逍遥学能 2016-09-03 12:47
国家测绘局在2005年暨我国首次精密测量珠峰高程30周年之际，与西藏登山队合作，再次成功测量了珠穆朗玛峰。精确测得的珠峰海拔高程8844.43米，测量精度0.21米，峰顶雪深3.50米。对于这个新高度，也许人们心中还留有一连串的疑问。
2005年5月22日11时08分～12时20分，我国登山测量队携带精密测量设备成功地登上珠穆朗玛峰顶。测量队员在珠峰顶架设了三角测量觇标、激光测距反射棱镜，在峰顶利用雪深探测雷达观测了39分钟，完成了峰顶覆雪厚度的测量;利用GPS全球定位技术完成了36分钟空间定位观测，在平均海拔5562米的6个观测站，完成了两天三角测距观测，最近测站距峰顶10171米，获得了珠峰顶三维空间坐标;为了推算峰顶重力值，重力梯度观测沿登山路线推进至距珠峰1.9千米的7695米高。珠峰峰顶测量采用了多种可相互独立验证的测量技术，成功地获得了完全来自峰顶的观测数据，是珠峰高度有史以来最为精确的测量。(参见2005年第10期《给世界之巅再量身》)
大山的由来
地球的外壳是由许多块大大小小的地壳拼合而成，而我们崇拜的名山大川就成长在这漂浮地壳的边缘上—断裂带、山脊带。常识告诉我们，山是因水流切割而成的，这只是人们坐井观天的结论，其实，山的形态早就在地壳构建开始的时刻已筑成型，山脉与海岭沿着那绵延的板块缝隙“破壳而出”。山永远在那里，引导我们用生命与心血去探索世界最高峰的奥秘。
山峰的形成可归纳为三种。第一种是因火山喷发而成的，它由致密结晶状的玄武岩或花岗岩构成，仔细观察，其山体由形状为四棱或五棱柱体或多面锥体的巨大岩晶聚合而成，形状怪异，在苍茫的大山中通常位于群峰簇拥的中间，它以神奇的力量将地壳块体推向两侧形成卫峰。卫峰有如相互依靠的多米诺骨牌，叠压簇拥在火成的山体两侧，每块骨牌就是侧峰或称“卫峰”。如果你有机会飞越天山南北，就能体会到这奇异的造型。第二种是立于两侧的山峰，像骨牌一样都背向分明(地质上称作“岩层的向斜或背斜”，表达一个山体的两个面);每个卫峰的山体按照地壳冷却收缩时龟裂的纹理，像干枯的湖底裂纹一样形成一座座有着多于三条棱脊的山体，棱脊的交汇点就是地壳山体上的峰顶。山体以这些不同方向的山脊为边缘，以最稳定的势能规律紧凑地拼合在一起，均衡地漂浮在岩浆之上。第三种山是没有能力彻底完成前两种造山运动过程，但却因岩浆活动而形成的山，人们称之为“喀斯特地貌”，因其岩溶地貌而得名。近看这些山峰，每个都圆圆的像馒头似的。几乎山山有洞，洞中的暗河有如火山的地下溶岩通道。从远处看，五六个这样的“馒头”围成一个圈子;从飞机上看，圈子中间是个隐蔽的盆地，也许这里就是传说中的世外桃源;从高空俯瞰，馒头状山峰有规律地汇聚成黑黑的一大片，圈状的分布就像铁锅中沸腾的冒着气泡的糖浆，还像葵花盘状的马蜂窝，这里的岩石都是沉积岩经过高温高压后变质的石灰岩石，而其形态变成了馒头状，在高温高压下，化学性质发生了变化，使海洋中沉淀的盐碱分解蒸发。变质的岩石没有盐碱，为寄生其上的植物提供了良好的生存环境，因此植被繁盛。
定义珠穆朗玛峰
登山家们为山峰如此定义：一座独立的山峰必须满足每侧山脊鞍部到独立峰顶的高差大于400米。位于喜马拉雅弧上的14座8000米以上的山峰都是这样筛选出来的，其周边满足不了条件的山头虽然很多都高于8000米，但却只能被称作“卫峰”。地球由岩石圈、生物圈、社会圈、水圈、大气圈五大圈层构成，由太阳与月球共同驱动，形成我们的地球系统。珠穆朗玛峰从岩石圈中崛起，形态呈三棱金字塔体，其中南山脊与西北山脊为国界线，东南山脊属中国独有，其北面与西南面为陡峭的向斜面，这两侧的山体表面上，冰雪无法留存;东南面为稍平缓的背斜面，这里终年冰雪覆盖，一直延伸到珠峰顶部，峰顶的雪帽就是珠峰冰川的最高源头。珠峰顶部覆盖的冰雪来自于大气圈，又位于冰川源头，实属水圈部分。按照地球科学的分类，山的高度应该去掉覆盖在其上的冰雪。
现实意义导致反复测量
当你站在印度平原，有人问珠穆朗玛峰身在何处时，该如何与他交流呢?最简单科学的办法就是告诉他珠峰在地球上的坐标位置这样简洁并可与众多属性直接相关的数据。当越来越多的勇士探索充满危险的世界时，地图绘制行业越来越关乎生命安全。当1915年持久号海船在南极陷入困境断裂时，全体船员面临的最大危险不是时速200英里的大风与零下50℃的低温，而是不知道返回的航线;当登山者耗尽最后的力气登上珠穆朗玛峰时，首先想到的是如何返回以及在下山途中不迷失方向，并能够迅速地找到能为他们提供安全、温暖、饮水、食品的最近营地;当你遇险呼救时，该如何告知救援者你的位置?珠峰精确位置的测定是珠峰高度测量的基础。
18～19世纪，人们开始认识到地球是个球体，英国、法国、德国为了勘查国土和他们的殖民地国家的区域面积，开始了长达半个世纪的大弧测量工作，也就是现在所称的大地测量,主要目标就是确定大城市间、地界点间的距离方位，并把这些数据插入到地图中去。因此面临的最大问题就是把地球表面三维的数据拼凑到二维地图中的挑战，数学家高斯试图要用一张平面的礼品包装纸，解决包住一个圆球所面临的困惑。他把包装纸裁剪成小方块贴在圆球上，因此创造了微分几何学，成为了微积分的发明始祖。地球到底有多大呢?如何来为地球上的万物位置提供一个能用数学表达的参照体呢?为此，必须测量出最近似的地球大小的利于数学计算的参照椭球。这期间，时任印度测量局局长的埃非勒士(Everest)指挥安德鲁·沃尔夫的测量大队在印度平原沿着喜马拉雅弧开展了大弧测量工作，丈量地球大小，下命令要求观测喜马拉雅山脊上的每座雪峰，测量它们的位置、高度。珠穆朗玛峰成为世界最高峰就是在1847年被发现的，观测站的距离距珠峰322千米，测站高度70米，珠峰高程8778米。
从1847年至今，珠穆朗玛峰高度的求证已经历了10次之多，如1847年8778米、1849～1850年8840米、1880～1883年8882米、1946～1953年8847.6米、1966～1968年8848.98米、1975年8848.13米、1992年8846.27、1998～1999年8850米、2004年8848.82米、2005年8844.43米。为什么每一次测量的珠峰高度都有所不同呢?影响高度测量的因素包括哪些呢?
测量珠峰高度的误差理论
由于地球是个椭球形状，这种超远距离的平面几何观测无法准确获得珠峰的位置并构成真实的球面三角形，同时，观测峰顶视线也随着高度的上升发生着剧烈弯曲，观测的角度在三维空间发生扭曲变形，无法将远方的目标严格地沿法线归算到椭球。由于不知道珠峰自上而下沿重力方向的垂线方向，也无法准确地获取物理高程—海拔高程。珠峰高程测量与定位，并不是人们想象如利用两根木棍构成直角三角形测距那么简单，只要我们远离珠峰，就必须在弯曲变异的时空环境中解决问题，包括数学与物理学的十分复杂的解析过程。200年来，人类不断求证珠峰的过程，是人类认识自然、追求真理的过程，从某种意义上说也是求证科技水平的实际高度。
见证珠峰高程的测量历史过程体现了数学、物理学、观测技术的不断发展完善。测量珠峰高程的历史就是一部测绘理论技术发展完善的历史。
利用大地测量技术要实现的目标就是准确地观测出珠峰的地理坐标位置与高度，所有观测成果的处理必须在与地球真实大小最接近的参考椭球面所形成球面数学模型上展开。珠峰的海拔高程是珠峰顶点沿垂线方向到平均海面的高差，因此，所有的各种观测数据必须经过垂线偏差改正。首先参照标准椭球完成珠峰的坐标位置归算与相对椭球表面该位置的法线高度计算，然后再沿观测出的垂线方向归算到珠峰下的平均海水面，并求得海拔高程。
采用传统方法观测珠峰最大的好处是不必登上峰顶测量(精度不高)，但关键问题是要消除误差，提高观测精度。观测误差来自与距离成正比关系的高度角测量，垂线偏差、大气折光测量误差、与高差成正比的水平距离观测误差。因此，要求在珠峰顶设立觇标与定位仪是精确测定水平距离与相对高差的前提;尽可能缩短起算点到珠峰的距离，抬升起算点的观测高度是提高传统观测精度的方法，直到在峰顶直接观测空间坐标位置是最精确的办法。
1975年以前的历次观测均是从远距离交会山头(从两个以上的已知坐标高度的起算点，通过角度测量的方法建立交会珠峰的球面三角形)，但珠峰山头呈三面锥体状，顶部面积3×9米，从珠峰下面的控制网，采用三角方法观测山头势必从不同的方向瞄准珠峰顶的位置不同，因此带来较大的观测误差。1975年首次在珠峰顶部设立了觇标，实现了观测视线收敛于相同的测量觇标，观测精度随之提高。
角度观测精度直接影响珠峰测高精度
每个人都有这样的经验，把一根筷子放入装满水的玻璃杯时，会发现筷子是弯曲的，这是光线在穿过不同密度的物质时发生折射的缘故。同样的道理，光线从宇宙中射入浓密的大气层时光线同样会发生弯曲。利用激光测量距离时，也会因空气密度的增加使激光的波长变小。在珠峰下的观测站与珠峰顶高差会达到近3000米，随着高度的下降，空气的密度逐渐增加，光线也会因此产生弯曲，这会使我们的测量视线产生错觉，观测出的高度角会大于实际的角度。当我们从多个控制网起算交会点观测珠峰峰顶时，必须对观测的角度进行遮光的修正，角度观测的精度与大气折光系数成正比。这就是为什么要在三角测量交会期间，不停地释放探空气球，测量不同高度的温度、湿度、气压，获得测站到珠峰间的大气密度。观测出准确的角度与距离关系，并在参考椭球表面构成准确的球面三角形，才能精确测定峰顶到测站间球面距离与相对高差。另外，角度的精确测量十分重要。如果观测站离珠峰越远，测站观测珠峰的仰角误差就会随距离的远近正比放大缩小，珠峰位置与高度确定精度就越低;其带来的角度测量误差，会直接影响到球面三角形真实形状，使珠峰相对起算点的距离不准确，当以球面距离为基准抬升高度角测量高差时，就会将水平距离的误差传递到高度方向。观测站离珠峰越近，测站位置越高，珠峰两个测站的顶角张开得越大，珠峰高程的观测精度就会提高。
由于地球的形状接近椭圆，当珠峰起算观测站以垂线方向为准观测珠峰顶部觇标时，这两点相对于地球质心垂线方向是不平行的与地心相交，同时珠峰顶点相对于参考椭球的法线与相对质心方向的垂线是存在夹角的，这种夹角我们称作“垂线偏差”。假设我们站在海边，以垂线为准，观测远处露出海面船桅顶部时，可能观测的仰角为零，如果计算船高度就会是零米。是什么引起差错?这就是观测点与目标点间的垂线实际是不平行引起的，加入垂线偏差后就能获得真实的船高。珠峰距离我们观测站很远，测量它的高度时，必须要考虑地球椭球与其垂线方向的影响。
观测的首要任务是准确测量出珠峰觇标相对起算控制点的准确位置，珠峰位置的确定是通过观测水平角度来实现的;珠峰高度是以获得准确位置为前提的，观测垂直角并经过折光改正后，再经过垂线偏差修正，就可将各种测角观测值归算到参考椭球的数学模型上，实现准确的相对参考椭球的高差计算。2005年珠峰测量所采用的传统三角测量法中不仅缩短了起算点到珠峰的距离，抬升了起算点的观测高度，还采用GPS技术直接在峰顶观测相对参考椭球面的法线高，实现了峰顶最精确的直接观测。印度历次的珠峰观测，距离珠峰很远，视线高差大，加上折光系数探测不精确，因此产生了较大的误差。
寻找珠峰脚下的大地水准面
8844.43米为珠峰海拔高程，即珠峰顶部岩石面沿垂线方向到大地水准面的高度。当通过观测获得了相对参考椭球法线高度后，再寻找珠峰下的海水面相对于参考椭球模型表面的高度是珠峰测量的重要工作。所谓大地水准面是参照海水面势能为零定义的封闭曲面，在这个水准面上，连一滴水都不会流动。科学家通过计算零势能等位面相对于参考椭球面的差值来描述大地水准面;由于地球内部物质分布并不均匀，因此相对椭球面的大地水准面起伏不平，大地水准面全球范围内起伏可达100米左右，只有获得大地水准面在珠峰脚下的真实形态，才能准确获得珠峰高度。由于珠峰地区的地理与地质环境变化复杂，地形起伏巨大，相对高差达到了3600米，导致重力场、水准面、垂线的复杂变化，而珠峰高程与这些元素密切相关，必须综合利用珠峰地区GPS、天文、重力、水准、三角的观测数据实现大地高—正常高—海拔高的归算，这是一项复杂的科学计算过程。如果从青岛原点通过水准测量高差的方法来观测珠峰海拔高度，就必须依照势能累计的方法。其物理含义为水准传递的路线上因地区的差异，重力值不同，当两个相邻的等位面的势能差相同，则意味着所对应的高差因传递路线重力变化而不一样。当我们远距离地观测珠峰高度时，必须知道高程传递路线上的重力变化数据及珠峰顶部的重力值，才能计算出珠峰的海拔高。
除了1975年与2005年的珠峰测量进行了海拔高程的精确划算，印度、美国、意大利等国的多次测量均未作严格的高程归算，他们的测量结果自然不够准确。2005年实测的高程异常为-25.199米，大地水准面高-26.466米，精度±0.09米。
提高雷达的测深精度
既然峰顶的冰雪厚度在不断变化，要准确测量出珠峰岩石面高度，则必须观测珠峰顶的冰雪厚度，需要将雷达带上峰顶，测量覆雪的深度，确定峰顶岩石的高度，这是2005年测量珠峰的重要任务。测量的原理是测量出雷达波从发射到返回的时间，并乘以雷达波在冰雪中传播的速度。关键的问题是要测量出准确的传播速度。在珠峰顶完成这项精细的工作几乎是不可能的，为此我们需要选择与珠峰冰雪环境十分近似的实验地区。在7028北坳，登山运动员说这里的雪冰与珠峰顶十分类似，其冰雪过程与珠峰几乎同步，我们决定在这里展开雷达传播速度的测定。队员们挖开覆雪，打入冰锥，测量好实际的距离深度后，用雷达开始扫描冰雪中的金属杆，通过反射回来的时间与标定的距离获得雷达波在冰雪中的传播速度。分析后发现，北坳冰雪中雷达波传播速度23万千米/秒，比教科书中提供的17万千米/秒要大很多，这对雷达测深的影响较大。2004年意大利的峰顶雷达观测，由于没有实测雷达波在冰雪中的传播速度等因素，其高程精度存在较大误差，数据并不可靠。
如果在珠峰顶部寻找到岩石地形的高点，必须要解决岩石地形与雪面地形一一对应的难题。根据岩石的走向与风向判断，在珠峰顶部，雪面的最高点与岩石的最高点不一定对应，珠峰岩石最高点可能在雪面最高点的西侧。这就要求测量岩石高度的同时，要测量出同一点的雪面高度，使雪面的高度与岩石的高度一一对应。为解决这一难题，我们利用了信号时间匹配原理。在峰顶测量的过程中，将GPS接收机与雪深雷达组合在一起，保证雷达与GPS的天线相位中心同轴，将一个标记触发器分别接入雷达与GPS接收机，这样，在按动标记键时在GPS中标记了准确的原子时间，同时在雷达中标记了该时刻的测深值，由于雷达每秒发射的电磁波的次数是固定的，这样通过时间的匹配，就能够获得每次雷达波测量出的深度与其该时刻的空间位置，使测量的深度观测值与雪面位置得到对应，这样就获得了一一对应的岩石地形与雪面地形。
全球变暖会使珠峰雪面高度走低吗?
全球变暖对珠峰高度而言，不降反升。全球变暖意味着大量水汽的蒸发，峰顶的降雪会更大，如果按照每百米气温下降0.8℃(珠峰地区气球探空资料测量值)计算，8800米的高度在最盛夏的季节，峰顶的温度也会在-12℃左右，因此，峰顶的积雪会越来越厚，如果峰顶的覆雪不下滑的话，就会无休止地升高。珠峰的雪面高度所以能够维持在3米左右的变化幅度，完全是峰顶冰雪不定期地滑落，并再补充堆积冰雪的缘故。即使在5800米的东绒布冰川塔林的顶部，盛夏时节的温度也会在-5℃以下，全球变暖意味着大量的冰雪补充，冰川理应越来越长，用全球变暖来解释冰川塔林的退缩，理由不充分。合理的解释应是与太阳黑子爆发相关，太阳黑子活跃期，地球接受的辐射多，蒸发的水汽就会多，冰川的补充就会强烈;太阳黑子活动小，蒸发的水汽少，冰川的补充就小，加上自然的溶解就会引起冰川的退缩。太阳上的“黑子蝴蝶”每扇动一次翅膀，地球就会颤抖地旋转12年，珠峰的冰川也会跟着增长变短，这是个长期的周期性的变化过程。
剧烈的地壳运动托举珠峰升高
青藏高原一直处于隆升状态，国家三期水准网监测的结果表明，雅鲁藏布江沿线每年抬升速率10毫米，相对于雅鲁藏布江的喜马拉雅山主峰珠穆朗玛又是一种怎样的变化趋势呢?变化的量级又是多少呢?处在两个板块碰撞边缘的喜马拉雅相对压缩的速度是多少呢?通过分析1998年与1992年两期测量的GPS数据和水准资料，分析1998～1999年在珠峰山脊上南坳观测点的GPS监测资料，得到如下的珠峰变化量值：
珠峰每年抬升速率为18毫米，每年向东北74°方位角水平移动48毫米，在山脚下的卡拉帕德点每年上升22毫米，每年向北偏东移动45毫米，方位角29°，珠峰金字塔山体呈逆时针左旋东北向前进，其山体形态似乎可与之对应起来。
距珠峰北侧20公里的邻近地区，6年来相对定日上升了16毫米，平均每年上升2.7毫米，加上定日地区每年10毫米的抬升速度，珠峰邻近地区的抬升速度达每年12.7毫米。
利用GPS网的监测资料分析，6年来从珠峰大本营到定加2缩短了14毫米，每年缩短2.3毫米。从定日到珠峰的水准路线跨过两山两谷，从垂直形变图表中还可以看出山谷与山脊的垂直变化的相对趋势，山谷相对于山脊的垂直变化相对下降，山脊相对于山谷的垂直变化相对上升，垂直变化越靠近珠峰垂直上升的速度越大，接近珠峰山脚时下降，可能为珠峰重压所至。另外在交古拉山口(5170米)垂直形变相对下沉剧烈，在这里的岩石断层扭成了麻花状，是个地质变化极为错综复杂的区域，其原因有待揭示。
珠峰地区垂直形变与水平运动剧烈，测量珠峰的基准必须要全面更新后方可作为起算点，用于珠峰高程的测量工作。根据目前的测量推算，100年后的珠峰会上升2米左右，位置将向东北方向移动5米。这种变化会进一步影响到我们人居环境的变化。
风化剥蚀作用
冰川中夹杂着许多石头，这些石头是冰川从高山上下滑时从山体的表层拖拽下来的，当冰川融解后，这些石头就均匀覆盖在冰川基底上。高山上的冰雪被白天炽烈的阳光融化时，会渗入到岩石的解理缝隙中，阳光消失后，将石缝中的溶水重新结成冰，水结成冰的过程中在冰缝中膨胀，这是种巨大的力量，将岩石按照其形成时的结晶解理形态解体。珠峰地区的岩石风化作用是相当强烈的，风化后的砾石沿山体的形态下滑会聚，也能形成型冰川形态类似的石头流，每个独立的砾石大小与形态都十分相似，汇集在冰川的边缘，由移动的冰川带出。珠峰顶部的岩石同样要面对强烈的冰雪剥蚀作用，虽然峰顶岩石被冰雪覆盖着，但是冰雪在积累到临界的重量时会滑落，附着在峰顶上的冰雪会将岩石剥离后拖拽下来。这种剥蚀过程将削低峰顶的岩石高度。如果珠峰山体地壳抬升速度超过岩石剥蚀速度，珠峰将处于抬升状态。
珠穆朗玛峰高度变化的研究包含了自然界中许多奇妙的自然现象，测量的高程值的降低并不意味着珠峰变矮了，只能说更精确了。实际上，从相关的测量得知，珠峰仍在隆升，青藏高原仍在成长并仍在影响着我们的生存环境。