 60 м. У льодовиковому покриві Антарктиди 90% об'єму всіх прісних поверхневих вод. Протягом 2001—2006 рр. на території Західної Антарктики була створена Західно-Антарктична GPS-мережа WAGN, яка охоплює територію вздовж Західноантарктичного льодового купола від Моря Росса до Моря Ведела і від Тихоокеанського узбережжя до Трансантарктичних гір. Призначення полягає у дослідженні кінематики мікроплит, вивченні динаміки Західноантарктичного льодового купола. Отже, на основі комплексних геодезичних та геолого-геофізичних досліджень створюється геодинамічна модель Антарктики, яка постійно уточнюється у разі появи нових результатів. Останніми роками ц модель доповнюється результатами прецизійних геодезичних вимірювань. Основним методом цих вимірювань є мережа перманентних GNSS-станцій, яка дає змогу практично в реальному часі відслідковувати сучасні рухи континенту та танення льодовикового купола Антарктики.
Альтиметричні місії та їхнє застосування для вивчення топографії океану в регіоні Антарктики Метод супутникової альтиметрії як порівняно новий підхід високоточного супутникового знімання забезпечує різні галузі наук про Землю інформацією про стан океану та його зміни. З геодезичної точки зору особливого значення набувають такі супутникові технології, як альтиметрія і GNSS, оскільки з їх допомогою стало можливим безпосередньо вимірювати геометрично висоти поверхні квазігеоїда: в регіонах океану методом альтиметрії, за умови використання моделі океану, а на континентах — шляхом визначення геодезичних координат методом GNSS в точках з відомими висотами, пов’язаними з рівнем моря. В Антарктиці останніми десятиліттями створено мережу перманентних GNSS-станцій, а також GNSS-мережі згущення для локальних ділянок материка. Використання цих двох технологій має в регіоні Антарктики, мабуть, найбільш важливе практичне значення, оскільки призводить до значно швидшого та дешевшого шляху визначення нормальних висот, ніж використання традиційних нівелірних робіт на площі, яка є майже в два рази більшою за площу Європи.
Таким чином, якщо йдеться про геодезичне вивчення Антарктичного материка, то виникає необхідність врахування недостатньої геодезичної вивченості континенту як в плановому, так і у висотному відношеннях. Висотна складова відома лише в окремих локальних ділянках у вигляді достатньо рідких нівелірних мереж, через що основними даними про топографію на континенті стає інформація у вигляді цифрових моделей топографії DTM. Проблема побудови DTM на континенті з більшою роздільною здатністю і точністю, ніж широко відомі глобальні моделі топографії відповідає, мабуть, одній з найбільш актуальних тут геодезичних задач. Крім того, використання високоточних даних супутникової альтиметрії дозволяє поставити і другу актуальну задачу побудови високоточної моделі стаціонарної частини топографічної поверхні океану SST (Sea Surface Topography), враховуючи наявність Південно-Антарктичної течії з висотами, які сягають величин більше ніж 10 м. Використання даних про GNSS-визначені геодезичні координати та середні висоти рівня моря в окремих футштоках дозволяють зробити вибір регіональної вертикальної системи висот для Антарктичного континенту, яка була б пов'язана як з відомими припливними станціями, так і гравітаційним полем області, що вивчається після розв'язування додаткової задачі з узгодження та фіксації регіонального параметра W0. Таким чином, напрям досліджень обумовлений рядом рекомендацій Наукового комітету антарктичних досліджень (SCAR), поданих у програмі «Міжнародного полярного року 2007—2008», Міжнародної асоціації геодезії (IAG) в межах Комісії 2 «Гравітаційне поле» та програмою Українських антарктичних експедицій в районі антарктичної станції «Академік Вернадський» і пов'язаний з актуальною необхідністю моделювання висот поверхні квазігеоїда, топографії океану SST навколо Антарктики і топографічних висот на континенті, які були б узгоджені з сучасними різноманітними даними супутникових і наземних вимірів таких наук про Землю, як геодезія, океанографія, геофізика та ін. Основною метою дисертаційної роботи є розробка методики моделювання різних за своєю природою полів на основі теоретично обґрунтованої з точки зору сучасної геодезії теорії опрацювання та узгодження різнорідних за своєю природою даних: 1) регіонального гравітаційного поля; 2) топографії океану в околі Антарктики. Для досягнення цієї мети поставлено і розв'язано такі задачі: • проведення аналізу сучасного стану геодезичної вивченості Антарктики; • аналіз методів фізичної геодезії для вибору ефективного алгоритму аналітичного моделювання регіонального гравітаційного поля на основі різнорідних за точністю даних; • створення цифрової регіональної моделі стаціонарної частини топографії океану в околі Антарктики на основі 110 000 000 даних альтиметрії з шести супутникових місій за період з 1992 по 2007 рр.; • виконання незалежної перевірки шляхом сумісного використання моделей поверхні квазігеоїда і стаціонарної частини топографії океану SSTA на відомих антарктичних футштоках; • визначення нормальних висот для пунктів GNSS-знімання і приведення глобальної моделі висот GEBCO в систему висот, пов'язану з регіональним гравітаційним полем і одержаним параметром W0. На основі аналізу різних наборів гравіметричних даних, враховуючи базу даних ADGRAV (SCAR), було виключено дані аерогравіметричного знімання у зв'язку з відсутністю інформації про висоти зальотів. Основними даними для побудови моделі гравітаційного поля стали поверхневі гравіметричні виміри ADGRAV і BGI як на континенті, так і на океані. Для покриття „білих плям“ було використано два розв'язки KMS (Данський геодезичний інститут) для аномалій сили ваги, які були отримані у 1999 і 2001 рр. на сітці за даними геодезичних місій TOPEX/POSEIDON і ERS-1.