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山峰高度怎么测量?

2015年秋天,英国对境内第一高峰本尼维斯山重测峰高,测得实际高度为海拔1344.527米,比现在地图上普遍使用的1344米,升高了0.527米。能得到这么精确的结果,得益于GPS测量方法。
目前地球上大部分山峰的高度测值都不够精确,比如南美洲安第斯山脉的帕罗多斯山,在不同地图上高度被列为了4900米到5000米不等;喜马拉雅山脉的拉布吉康峰3号东坡高度未知,地图上只标注它超过7200米;甚至珠穆朗玛峰的高度也有争议,我国于2005年最新测量为海拔8844.43米,而尼泊尔则以8848米为准。
人类对平面距离有直观感受,没有工具也能分辨50米的远近,但是分辨50米的高度却很难。对人类来说,高度从来不是用简单工具测量的,高达数千米的山峰更是如此。

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参照点

测量山峰高度,首先必须确定参照点,这是前提条件。然后,再确定所测量的山峰是相对高度,还是绝对高度。
绝对高度,俗称海拔高度,以海平面为参照点;相对高度,一般以地面、山脚等其他地方为参照点。两者必须区分清楚,不然就闹笑话了,比如青藏高原上随便一个土堆,比泰山、黄山都要高,这是事实(绝对高度),但说出来却让人发笑。
陆地上的点不方便计算,而且各个国家不统一。海洋包围着所有大陆和岛屿,海平面虽然有变化,但年平均海平面基本不变,而且全世界海平面的高度相差无几。所以,各国普遍把海平面作为测量高度的标准参照点,又称为零点。以零点为参照点的山峰高度,就是海拔高度,也是绝对高度。我国的零点是青岛黄海的平均海平面。

气压测量法

气压测量法是测量峰高最简单的方法,只需一个气压计,再懂得一点数学知识,任何人都可以计算出山峰的高度。
海平面大气压约是100千帕(101.3千帕四舍五入之后),它随海拔升高而降低。海拔3000米以下,每升高100米,气压下降约1千帕;3000-5000米,每升高100米,下降约0.8千帕,等等。
只要测出山峰的气压,就可以计算出山峰的近似海拔高度。另外,也可以利用水银柱换算。海平面气压等于760毫米汞柱压强,海拔每升高12米,大气压下降约1毫米汞柱(海拔3000米以下)。测出山峰气压为多少毫米汞柱,用760减去山峰气压的差值,乘以12,就是山峰的近似海拔高度了。

水沸点测量法

水的沸点与大气压有关,可以据此间接计算出山峰的高度,因为海拔升高,气压下降,水的沸点随之下降。一个标准大气压下,水的沸点是100 oC。当水的沸点下降1 oC,气压下降约3千帕,海拔升高约300米。
经过对比,就能从水的沸点计算出海拔高度。可以参考这三个数据:海拔3000米时,水沸点是91 oC;6000米时,沸点是80 oC;8848米时,沸点是72 oC。

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温度测量法

在无热源、无遮护的情况下,空气温度随海拔增高而降低。一般情况下,海拔每升高100米,最高气温下降0.5oC,平均气温也下降0.5oC(海拔4000米以下)。
假如,某山峰测量温度为-1oC,山脚测得温度为7oC,则该山峰高度约为{[7-(-1)]÷0.5}×100=1600米。当然,这是山峰的相对高度。

三角测量法

三角测量法被广泛使用,它是利用三角形的数学知识,以山高为一条直角边,在地面上做出一组相似三角形,然后根据已知条件,计算山高。
从不同角度,可以做出多种类型的相似三角形,这里介绍一种简单实用的,只需两根相同的棍子和一卷皮尺就能测出一座山峰的高度。首先,假设要测量的山峰之顶为H,底为A;然后,测量两根棍子的长度,分别记作BC和DE,并间隔一定距离,将BC和DE竖直插在地上,保证A、B、D三点在一条直线上;再然后,在直线BD上找一点F,使H、C、F三点在一条直线上,在直线BD上再找一点G,使H、E、G三点在一条直线上,并分别测量BF和DG的距离。
这样,就能画出两组相似三角形△AHF∽△BCF和△AHG∽△DEG,其中AH是共同直角边。利用相似三角形原理,可以得出和两组等式,其中,。把已知条件套进等式里,得到和,利用二元一次方程解法,计算出AH和AB的数值,即可得到山峰高度AH。
当然,这也是相对高度。如果已知当地的地面海拔,只要两者相加,就知道山峰的海拔高度了。

水准测量法

水准测量是利用提供水平视线的仪器(如水准仪),测定地面不同点之间的高差,并以此推算高度的一种方法。
水准测量都要有一个最初的基准点,比如我国青岛海拔基本面,作为第一点,然后相隔一定距离设立第二点。在两点间安置水准仪,观测竖立在两点上的水准标尺,按标尺读数即可得出两点间高差。第一点是海拔基本面,高度为零,这个高差就是第二点的海拔高度。
然后再以第二点为参照,相隔一定距离设立第三点,用同样方法可得出第二点和第三点之间的高差。用这个高差,加上第二点的高度,就是第三点的海拔高度。以此类推,可以测量出地面上任何一点的海拔高度。
水准测量法一般耗时较长,但它能够把误差控制在每公里0.5毫米以内,这也是目前世界上最精确的测量方法之一。

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GPS测量法

GPS就是全球定位系统,利用这个系统测定山峰高度,就是GPS测量法。要在山峰最高点安放GPS仪器,用以连接天上数颗GPS卫星,并传送信号,确定它准确的空间位置。
仪器只要安放好,几个小时就能完成测绘。山顶的GPS仪器接收并记录卫星发出的大量测绘信息,比如时间数据和信号波长数据。这些信息尽管以光速传送,但从卫星发射到山顶的GPS仪器仍要花费几微秒时间。这几微秒的延时,被GPS仪器上预设的程序记录。通过这段时间,科学家可以计算出GPS仪器的3D空间位置,以及它和太空卫星之间的确切距离。
得出GPS仪器的空间位置和距离后,再结合其他地形测量数据,就可以计算出山峰高度,即最为准确的海拔高度。目前GPS测量法精度已达到厘米量级,且应用越来越广。

 

本文源自大科技*百科新说016年第7期杂志、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号:hdkj1997

 

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