Nivelul mediu al mării, GPS și geoidulDe Witold Fraczek, Esri Applications Prototype Lab
Geoidul aproximează nivelul mediu al mării. Forma elipsoidului a fost calculată pe baza suprafeței gravitaționale echipotențiale ipotetice. Între acest model matematic și obiectul real există o diferență semnificativă. Cu toate acestea, chiar și geoidul cel mai sofisticat din punct de vedere matematic poate doar să aproximeze forma reală a Pământului.
De multe ori, eforturile de cercetare și tehnologie au rezultate neprevăzute, dar pozitive. Când exploratorii europeni și-au propus să găsească o scurtătură spre India, au descoperit Lumea Nouă. Atunci când o cultură de bacterii stafilococi a fost contaminată din greșeală cu un mucegai comun, zona clară dintre mucegai și colonia bacteriană a dus la concluzia că mucegaiul, Penicillin notatum, producea un compus care inhiba creșterea bacteriilor. Această descoperire întâmplătoare a dus la dezvoltarea antibioticului penicilină.
Ceea că Pământul nu are o formă geometric perfectă este bine stabilită, iar geoidul este folosit pentru a descrie forma unică și neregulată a Pământului. Cu toate acestea, doar recent au fost observate neregulile mai substanțiale ale suprafeței create de nivelul mediu global al mării (MSL). Aceste neregularități sunt cu un ordin de mărime mai mare decât au prezis experții. Controlate de potențialul gravitațional al Pământului, aceste neregularități formează „dealuri” și „văi” foarte blânde, dar masive. Această descoperire uimitoare a fost posibilă prin utilizarea GPS, o tehnologie concepută de Departamentul de Apărare al Statelor Unite pentru a revoluționa navigația pentru Marina și Forțele Aeriene americane. GPS a făcut astași mult mai mult.
Ce este nivelul mediu al mării?
Precizia măsurătorilor GPS de înălțime depinde de mai mulți factori, dar cel mai important este „imperfecțiunea” formei pământului. Înălțimea poate fi măsurată în două moduri. GPS-ul folosește înălțimea (h) deasupra elipsoidului de referință care aproximează suprafața pământului. Înălțimea tradițională, ortometrică (H) este înălțimea deasupra unei suprafețe imaginare numită geoid, care este determinată de gravitația Pământului și aproximată de MSL. Diferența semnată dintre cele două înălțimi – diferența dintre elipsoid și geoid – este înălțimea geoidului (N). Figura de mai sus arată relațiile dintre diferitele modele și explică motivele pentru care cele două nu corespund aproape niciodată din punct de vedere spațial.
Pentru generații întregi, singura modalitate de a exprima altitudinea topografică sau batimetrică a fost raportarea acesteia la nivelul mării. Geodeziștii credeau cândva că marea era în echilibru cu gravitația Pământului și forma o figură perfect regulată. MSL este descris de obicei ca un punct de referință al mareelor care reprezintă media aritmetică a înălțimilor orare ale apei observate pe parcursul unui anumit ciclu de 19 ani. Această definiție face o medie a înălțimilor și coborâșurilor de maree cauzate de efectele schimbătoare ale forțelor gravitaționale ale Lunii și Soarelui.
MSL este definit ca fiind cota zero pentru o zonă locală. Suprafața zero la care se face referire prin elevație se numește punct de referință vertical. Din păcate pentru cartografi, nivelul mării nu este o suprafață simplă. Deoarece suprafața mării se conformează câmpului gravitațional al Pământului, MSL are, de asemenea, ușoare dealuri și văi care sunt similare cu suprafața terestră, dar mult mai netede. Cu toate acestea, altitudinea zero definită de Spania nu este aceeași altitudine zero definită de Canada, motiv pentru care datele de referință verticale definite la nivel local diferă între ele.
Suprafața MSL se află într-o stare de echilibru gravitațional. Ea poate fi considerată ca extinzându-se sub continente și este o aproximație apropiată a geoidului. Prin definiție, geoidul descrie forma neregulată a Pământului și este adevărata suprafață zero pentru măsurarea altitudinilor. Deoarece suprafața geoidului nu poate fi observată în mod direct, înălțimile deasupra sau sub suprafața geoidului nu pot fi măsurate direct și sunt deduse prin efectuarea de măsurători gravitaționale și modelarea matematică a suprafeței. Anterior, nu exista nicio modalitate de a măsura cu exactitate geoidul, astfel încât acesta era aproximat aproximativ prin MSL. Deși, în scopuri practice, la linia de coastă se presupune că suprafețele geoidului și MSL sunt în esență identice, în unele puncte geoidul poate diferi de fapt de MSL cu câțiva metri.
Măsurători diferite
GPS a transformat modul în care se măsoară altitudinea în orice punct. GPS utilizează un sistem de coordonate elipsoidale atât pentru datele sale orizontale, cât și pentru cele verticale. Un elipsoid sau o sferă aplatizatăeste folosit pentru a reprezenta modelul geometric al pământului.
Suprafața de ondulații globale a fost calculată pe baza observațiilor altimetrice și a măsurătorilor foarte precise (până la doi centimetri) efectuate de satelitul TOPEX/POSEIDON. Aceste date au fost reprezentate în Modelul geodezic al Pământului (EGM96), care este denumit și modelul sferic armonic al potențialului gravitațional al Pământului.
Conceptual, acest elipsoid calculat cu precizie, numit elipsoid oblic de revoluție, a fost menit să reproducă MSL ca referință geodezică principală sau ca punct de referință vertical. În cazul în care se utilizează acest punct de referință vertical elipsoidic, înălțimea deasupra elipsoidului nu va fi aceeași cu cea a MSL, iar citirile directe ale altitudinii pentru majoritatea locațiilor vor fi jenant de greșite. Acest lucru este cauzat, în parte, de faptul că definiția GPS a altitudinii nu se referă la MSL, ci mai degrabă la o suprafață gravitațională numită elipsoid de referință. Deoarece elipsoidul de referință a fost menit să se apropie îndeaproape de MSL, a fost surprinzător când cele două cifre au fost foarte diferite.
Satelitul TOPEX/POSEIDON, lansat în 1992, a fost special conceput pentru a efectua observații altimetrice foarte precise. Aceste măsurători au demonstrat că nici eroarea umană și nici inexactitățile GPS nu sunt responsabile pentru discrepanțele uneori substanțiale dintre măsurătorile elipsoidului și MSL. De fapt, suprafața tridimensională creată de nivelul mării Pământului nu este corectă din punct de vedere geometric, iar neregulile sale semnificative nu au putut fi calculate matematic; acest lucru explică diferența dintre măsurătorile de altitudine GPS bazate pe elipsoide și altitudinile indicate pe hărțile topografice precise.
O scurtă examinare a măsurătorilor de altitudine pentru sediul Esri din Redlands, California, demonstrează aceste diferențe. Elevația campusului este indicată pe hărțile topografice quadrangulare și pe modelele digitale de elevație (DEM) de înaltă rezoluție pentru această zonă ca fiind de aproximativ 400 de metri deasupra MSL. Cu toate acestea, o citire GPS precisă și neajustată pentru aceeași locație indică de obicei o altitudine de 368 de metri.
Harta arată zonele de pe glob care ar avea un nivel al mării sub suprafața teoretică a elipsoidului WGS84, sau nivelul teoretic și geometric corect al mării (indicat în albastru). Contrastul puternic dintre albastru și verde indică locul în care se intersectează elipsoidul și geoidul. Cu continentele afișate ca fiind opace, zona rămasă acoperită de apă dezvăluie unde nivelul mării se află de fapt la cota zero în raport cu elipsoidul WGS84.
De ce există o diferență de 32 de metri? Receptorul GPS utilizează un nivel teoretic al mării estimat de un elipsoid al Sistemului Geodezic Mondial (WGS84), care nu urmărește perfect MSL teoretic. MSL, aproximat de un elipsoid, este legat de gravitație sau de centrul de masă al Pământului. Discrepanțele dintre un elipsoid WGS84 și geoid variază în funcție de locație. Pentru a continua cu acest exemplu, citirile de altitudine pentru Yucaipa, un oraș situat la mai puțin de 16 km est de Redlands, diferă cu 31,5 metri.
Continuare în pagina 2
.