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山峰高度怎麼測量?

2015年秋天,英國對境內第一高峰本尼維斯山重測峰高,測得實際高度為海拔1344.527米,比現在地圖上普遍使用的1344米,升高了0.527米。能得到這麼精確的結果,得益於GPS測量方法。

目前地球上大部分山峰的高度測值都不夠精確,比如南美洲安第斯山脈的帕羅多斯山,在不同地圖上高度被列為了4900米到5000米不等;喜馬拉雅山脈的拉布吉康峰3號東坡高度未知,地圖上只標註它超過7200米;甚至珠穆朗瑪峰的高度也有爭議,我國於2005年最新測量為海拔8844.43米,而尼泊爾則以8848米為準。

人類對平面距離有直觀感受,沒有工具也能分辨50米的遠近,但是分辨50米的高度卻很難。對人類來說,高度從來不是用簡單工具測量的,高達數千米的山峰更是如此。

山峰高度怎麼測量?

參照點


測量山峰高度,首先必須確定參照點,這是前提條件。然後,再確定所測量的山峰是相對高度,還是絕對高度。

絕對高度,俗稱海拔高度,以海平面為參照點;相對高度,一般以地面、山腳等其他地方為參照點。兩者必須區分清楚,不然就鬧笑話了,比如青藏高原上隨便一個土堆,比泰山、黃山都要高,這是事實(絕對高度),但說出來卻讓人發笑。

陸地上的點不方便計算,而且各個國家不統一。海洋包圍著所有大陸和島嶼,海平面雖然有變化,但年平均海平面基本不變,而且全世界海平面的高度相差無幾。所以,各國普遍把海平面作為測量高度的標準參照點,又稱為零點。以零點為參照點的山峰高度,就是海拔高度,也是絕對高度。我國的零點是青島黃海的平均海平面。


氣壓測量法


氣壓測量法是測量峰高最簡單的方法,只需一個氣壓計,再懂得一點數學知識,任何人都可以計算出山峰的高度。

海平面大氣壓約是100千帕(101.3千帕四捨五入之後),它隨海拔升高而降低。海拔3000米以下,每升高100米,氣壓下降約1千帕;3000-5000米,每升高100米,下降約0.8千帕,等等。

只要測出山峰的氣壓,就可以計算出山峰的近似海拔高度。另外,也可以利用水銀柱換算。海平面氣壓等於760毫米汞柱壓強,海拔每升高12米,大氣壓下降約1毫米汞柱(海拔3000米以下)。測出山峰氣壓為多少毫米汞柱,用760減去山峰氣壓的差值,乘以12,就是山峰的近似海拔高度了。


水沸點測量法


水的沸點與大氣壓有關,可以據此間接計算出山峰的高度,因為海拔升高,氣壓下降,水的沸點隨之下降。一個標準大氣壓下,水的沸點是100 oC。當水的沸點下降1 oC,氣壓下降約3千帕,海拔升高約300米。

經過對比,就能從水的沸點計算出海拔高度。可以參考這三個數據:海拔3000米時,水沸點是91 oC;6000米時,沸點是80 oC;8848米時,沸點是72 oC。


溫度測量法


在無熱源、無遮護的情況下,空氣溫度隨海拔增高而降低。一般情況下,海拔每升高100米,最高氣溫下降0.5oC,平均氣溫也下降0.5oC(海拔4000米以下)。

假如,某山峰測量溫度為-1oC,山腳測得溫度為7oC,則該山峰高度約為{[7-(-1)]÷0.5}×100=1600米。當然,這是山峰的相對高度。


三角測量法


三角測量法被廣泛使用,它是利用三角形的數學知識,以山高為一條直角邊,在地面上做出一組相似三角形,然後根據已知條件,計算山高。

從不同角度,可以做出多種類型的相似三角形,這裡介紹一種簡單實用的,只需兩根相同的棍子和一卷皮尺就能測出一座山峰的高度。首先,假設要測量的山峰之頂為H,底為A;然後,測量兩根棍子的長度,分別記作BC和DE,並間隔一定距離,將BC和DE豎直插在地上,保證A、B、D三點在一條直線上;再然後,在直線BD上找一點F,使H、C、F三點在一條直線上,在直線BD上再找一點G,使H、E、G三點在一條直線上,並分別測量BF和DG的距離。

這樣,就能畫出兩組相似三角形△AHF∽△BCF和△AHG∽△DEG,其中AH是共同直角邊。利用相似三角形原理,可以得出和兩組等式,其中,。把已知條件套進等式里,得到和,利用二元一次方程解法,計算出AH和AB的數值,即可得到山峰高度AH。

當然,這也是相對高度。如果已知當地的地面海拔,只要兩者相加,就知道山峰的海拔高度了。


水準測量法


水準測量是利用提供水平視線的儀器(如水準儀),測定地面不同點之間的高差,並以此推算高度的一種方法。

水準測量都要有一個最初的基準點,比如我國青島海拔基本面,作為第一點,然後相隔一定距離設立第二點。在兩點間安置水準儀,觀測豎立在兩點上的水準標尺,按標尺讀數即可得出兩點間高差。第一點是海拔基本面,高度為零,這個高差就是第二點的海拔高度。

然後再以第二點為參照,相隔一定距離設立第三點,用同樣方法可得出第二點和第三點之間的高差。用這個高差,加上第二點的高度,就是第三點的海拔高度。以此類推,可以測量出地面上任何一點的海拔高度。

水準測量法一般耗時較長,但它能夠把誤差控制在每公里0.5毫米以內,這也是目前世界上最精確的測量方法之一。


GPS測量法


GPS就是全球定位系統,利用這個系統測定山峰高度,就是GPS測量法。要在山峰最高點安放GPS儀器,用以連接天上數顆GPS衛星,並傳送信號,確定它準確的空間位置。

儀器只要安放好,幾個小時就能完成測繪。山頂的GPS儀器接收並記錄衛星發出的大量測繪信息,比如時間數據和信號波長數據。這些信息儘管以光速傳送,但從衛星發射到山頂的GPS儀器仍要花費幾微秒時間。這幾微秒的延時,被GPS儀器上預設的程序記錄。通過這段時間,科學家可以計算出GPS儀器的3D空間位置,以及它和太空衛星之間的確切距離。

得出GPS儀器的空間位置和距離後,再結合其他地形測量數據,就可以計算出山峰高度,即最為準確的海拔高度。目前GPS測量法精度已達到厘米量級,且應用越來越廣。




本文源自大科技*百科新說016年第7期雜誌、歡迎廣大讀者關注我們大科技的微信號:hdkj1997

作者寫於2016-07-04
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