Bezpośrednim i niezaprzeczalnym dowodem kulistego kształtu Ziemi okazały się współczesne obserwacje naszej planety z przestrzeni kosmicznej (w 1957 roku wystrzelono pierwszego sztucznego satelitę); poniżej fotografia Ziemi wykonana z kosmosu.
Wyobrażenia o kształcie Ziemi zmieniały się wraz z rozwojem nauki i cywilizacji. Początkowo były one zupełnie fantastyczne. W świecie starożytnym długo utrzymywało się przekonanie, że Ziemia jest wyspą w kształcie dysku, pływającą po bezkresnym oceanie. Byli jednak i tacy (Pitagoras z Samos – VI w. p.n.e.), którzy twierdzili, że planeta na której żyjemy jest kulą – sądzili, że bogowie musieli jej nadać najdoskonalszy kształt.
Pierwsze dowody na kulistość Ziemi dostarczył (obserwując m.in. zaćmienia Księżyca i widnokrąg) w IV w p.n.e. grecki filozof Arystoteles. W średniowieczu zdobycze nauki greckiej poszły w zapomnienie, a ludzkość cofnęła się znowu do pierwotnych pojęć o kształcie Ziemi. Jednak począwszy od II połowy XV wieku coraz śmielej zaczęto ponownie mówić o kulistości Ziemi.
Do czasów Średniowiecza ludzie byli przekonani o tym, że Ziemia jest płaska, ma kształt dysku – niesiona jest przez żółwie lub słonie.
Jako pierwszy pogląd o kulistości Ziemi przedstawił Pitagoras matematyk i filozof (VI wiek p.n.e.). Twierdził, że Ziemia jest kulą, gdyż została stworzona przez bogów, więc musi mieć idealny kształt, a taki właśnie posiada kula. Pierwsze dowody na kulistość Ziemi zebrał w IV w. p.n.e. (384 p.n.e. – 322 p.n.e.) grecki filozof Arystoteles. Jednym z obiektów jego zainteresowania była filozofia przyrody, w tym badania Wszechświata i Ziemi. Swoje poglądy opierał nie jak wcześniej Pitagoras na dogmacie religijnym, ale na własnych obserwacjach.
Arystoteles przedstawił dowody na kulistość Ziemi na podstawie obserwacji m.in. statków płynących w stronę portu i zauważył, że wyłaniały się powoli zza horyzontu – a więc musiały płynąć po łuku.
Arystoteles już wiedział, że zaćmienia Księżyca są spowodowane jego wejściem w obszar cienia Ziemi. Z okrągłego kształtu cienia Ziemi na Księżycu wnioskował, że Ziemia musi być kształtu kuli.
Widnokrąg ma zawsze kształt okręgu.
Wielki żeglarz Ferdynand Magellan zorganizował wyprawę, która pod jego dowództwem, w latach 1519-1522, opłynęła Ziemię. Płynąc stale w kierunku zachodnim, śmiałkowie dotarli od wschodniej strony do miejsca, skąd wypłynęli (ujście rzeki Gwadalkiwir w Hiszpanii). Podróż ta jednoznacznie udowodniła, że Ziemia nie jest płaska, ale jest zamkniętą, sferyczną bryłą. Niestety podczas tej historycznej wyprawy zginął Ferdynand Magellan. Został zabity w 1521 roku przez mieszkańców wyspy Mactan wchodzącej w skład Filipin – archipelagu na Oceanie Spokojnym.
Na przełomie XVII i XVIII w. angielski uczony Isaac Newton doszedł do przekonania, że Ziemia nie może być idealną kulą. Wziął pod uwagę masę Ziemi i wywnioskował, że ruch obrotowy musi powodować odkształcenia. Późniejsze pomiary potwierdziły jego tezę, Ziemia jest rzeczywiście spłaszczona w okolicach biegunów.
Rozwój geodezji satelitarnej i nowoczesne techniki pomiarowe (astronomiczne, topograficzne, grawimetryczne) wykazały, że Ziemia nie jest idealną kulą. Na skutek ruchu wirowego – dookoła własnej osi – nastąpiło spłaszczenie planety przy biegunach. W wyniku tego spłaszczenia powstała bryła, która nie ma swojego odpowiednika w geometrii, więc nazwano ją geoidą (z greckiego: gea – Ziemia, eidos – wygląd, kształt).
Według definicji geoida to bryła, której powierzchnia w każdym miejscu jest pozioma, a więc prostopadła do kierunku działania siły ciężkości. Ujmując rzecz prościej geoida powstaje przez przedłużenie w wyobraźni powierzchni mórz i oceanów (0 m n.p.m.) pod lądami.
Figurą geometryczną najbardziej zbliżoną kształtem do Ziemi jest elipsoida obrotowa (lekko spłaszczona kula) o promieniu biegunowym krótszym o 21 km od promienia równikowego.
Dokładne pomiary Ziemi wykazały, że nasza planeta nie jest idealną kulą – jest spłaszczona przy biegunach.
- promień równikowy Ziemi 6 378 km
- promień biegunowy Ziemi -6 357 km
- spłaszczenie Ziemi przy biegunie wynosi 21 km
Spłaszczenie przy biegunach jest związane z działaniem siły odśrodkowej powstającej przy obrocie Ziemi wokół własnej osi (Ziemia „poszerza się” w okolicach równika).
Kształtem Ziemia przypomina elipsoidę obrotową (figurę powstałą przez obrót elipsy wzdłuż krótszej osi). Natomiast teoretyczną powierzchnią najpełniej oddającą kształt Ziemi nazwano geoidą. Geoida wyznaczona jest przez średni poziom wód oceanicznych przedłużony pod lądami. Geoida jest w każdym miejscu prostopadła do pionu (czyli do kierunku działania siły ciężkości).
W rzeczywistości Ziemia ma kształt najbardziej zbliżony do geoidy (uwzględnia zróżnicowane ukształtowanie powierzchni Ziemi, czego nie uwzględnia elipsoida obrotowa).
Siatka geograficzna
Najpowszechniej stosowanym modelem Ziemi jest globus (w kształcie kuli). Orientację na nim ułatwiają umowne linie, dzięki którym można dokładnie zlokalizować każdy punkt na kuli ziemskiej. Linie te, po narysowaniu, przecinają się zawsze pod kątem prostym i tworzą tzw. siatkę geograficzną.
Siatka kartograficzna
Podczas sporządzania map topograficznych w bardzo dużych skalach (np. 1 : 10 000) za podstawę do obliczeń przyjmuje się elipsoidę obrotową. Natomiast opracowując mapy w małych skalach (np. 1:80 000 000, 1:3 000 000), kartografowie przyjmują założenie, że Ziemia jest kulą.
Skala mapy jest tym większa im mniejszy mianownik skali i na odwrót: skala mapy mniejsza – mianownik większy.
- Określenie „duża” lub „mała” skala związane jest też z rozmiarami obiektów na mapie. Jeżeli np. duże miasto oznaczone jest na mapie kropką, to ta mapa ma mniejszą skalę. Jeśli zaś to samo miasto na innej mapie zajmuje pewną powierzchnię, to wówczas mamy do czynienia z mapą w większej skali. Mapy wielkoskalowe wykonane w skalach większych niż 1:200 000;
- Skala 1:1 000 jest większa od skali 1:1 000 000. Oznacza to, że mapy w małej skali mają mało elementów np. mapa świata na kartce A4. W dużej skali są tworzone np. mapy topograficzne. Dużo szczegółów, a przedstawiony teren jest niewielki.
- Przykład mapa turystyczna jest w skali 1: 75 000 – (duża skala) a mapa całej Polski 1: 1 000 000 – (mała skala) Bardziej szczegółowa jest turystyczna.
Odwzorowaniem kartograficznym nazywamy sposób przeniesienia siatki geograficznej z powierzchni odniesienia (elipsoidy obrotowej) na płaszczyznę mapy. Siatka kartograficzna jest tym samym układem południków i równoleżników na płaszczyźnie.
Podczas tworzenia map kartografowie korzystają z tzw. odwzorowań kartograficznych, czyli różnych sposobów (metod) przenoszenia informacji z bryły na płaszczyznę. Układ południków i równoleżników na płaszczyźnie mapy nazywamy siatką kartograficzną. Nie istnieje idealna siatka kartograficzna, każda ma jakiegoś rodzaju zniekształcenia. Im większy obszar przedstawia mapa, tym większe są zniekształcenia – największe znajdziemy na mapach obejmujących całą Ziemię. Wygląd siatki kartograficznej zależy od wykorzystanego odwzorowania kartograficznego – południki i równoleżniki przybierają różne kształty i nie zawsze przecinają się pod kątem prostym.
Nie można przenieść obrazu z kuli na płaszczyznę bez zniekształceń. Na obrazie „zdjętym” z modelu Ziemi widać po kilkanaście biegunów północnych i południowych, a Eurazja została podzielona na kilka części. Korzystanie z takiej mapy nie byłoby wygodne.
Mapę można zdefiniować jako określony matematycznie, pomniejszony obraz powierzchni Ziemi na płaszczyźnie, pokazujący rozmieszczenie oraz powiązania różnorodnych obiektów i zjawisk (przyrodniczych, ekonomicznych i in.) w sposób zgeneralizowany, za pomocą znaków umownych.
Z powyższej definicji wynika, że głównymi cechami mapy są:
- matematyczna podstawa konstrukcji– odwzorowanie kartograficzne,
- pomniejszenie– skala mapy,
- uogólnienie treści– generalizacja kartograficzna,
- zastosowanie znaków umownych.
Mapy w różnym odwzorowaniu;
- odwzorowanie wiernopowierzchniowe Mollweidego – równoleżniki są liniami prostymi, bieguny – punktami, a południki krzywymi o różnej długości. Równoleżniki i południki nie przecinają się pod kątem prostym. W tym odwzorowaniu Grenlandia jest znacznie mniejsza niż w odwzorowaniu Merkatora.
- odwzorowanie wiernokątne Merkatora – południki i równoleżniki (wszystkie takiej samej długości) są liniami prostymi i przecinają się pod kątem Bieguny na globusie są punktami, w tej siatce stanowią linie długości równika. Powierzchnia lądów na obszarze okołobiegunowym, np. Grenlandii, jest nienaturalnie powiększona.
