Чому на Землі існують місця, де неможливо точно визначити висоту над рівнем моря

Ми зви­кли дума­ти про висо­ту як про про­сту вели­чи­ну: гора зді­йма­є­ться на певну кіль­кість метрів над рів­нем моря, місто роз­та­шо­ва­не на пев­ній висо­ті, а доли­на може лежа­ти нижче за океан. Проте за цими числа­ми сто­їть скла­дні­ша систе­ма вимі­рю­вань. Земля не є іде­аль­ною кулею, її поверх­ня нерів­но­мір­на, а сила тяжі­н­ня дещо від­рі­зня­є­ться від місця до місця. До того ж рівень моря постій­но змінюється.

Через це в деяких ситу­а­ці­ях немає єди­но­го зна­че­н­ня висо­ти, яке можна було б назва­ти абсо­лю­тно точним без дода­тко­вих пояснень. Це не озна­чає, що гео­гра­фи не зда­тні вимі­рю­ва­ти висо­ту. Проблема в іншо­му: спо­ча­тку потрі­бно визна­чи­ти, від якої саме поверх­ні її від­ра­хо­ву­ють і яким мето­дом про­во­дять вимірювання.

Рівень моря — не одна незмінна лінія

Висоту на сухо­до­лі тра­ди­цій­но визна­ча­ють від­но­сно сере­дньо­го рівня моря. Але океан не утво­рює іде­аль­но рів­ної поверх­ні. На його висо­ту впли­ва­ють при­пли­ви, вітер, атмо­сфер­ний тиск, тем­пе­ра­ту­ра, соло­ність і оке­а­ні­чні течії. Навіть якщо усу­ну­ти коро­тко­ча­сні коли­ва­н­ня, сере­дній рівень моря в різних регіо­нах не буде однаковим.

Уявімо дві при­бе­ре­жні точки на різних кон­ти­нен­тах. Якщо вимі­рю­ва­ти від­стань від поверх­ні води в кон­кре­тний момент, резуль­тат зале­жа­ти­ме від пого­ди, при­пли­ву та інших місце­вих умов. Тому для гео­де­зії вико­ри­сто­ву­ють не мит­тє­ву лінію при­бою, а спе­ці­аль­но визна­че­ні вер­ти­каль­ні систе­ми від­лі­ку, пов’язані зі спо­сте­ре­же­н­ня­ми за рів­нем моря та гра­ві­та­цій­ним полем Землі.

Історично різні кра­ї­ни ство­рю­ва­ли вла­сні систе­ми висот на осно­ві вимі­рю­вань на пев­них при­плив­них стан­ці­ях. Через це одна й та сама точка може отри­ма­ти трохи різні зна­че­н­ня висо­ти в різних націо­наль­них систе­мах. Відмінність не обов’язково свід­чить про помил­ку: часто йде­ться про різні спосо­би визна­че­н­ня нульо­во­го рівня.

Земля не кругла настільки, як здається

На кар­тах і гло­бу­сах нашу пла­не­ту часто зобра­жу­ють кулею. Насправді Земля трохи сплю­сну­та біля полю­сів і роз­ши­ре­на біля еква­то­ра. Її форма також має числен­ні нерів­но­сті, пов’язані з роз­по­ді­лом мате­ри­ків, оке­а­нів і мас гір­ських порід усе­ре­ди­ні планети.

Для опису цієї форми гео­де­зи­сти вико­ри­сто­ву­ють мате­ма­ти­чну модель, яку нази­ва­ють рефе­ренц-елі­псо­ї­дом. Це глад­ка поверх­ня, що при­бли­зно від­по­від­ає формі Землі та дає змогу вико­ну­ва­ти коор­ди­на­тні роз­ра­хун­ки. Однак елі­псо­їд не від­тво­рює всіх осо­бли­во­стей реаль­ної планети.

Для визна­че­н­ня висо­ти важли­ва ще одна поверх­ня — геоїд. Його можна уяви­ти як поверх­ню, яка при­бли­зно від­по­від­ає сере­дньо­му рівню Світового оке­а­ну, якби вода пере­бу­ва­ла лише під дією сили тяжі­н­ня та обер­та­н­ня Землі й могла віль­но поши­рю­ва­ти­ся під мате­ри­ка­ми. Геоїд не є іде­аль­но глад­ким: його форма зале­жить від нерів­но­мір­но­го роз­по­ді­лу маси все­ре­ди­ні планети.

Саме тому висо­ту над елі­псо­ї­дом і висо­ту над гео­ї­дом не можна вва­жа­ти одним і тим самим пока­зни­ком. Перша є гео­ме­три­чною вели­чи­ною, яку визна­ча­ють від­но­сно мате­ма­ти­чної моде­лі, а друга пов’язана з фізи­чним гра­ві­та­цій­ним полем Землі й вико­ри­сто­ву­є­ться для отри­ма­н­ня висот, зви­чних у гео­гра­фії та будівництві.

Чому GPS не завжди показує висоту над рівнем моря

Супутникова наві­га­ція дає змогу визна­ча­ти коор­ди­на­ти точки за сигна­ла­ми супу­тни­ків. Проте GPS без­по­се­ре­дньо визна­чає поло­же­н­ня від­но­сно мате­ма­ти­чної моде­лі Землі, а не від­но­сно поверх­ні оке­а­ну. Тому висо­та, отри­ма­на із супу­тни­ко­вих вимі­рю­вань, може від­рі­зня­ти­ся від висо­ти, зазна­че­ної на топо­гра­фі­чній карті.

Щоб пере­тво­ри­ти супу­тни­ко­ву висо­ту на висо­ту, близь­ку до зви­чної висо­ти над рів­нем моря, вико­ри­сто­ву­ють модель гео­ї­да. Вона дає змогу вра­ху­ва­ти різни­цю між елі­псо­ї­дом і гео­ї­дом у кон­кре­тній місце­во­сті. Без тако­го пере­ра­хун­ку пока­зник у наві­га­то­рі може не збі­га­ти­ся з дани­ми гео­де­зи­чних карт.

Важливо також роз­рі­зня­ти точність вимі­рю­ва­н­ня та точність самої моде­лі. Навіть якщо при­ймач дуже точно визна­чив коор­ди­на­ти, резуль­тат усе одно зале­жить від того, яку систе­му висот засто­со­ву­ють і наскіль­ки добре вона опи­сує місце­вість. Звичайний смар­тфон, про­фе­сій­ний гео­де­зи­чний при­ймач і ніве­лір можуть дава­ти різні резуль­та­ти, оскіль­ки пра­цю­ють за різни­ми прин­ци­па­ми й мають різні можливості.

Чому висота однієї гори може відрізнятися в різних джерелах

Гори зда­ю­ться оче­ви­дни­ми об’єктами для вимі­рю­ва­н­ня: доста­тньо зна­йти вер­ши­ну й визна­чи­ти її висо­ту. Проте навіть тут є кіль­ка нюан­сів. Потрібно вста­но­ви­ти точне поло­же­н­ня най­ви­щої точки, обра­ти систе­му висот і визна­чи­ти, від якого рівня веде­ться відлік.

Наприклад, висо­ту Евересту вимі­рю­ють від­но­сно рівня моря, але резуль­тат зале­жить від гео­де­зи­чних мето­дів, обро­бле­н­ня вимі­рю­вань і прийня­тої систе­ми від­лі­ку. У 2020 році Китай і Непал спіль­но ого­ло­си­ли висо­ту вер­ши­ни 8848,86 метра. Це не про­сто резуль­тат вимі­рю­ва­н­ня від­ста­ні від під­ніж­жя до вер­хів­ки: він вра­хо­вує гео­де­зи­чні спо­сте­ре­же­н­ня та вста­нов­ле­ні пра­ви­ла визна­че­н­ня висоти.

З часом зна­че­н­ня можуть уто­чню­ва­ти­ся. Причинами ста­ють нові вимі­рю­ва­н­ня, вдо­ско­на­ле­н­ня при­ла­дів, зміни мето­ди­ки або при­ро­дні про­це­си. Землетруси зда­тні змі­ню­ва­ти висо­ту й поло­же­н­ня діля­нок зем­ної кори, а льо­до­ви­ки та сніг на вер­ши­нах також впли­ва­ють на вимі­рю­ва­н­ня. Водночас неве­ли­кі роз­бі­жно­сті між довід­ни­ка­ми не зав­жди озна­ча­ють, що сама гора фізи­чно змі­ни­ла­ся: іноді різни­ця поясню­є­ться мето­да­ми вимі­рю­ва­н­ня або округленням.

Чи можна виміряти висоту абсолютно точно

У пра­кти­чній гео­де­зії висо­ту можна визна­чи­ти з дуже висо­кою точні­стю. Для цього засто­со­ву­ють супу­тни­ко­ві вимі­рю­ва­н­ня, гео­ме­три­чне ніве­лю­ва­н­ня, гра­ві­ме­три­чні спо­сте­ре­же­н­ня та цифро­ві моде­лі рельє­фу. Вибір мето­ду зале­жить від зав­да­н­ня: для будів­ни­цтва мосту потрі­бна одна точність, для скла­да­н­ня карти вели­кої тери­то­рії — інша.

Однак абсо­лю­тна точність без визна­че­н­ня систе­ми від­лі­ку — неко­ре­ктне поня­т­тя. Будь-який резуль­тат має похиб­ку, а висо­та зав­жди від­ра­хо­ву­є­ться від пев­ної прийня­тої поверх­ні. Навіть коли при­лад пока­зує число з точні­стю до сан­ти­ме­тра, це не озна­чає, що висо­та від­но­сно будь-якого можли­во­го рівня моря відо­ма з такою самою точністю.

До того ж сама поверх­ня Землі змі­ню­є­ться. Тектонічні рухи повіль­но під­ні­ма­ють або опу­ска­ють ділян­ки суші, льо­до­ви­ки втра­ча­ють масу, а рівень оке­а­ну зро­стає. У деяких при­бе­ре­жних містах земля опу­ска­є­ться через при­ро­дні про­це­си або надмір­не від­ка­чу­ва­н­ня під­зем­них вод. Тому для три­ва­лих спо­сте­ре­жень важли­во не лише вимі­рю­ва­ти висо­ту, а й від­сте­жу­ва­ти її зміни в часі.

Отже, місць, де висо­ту прин­ци­по­во немо­жли­во визна­чи­ти, немає. Є точки, для яких резуль­тат зале­жить від обра­ної систе­ми висот, досту­пних вимі­рю­вань і потрі­бної точно­сті. Коли гео­гра­фи вка­зу­ють висо­ту гори, міста чи доли­ни, за цим числом сто­їть не про­сто від­стань до моря, а ціла систе­ма мате­ма­ти­чних моде­лей, фізи­чних вимі­рю­вань і домов­ле­но­стей, що дає змогу порів­ню­ва­ти різні ділян­ки нашої планети.