地球的大地水准面或图形是我们星球的理论表面，由海洋的平均水平决定，形状相当不规则。在数学上，它被定义为地球在海平面上的有效重力势的等势面。
由于它是虚构的（非物质）表面，因此它穿越了大陆和山脉，好像所有海洋都是通过穿过陆地的水道相连。
图1.大地水准面。资料来源：欧空局。
地球不是一个完美的球体，因为绕其轴的旋转将其变成球状，被两极夷为平地的山谷和山脉。这就是为什么球体形状仍然不正确的原因。
这种相同的旋转会向地球的重力增加离心力，其合力或有效力并不指向地球的中心，而是具有一定的重力势能。
除此之外，地理事故在密度上造成了不规则性，因此在某些地区，吸引力的引力肯定不再是中心。
因此，科学家们从1828年设计原始大地水准面的CF高斯开始，创建了一个几何和数学模型来更精确地表示地球表面。
为此，假设海洋处于静止状态，没有潮汐或洋流，且密度恒定，其高度作为参考。然后，地球表面被认为是缓慢波动的，在局部重力最大的地方上升，而在其下降时下沉。
在这些条件下，让有效重力加速度始终垂直于点处于相同电势的表面，结果是大地水准面，由于等电势不对称，水准面是不规则的。
大地水准面的物理基础
为了确定随时间推移而不断完善的大地水准面的形状，科学家们考虑到两个因素进行了许多测量：
-首先是g的值，即相当于重力加速度的地球引力场，取决于纬度：在极点处最大，在赤道处最小。
-第二，正如我们之前所说，地球的密度不是均匀的。在某些地方它会增加，因为岩石更致密，岩浆堆积或表面上有很多地面，例如山。
密度较高的地方，g也是。注意g是一个向量，这就是为什么用粗体表示的原因。
地球的引力潜力
为了定义大地水准面，需要重力引起的电势，为此必须将重力场定义为每单位质量的重力。
如果将一个测试质量m放置在所述场中，则地球在其上施加的力为其重量P = mg，因此，场的大小为：
力/质量= P / m = g
我们已经知道它的平均值：9.8 m / s 2，如果地球是球形的，它将指向其中心。同样，根据牛顿万有引力定律：
P = Gm M / r 2
其中M是地球质量，G是万有引力常数。则重力场g的大小为：
g = GM / r 2
它看起来很像静电场，因此可以定义与静电类似的重力势：
V = -GM / r
常数G是万有引力的常数。好吧，如前所述，在其上重力势始终具有相同值的表面称为等势面，并且g始终与它们垂直。
对于这种特定类型的势，等势面是同心球。在其上移动质量所需的功为零，因为力始终垂直于等势线上的任何路径。
重力加速度的横向分量
由于地球不是球形，因此重力加速度必须具有横向分量g l，这是由于离心力引起的，而离心加速度是行星围绕其轴的旋转运动引起的。
下图以绿色显示此组件，其大小为：
克升 =ω 2一
图2.有效重力加速度。资料来源：维基共享资源。HighTemplar /公共领域。
在这个方程中，ω是地球自转的角速度，并且是地球上某一纬度上的点与轴之间的距离。
红色是由于行星引力引起的：
g o = GM / r 2
结果，通过向量加g o + g l产生了最终的加速度g（蓝色），它是地球重力的真实加速度（或有效加速度），而且正如我们所看到的那样，并不完全指向中心。
此外，横向分量取决于纬度：在极点处为零，因此重力场在那里最大。在赤道处，它与重力引力相反，从而减小了有效重力，其有效强度保持不变：
G = GM / R 2 - ω 2 - [R
R =地球的赤道半径。
现在可以理解，地球的等势面不是球形，而是采用某种形状，使得g在所有点上始终垂直于它们。
大地水准面和椭球面的区别
这是影响地球引力场变化的第二个因素：引力的局部变化。在某些地方，由于有更多的质量，重力会增加，例如在图a）的山上。
图3.大地水准面和椭球之间的比较。资料来源：W. Lowrie
或如b）所示，在表面之下有质量的累积或过量。在这两种情况下，大地水准面都会升高，因为质量越大，引力场的强度就越大。
另一方面，在海洋上空，密度较低，因此，大地水准面沉入海洋上方，如图a）左侧所示。
从图b）中还可以注意到，如我们所说，用箭头表示的局部重力始终垂直于大地水准面。参考椭球并不总是这样。
大地水准面的起伏
该图还用双向箭头指示了大地水准面和椭球之间的高度差，称为波状起伏，记为N。正起伏与质量过大有关，负起伏与缺陷有关。
波动几乎不会超过200 m。实际上，这些值取决于如何选择作为参考的海平面，因为一些国家根据其区域特征选择不同的方式。
将地球表示为大地水准面的优点
-在大地水准面上，有效电位（由于重力和离心电位而产生的电位）是恒定的。
-重力始终垂直于大地水准面，而地平线始终与其相切。
-大地水准仪可为高精度制图应用提供参考。
-通过大地水准面，地震学家可以检测地震发生的深度。
-GPS的位置取决于用作参考的大地水准面。
-海洋表面也与大地水准面平行。
-大地水准面的高度和下降指示质量的过量或不足，这是重量异常。当检测到异常并根据其值时，可以推断地下土壤的地质结构至少到一定深度。
这是地球物理学中重力法的基础。重量异常可以指示某些矿物的堆积，埋在地下的结构，甚至是空的空间。在某些情况下，可以通过重量分析法检测到地下土壤中的盐穹顶。
参考文献
- 那。欧洲新闻。地心引力。从youtube.com中恢复。
- 喜悦。大地水准面。从youtube.com中恢复。
- Griem-Klee，S.采矿探索：重量分析法。从以下地址恢复：geovirtual2.cl。
- Lowrie，W.，2007年。《地球物理学基础》。2号 版。剑桥大学出版社。
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- Sheriff，R。1990。《应用地球物理学》。2号 版。剑桥大学出版社。