topografia 1 forma della terra
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FORMA DELLA TERRA
GEODESIA<br />
Scienza che studia la <strong>forma</strong> e le dimensioni <strong>della</strong> Terra, la<br />
determinazione <strong>della</strong> posizione dei punti sulla sua superficie, la l<br />
determinazione del campo <strong>della</strong> gravità e le variazioni nel tempo<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Geodesia e Cartografia<br />
di tali grandezze<br />
CARTOGRAFIA<br />
Tecnica costituita dalle operazioni necessarie all’elaborazione,<br />
all’allestimento e all’utilizzazione di carte che rappresentano<br />
in scala, porzioni più o meno estese <strong>della</strong> superficie terrestre
Lo scopo di una carta geografica è quello di rappresentare sul<br />
piano aree più o meno estese <strong>della</strong> superficie terrestre che come<br />
ben sappiamo, in realtà, non è affatto piana né regolare. La carta<br />
geografica deve comunque fornire la concezione il più realistica<br />
ed efficace possibile di ciò che si vuole raffigurare.<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Geodesia e Cartografia<br />
La superficie <strong>della</strong> Terra ha una <strong>forma</strong> irregolare, così come è<br />
irregolare la distribuzione delle masse che compongono il globo<br />
terrestre. Per poter rappresentare la superficie fisica <strong>della</strong><br />
Terra è stato necessario assumere una <strong>forma</strong> ideale di tale<br />
superficie che corrispondesse alle regole <strong>della</strong> matematica e <strong>della</strong><br />
geometria
Immaginiamo per ora che il nostro<br />
pianeta sia costituito da una massa<br />
omogenea di <strong>forma</strong> sferica in<br />
rotazione attorno ad un asse<br />
v<br />
passante per i poli. Un punto sulla<br />
N<br />
superficie è sottoposto alla forza<br />
d<br />
Fc<br />
newtoniana Fn, di intensità costante<br />
Fn<br />
e diretta verso il centro <strong>della</strong> Terra,<br />
Fg<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Geoide<br />
e alla forza centrifuga Fc, dovuta alla<br />
rotazione terrestre e di intensità<br />
O<br />
equatore<br />
E<br />
proporzionale alla distanza del punto<br />
dall’asse di rotazione. La risultante di<br />
asse di<br />
rotazione<br />
queste due forze è la forza di gravità<br />
S<br />
Fg che risulta massima ai poli e<br />
minima all’equatore. L’insieme delle<br />
forze Fg viene chiamato campo<br />
gravitazionale terrestre
Se consideriamo ora la superficie<br />
terrestre de<strong>forma</strong>bile è evidente che essa<br />
assume, sotto l’azione del campo<br />
gravitazionale, una <strong>forma</strong> non sferica ma<br />
leggermente schiacciata ai poli dove Fg<br />
assume il valore massimo. La direzione per<br />
P<br />
ogni punto <strong>della</strong> superficie terrestre <strong>della</strong><br />
g 1<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Geoide<br />
forza di gravità viene detta verticale. Se ci<br />
si sposta lungo tale verticale la forza di<br />
g 3<br />
g 2<br />
gravità si modifica in direzione e valore; ne<br />
consegue che la verticale non ha un<br />
andamento rettilineo ma leggermente<br />
curvato. Le superfici che in ogni punto <strong>della</strong><br />
superficie terrestre sono perpendicolari<br />
alla verticale in quel punto sono chiamate<br />
superfici equipotenziali o di livello
La superficie equipotenziale posta al<br />
livello medio del mare, considerata priva<br />
di perturbazioni e immaginata prolungata<br />
al di sotto dei continenti in modo da<br />
mantenersi sempre perpendicolare alle<br />
verticali, viene assunta come <strong>forma</strong> <strong>della</strong><br />
Terra e ad essa viene dato il nome di<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Geoide<br />
Geoide. Tutti i punti che si trovano su<br />
questa superficie ideale hanno stessa<br />
quota.<br />
Uno dei problemi <strong>della</strong> Geodesia è quella<br />
di determinare la <strong>forma</strong> esatta del<br />
Geoide: tale determinazione è complicata<br />
dal fatto che la sua <strong>forma</strong> non dipende<br />
solo dalla forza di gravità ma anche da<br />
altre forze
Si definisce “quota ortometrica o assoluta” la<br />
distanza Q p<br />
misurata lungo la verticale tra il<br />
punto P, posto sulla superficie fisica, ed il<br />
corrispondente punto proiezione P o sul Geiode<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Quota ortometrica<br />
v<br />
geoide<br />
P<br />
Q P<br />
P O
Effettuare misure e calcoli sul Geoide è una<br />
operazione complessa. Si è quindi deciso a<br />
N<br />
livello internazionale di adottare, ma solo<br />
per le misure di tipo planimetrico, una<br />
superficie di riferimento molto più<br />
b<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Ellissoide<br />
semplice: l’Ellissoide<br />
di rotazione terrestre.<br />
Questa superficie, generata dalla rotazione<br />
di un ellisse di semiassi a e b intorno all’asse<br />
di rotazione terrestre, approssima molto<br />
bene il Geoide con uno scostamento <strong>della</strong><br />
a<br />
quota che non supera i 50 – 100 m. Per le<br />
quote dei punti ci si riferisce comunque<br />
S<br />
sempre al Geoide
A causa delle ondulazioni del Geoide la verticale V non<br />
coincide con la normale N all’Ellissoide. Le due direzioni<br />
<strong>forma</strong>no un angolo δ detto di deviazione <strong>della</strong> verticale. È<br />
chiaro che per definire esattamente la <strong>forma</strong> dell’Ellissoide<br />
è necessario scegliere i valori del semiasse maggiore o<br />
equatoriale, di quello minore o di rotazione e lo<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Ellissoide<br />
schiacciamento ai poli
Gli Ellissoidi di riferimento sono così vicini all’essere sferici<br />
che possono anche essere chiamati sferoidi. Diversi Ellissoidi<br />
sono stati utilizzati come superfici di riferimento, a seconda<br />
<strong>della</strong> regione interessata alla rappresentazione grafica e a<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Ellissoide e sferoide<br />
causa del variare <strong>della</strong> curvatura <strong>della</strong> Terra. L’Ellissoide<br />
prescelto è posizionato in modo che nella zona centrale da<br />
cartografare, la verticale al Geoide e la normale all’Ellissoide<br />
coincidano (scostamento nullo). Questo punto centrale è<br />
denominato datum
anno<br />
semiasse a<br />
semiasse b<br />
schiacciamento α<br />
zona<br />
Everest<br />
1830<br />
6377276,345<br />
6356075,413<br />
1/300,80<br />
India<br />
Bessel<br />
1841<br />
6377397,15<br />
6356078,96<br />
1/299,15<br />
Europa, Giappone<br />
Clarke<br />
1880<br />
6378249,20<br />
6356515,00<br />
1/293,46<br />
Francia<br />
Helmert<br />
1906<br />
6378200,00<br />
6356818,17<br />
1/298,40<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Ellissoidi<br />
Hayford<br />
1909<br />
6378388,00<br />
6356912,00<br />
1/297,00<br />
Usa, Italia<br />
International<br />
1924<br />
6378388,00<br />
6356911,94<br />
1/297,00<br />
Krassowsky<br />
1942<br />
6378245,00<br />
6356863,02<br />
1/298,30<br />
Urss<br />
Fischer<br />
1980<br />
6378160,00<br />
6356774,72<br />
1/298,25<br />
Nad 83<br />
1983<br />
6378137,00<br />
6356752,30<br />
1/298,25<br />
Usa<br />
WGS 84<br />
1984<br />
6378137,00<br />
6356752,31<br />
1/298,25<br />
GPS
L’Ellissoide di rotazione è una superficie che si può considerare<br />
<strong>forma</strong>ta da due distinte famiglie di curve: i paralleli (circonferenze) e i<br />
meridiani (semi ellissi). Tali curve si intersecano tra loro ad angolo<br />
retto. La posizione di un punto sull’Ellissoide può essere determinata<br />
fornendo il valore del parallelo e del meridiano a cui appartiene. Per<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Coordinate geografiche<br />
individuare il parallelo sarà sufficiente conoscere la latitudine<br />
geografica, cioè l’angolo<br />
φ <strong>forma</strong>to dalla normale per il punto e il piano<br />
equatoriale. Tale angolo è positivo se il punto si trova tra l’equatore e il<br />
polo nord, negativo se si trova tra equatore e polo sud. Il meridiano è<br />
invece individuato dalla longitudine geografica, cioè dall’angoloangolo λ che si<br />
<strong>forma</strong> tra il piano contenente il meridiano passante per il punto e il<br />
piano per il meridiano assunto come origine, passante per Greenwich
La longitudine è positiva andando verso est<br />
e varia da 0 o a 180 o . Nella stessa maniera<br />
è possibile definire la latitudine e la<br />
longitudine astronomica, angoli che<br />
P’<br />
h<br />
P<br />
permettono di individuare la posizione dei<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Coordinate geografiche<br />
punti <strong>della</strong> superficie terrestre sul Geoide.<br />
I valori delle coordinate astronomiche<br />
λ<br />
φ<br />
variano, anche se di poco, rispetto ai valori<br />
delle coordinate geografiche perchè la<br />
normale all’Ellissoide e la verticale al<br />
Geoide non coincidono<br />
Prof. Dagore Ristorini
origine delle coordinate coincidente con il centro di massa <strong>della</strong> Terra<br />
asse Z diretto verso il Polo Nord<br />
asse delle X è l’intersezione tra il meridiano zero (quello passante per<br />
Greenwich) con il piano equatoriale<br />
l’asse delle Y completa una terna ortogonale destrorsa e giace sul piano<br />
equatoriale<br />
Z<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Coordinate geocentriche<br />
P<br />
O<br />
Z p<br />
X<br />
Y p<br />
P’<br />
Y
La verticale passante per un punto P posto sulla<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Zenit e Nadir<br />
superficie fisica presenta due direzioni: una tende<br />
verso l’esterno <strong>della</strong> Terra a un punto detto Zenit,<br />
l’altra verso l’interno verso un punto detto Nadir. Il<br />
piano tangente al geoide/ellissoide nel punto P viene<br />
definito piano orizzontale
Per la sola parte planimetrica, si è dimostrato che in una zona<br />
di circa 100 km intorno ad un punto P <strong>della</strong> superficie<br />
terrestre, si può sostituire all’ellissoide una sfera tangente in<br />
P all’ellissoide stesso. Questa superficie è chiamata “campo campo<br />
geodetico o sfera locale”. All’interno di questa superficie le<br />
figure ellissoidiche possono essere risolte utilizzando la<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Sfera locale<br />
trigonometria sferica (sostituendo il triangolo ellissoidico con<br />
un triangolo sferico).<br />
L’approssimazione che si ottiene con questa sostituzione è<br />
compatibile con la precisione degli strumenti topografici,<br />
relativamente ai soli rilievi planimetrici, mentre non lo è per la<br />
parte altimetrica per la quale gli errori sono già inaccettabili<br />
per distanze superiori ai 20 km
Se i lati del triangolo sferico sono inferiori a 200 km è possibile<br />
applicare il T. di Legendre che permette una semplificazione dei<br />
calcoli:<br />
“I triangoli sferici, con lati inferiori ai 200 km, sono risolvibili<br />
assimilandoli a triangoli piani equivalenti aventi per lati gli stessi<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Sfera locale<br />
Teorema di Legendre<br />
lati del triangolo sferico e per angoli quelli del triangolo sferico,<br />
ridotti ciascuno do 1/3 dell’eccesso sferico (nei triangoli sferici la<br />
somma degli angoli interni è sempre maggiore dell’angolo piatto e<br />
la differenza è definita eccesso sferico)”<br />
Questo teorema permette, di risolvere un triangolo sferico come<br />
se fosse piano applicando quindi le formule risolutive <strong>della</strong><br />
trigonometria piana
Se si restringe il campo operativo in modo che le distanze misurate rispetto<br />
al piano tangente in P alla sfera locale possano ritenersi coincidenti con<br />
quelle misurate sulla sfera locale ed in modo che la somma degli angoli<br />
interni risulti uguale a 180° (eccesso sferico nullo), si potrà operare, per la<br />
sola planimetria, come se la Terra fosse piana.<br />
Il campo operativo entro il quale ciò è possibile viene chiamato “campo<br />
topografico” e “distanza topografica” è quella che si ottiene tra le due<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Campo topografico<br />
proiezioni dei punti sul piano. Il campo topografico può essere esteso, senza<br />
commettere errori sensibili, sino a 20 – 25 km di raggio intorno al punto P di<br />
tangenza.<br />
In altimetria la coincidenza tra sfera locale e campo topografico è molto più<br />
ristretta. Per distanze superiori ai 200 m di raggio intorno a P gli errori<br />
cominciano ad essere non trascurabili. L’errore che si commette nella<br />
determinazione <strong>della</strong> quota dei punti è chiamato errore di sfericità “e”. Il<br />
suo valore può ottenersi dalla formula e = d 2 /2R, in cui d è la distanza<br />
misurata sul campo topografico e R il raggio <strong>della</strong> sfera locale
FORMA DELLA TERRA<br />
Superfici a confronto
Si è visto che in Topografia non interessa la distanza reale tra due punti,<br />
bensì quella proiettata sulle superfici di riferimento. Con gli strumenti a<br />
disposizione il tecnico è però in grado di determinare la distanza reale d r e<br />
quella orizzontale d o . Si devono quindi determinare le relazioni che<br />
intercorrono tra distanza reale (o inclinata), distanza orizzontale e distanza<br />
topografica. Se consideriamo due punti A e B, all’interno del campo<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Riduzione delle distanze<br />
topografico, nota la distanza d r , la distanza orizzontale rispetto ad un piano<br />
passante per A, si ottiene dalla relazione: d o = d r<br />
x cos α (si considera<br />
l’angolo in B o come retto). Per ottenere la distanza topografica d T , si riduce<br />
la distanza orizzontale d o sul campo topografico tangente alla sfera locale e<br />
la distanza si ottiene dalla formula d T = d o x R/(R + Q). La correzione è<br />
tanto più grande quanto maggiore è la quota dei punti considerati.<br />
Ovviamente per Qa = 0 m distanza orizzontale e topografica coincidono
B<br />
A<br />
α<br />
d r<br />
d o = d r x cos α B 0<br />
Q a<br />
FORMA DELLA TERRA<br />
Riduzione delle distanze<br />
A’<br />
d t<br />
B 1<br />
campo topografico<br />
R<br />
0