國家測繪局在2005年暨我國首次精密測量珠峰高程30周年之際，與西藏登山隊合作，再次成功測量了珠穆朗瑪峰。精確測得的珠峰海拔高程8844.43米，測量精度0.21米，峰頂雪深3.50米。對于這個新高度，也許人們心中還留有一連串的疑問。
2005年5月22日11時08分～12時20分，我國登山測量隊攜帶精密測量設(shè)備成功地登上珠穆朗瑪峰頂。測量隊員在珠峰頂架設(shè)了三角測量覘標、激光測距反射棱鏡，在峰頂利用雪深探測雷達觀測了39分鐘，完成了峰頂覆雪厚度的測量;利用GPS全球定位技術(shù)完成了36分鐘空間定位觀測，在平均海拔5562米的6個觀測站，完成了兩天三角測距觀測，最近測站距峰頂10171米，獲得了珠峰頂三維空間坐標;為了推算峰頂重力值，重力梯度觀測沿登山路線推進至距珠峰1.9千米的7695米高。珠峰峰頂測量采用了多種可相互獨立驗證的測量技術(shù)，成功地獲得了完全來自峰頂?shù)挠^測數(shù)據(jù)，是珠峰高度有史以來最為精確的測量。(參見2005年第10期《給世界之巔再量身》)
大山的由來
地球的外殼是由許多塊大大小小的地殼拼合而成，而我們崇拜的名山大川就成長在這漂浮地殼的邊緣上—斷裂帶、山脊帶。常識告訴我們，山是因水流切割而成的，這只是人們坐井觀天的結(jié)論，其實，山的形態(tài)早就在地殼構(gòu)建開始的時刻已筑成型，山脈與海嶺沿著那綿延的板塊縫隙“破殼而出”。山永遠在那里，引導我們用生命與心血去探索世界最高峰的奧秘。
山峰的形成可歸納為三種。第一種是因火山噴發(fā)而成的，它由致密結(jié)晶狀的玄武巖或花崗巖構(gòu)成，仔細觀察，其山體由形狀為四棱或五棱柱體或多面錐體的巨大巖晶聚合而成，形狀怪異，在蒼茫的大山中通常位于群峰簇擁的中間，它以神奇的力量將地殼塊體推向兩側(cè)形成衛(wèi)峰。衛(wèi)峰有如相互依靠的多米諾骨牌，疊壓簇擁在火成的山體兩側(cè)，每塊骨牌就是側(cè)峰或稱“衛(wèi)峰”。如果你有機會飛越天山南北，就能體會到這奇異的造型。第二種是立于兩側(cè)的山峰，像骨牌一樣都背向分明(地質(zhì)上稱作“巖層的向斜或背斜”，表達一個山體的兩個面);每個衛(wèi)峰的山體按照地殼冷卻收縮時龜裂的紋理，像干枯的湖底裂紋一樣形成一座座有著多于三條棱脊的山體，棱脊的交匯點就是地殼山體上的峰頂。山體以這些不同方向的山脊為邊緣，以最穩(wěn)定的勢能規(guī)律緊湊地拼合在一起，均衡地漂浮在巖漿之上。第三種山是沒有能力徹底完成前兩種造山運動過程，但卻因巖漿活動而形成的山，人們稱之為“喀斯特地貌”，因其巖溶地貌而得名。近看這些山峰，每個都圓圓的像饅頭似的。幾乎山山有洞，洞中的暗河有如火山的地下溶巖通道。從遠處看，五六個這樣的“饅頭”圍成一個圈子;從飛機上看，圈子中間是個隱蔽的盆地，也許這里就是傳說中的世外桃源;從高空俯瞰，饅頭狀山峰有規(guī)律地匯聚成黑黑的一大片，圈狀的分布就像鐵鍋中沸騰的冒著氣泡的糖漿，還像葵花盤狀的馬蜂窩，這里的巖石都是沉積巖經(jīng)過高溫高壓后變質(zhì)的石灰?guī)r石，而其形態(tài)變成了饅頭狀，在高溫高壓下，化學性質(zhì)發(fā)生了變化，使海洋中沉淀的鹽堿分解蒸發(fā)。變質(zhì)的巖石沒有鹽堿，為寄生其上的植物提供了良好的生存環(huán)境，因此植被繁盛。
定義珠穆朗瑪峰
登山家們?yōu)樯椒迦绱硕x：一座獨立的山峰必須滿足每側(cè)山脊鞍部到獨立峰頂?shù)母卟畲笥?00米。位于喜馬拉雅弧上的14座8000米以上的山峰都是這樣篩選出來的，其周邊滿足不了條件的山頭雖然很多都高于8000米，但卻只能被稱作“衛(wèi)峰”。地球由巖石圈、生物圈、社會圈、水圈、大氣圈五大圈層構(gòu)成，由太陽與月球共同驅(qū)動，形成我們的地球系統(tǒng)。珠穆朗瑪峰從巖石圈中崛起，形態(tài)呈三棱金字塔體，其中南山脊與西北山脊為國界線，東南山脊屬中國獨有，其北面與西南面為陡峭的向斜面，這兩側(cè)的山體表面上，冰雪無法留存;東南面為稍平緩的背斜面，這里終年冰雪覆蓋，一直延伸到珠峰頂部，峰頂?shù)难┟本褪侵榉灞ǖ淖罡咴搭^。珠峰頂部覆蓋的冰雪來自于大氣圈，又位于冰川源頭，實屬水圈部分。按照地球科學的分類，山的高度應該去掉覆蓋在其上的冰雪。
現(xiàn)實意義導致反復測量
當你站在印度平原，有人問珠穆朗瑪峰身在何處時，該如何與他交流呢?最簡單科學的辦法就是告訴他珠峰在地球上的坐標位置這樣簡潔并可與眾多屬性直接相關(guān)的數(shù)據(jù)。當越來越多的勇士探索充滿危險的世界時，地圖繪制行業(yè)越來越關(guān)乎生命安全。當1915年持久號海船在南極陷入困境斷裂時，全體船員面臨的最大危險不是時速200英里的大風與零下50℃的低溫，而是不知道返回的航線;當?shù)巧秸吆谋M最后的力氣登上珠穆朗瑪峰時，首先想到的是如何返回以及在下山途中不迷失方向，并能夠迅速地找到能為他們提供安全、溫暖、飲水、食品的最近營地;當你遇險呼救時，該如何告知救援者你的位置?珠峰精確位置的測定是珠峰高度測量的基礎(chǔ)。
18～19世紀，人們開始認識到地球是個球體，英國、法國、德國為了勘查國土和他們的殖民地國家的區(qū)域面積，開始了長達半個世紀的大弧測量工作，也就是現(xiàn)在所稱的大地測量,主要目標就是確定大城市間、地界點間的距離方位，并把這些數(shù)據(jù)插入到地圖中去。因此面臨的最大問題就是把地球表面三維的數(shù)據(jù)拼湊到二維地圖中的挑戰(zhàn)，數(shù)學家高斯試圖要用一張平面的禮品包裝紙，解決包住一個圓球所面臨的困惑。他把包裝紙裁剪成小方塊貼在圓球上，因此創(chuàng)造了微分幾何學，成為了微積分的發(fā)明始祖。地球到底有多大呢?如何來為地球上的萬物位置提供一個能用數(shù)學表達的參照體呢?為此，必須測量出最近似的地球大小的利于數(shù)學計算的參照橢球。這期間，時任印度測量局局長的埃非勒士(Everest)指揮安德魯·沃爾夫的測量大隊在印度平原沿著喜馬拉雅弧開展了大弧測量工作，丈量地球大小，下命令要求觀測喜馬拉雅山脊上的每座雪峰，測量它們的位置、高度。珠穆朗瑪峰成為世界最高峰就是在1847年被發(fā)現(xiàn)的，觀測站的距離距珠峰322千米，測站高度70米，珠峰高程8778米。
從1847年至今，珠穆朗瑪峰高度的求證已經(jīng)歷了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。為什么每一次測量的珠峰高度都有所不同呢?影響高度測量的因素包括哪些呢?
測量珠峰高度的誤差理論
由于地球是個橢球形狀，這種超遠距離的平面幾何觀測無法準確獲得珠峰的位置并構(gòu)成真實的球面三角形，同時，觀測峰頂視線也隨著高度的上升發(fā)生著劇烈彎曲，觀測的角度在三維空間發(fā)生扭曲變形，無法將遠方的目標嚴格地沿法線歸算到橢球。由于不知道珠峰自上而下沿重力方向的垂線方向，也無法準確地獲取物理高程—海拔高程。珠峰高程測量與定位，并不是人們想象如利用兩根木棍構(gòu)成直角三角形測距那么簡單，只要我們遠離珠峰，就必須在彎曲變異的時空環(huán)境中解決問題，包括數(shù)學與物理學的十分復雜的解析過程。200年來，人類不斷求證珠峰的過程，是人類認識自然、追求真理的過程，從某種意義上說也是求證科技水平的實際高度。
見證珠峰高程的測量歷史過程體現(xiàn)了數(shù)學、物理學、觀測技術(shù)的不斷發(fā)展完善。測量珠峰高程的歷史就是一部測繪理論技術(shù)發(fā)展完善的歷史。
利用大地測量技術(shù)要實現(xiàn)的目標就是準確地觀測出珠峰的地理坐標位置與高度，所有觀測成果的處理必須在與地球真實大小最接近的參考橢球面所形成球面數(shù)學模型上展開。珠峰的海拔高程是珠峰頂點沿垂線方向到平均海面的高差，因此，所有的各種觀測數(shù)據(jù)必須經(jīng)過垂線偏差改正。首先參照標準橢球完成珠峰的坐標位置歸算與相對橢球表面該位置的法線高度計算，然后再沿觀測出的垂線方向歸算到珠峰下的平均海水面，并求得海拔高程。
采用傳統(tǒng)方法觀測珠峰最大的好處是不必登上峰頂測量(精度不高)，但關(guān)鍵問題是要消除誤差，提高觀測精度。觀測誤差來自與距離成正比關(guān)系的高度角測量，垂線偏差、大氣折光測量誤差、與高差成正比的水平距離觀測誤差。因此，要求在珠峰頂設(shè)立覘標與定位儀是精確測定水平距離與相對高差的前提;盡可能縮短起算點到珠峰的距離，抬升起算點的觀測高度是提高傳統(tǒng)觀測精度的方法，直到在峰頂直接觀測空間坐標位置是最精確的辦法。
1975年以前的歷次觀測均是從遠距離交會山頭(從兩個以上的已知坐標高度的起算點，通過角度測量的方法建立交會珠峰的球面三角形)，但珠峰山頭呈三面錐體狀，頂部面積3×9米，從珠峰下面的控制網(wǎng)，采用三角方法觀測山頭勢必從不同的方向瞄準珠峰頂?shù)奈恢貌煌虼藥磔^大的觀測誤差。1975年首次在珠峰頂部設(shè)立了覘標，實現(xiàn)了觀測視線收斂于相同的測量覘標，觀測精度隨之提高。
角度觀測精度直接影響珠峰測高精度
每個人都有這樣的經(jīng)驗，把一根筷子放入裝滿水的玻璃杯時，會發(fā)現(xiàn)筷子是彎曲的，這是光線在穿過不同密度的物質(zhì)時發(fā)生折射的緣故。同樣的道理，光線從宇宙中射入濃密的大氣層時光線同樣會發(fā)生彎曲。利用激光測量距離時，也會因空氣密度的增加使激光的波長變小。在珠峰下的觀測站與珠峰頂高差會達到近3000米，隨著高度的下降，空氣的密度逐漸增加，光線也會因此產(chǎn)生彎曲，這會使我們的測量視線產(chǎn)生錯覺，觀測出的高度角會大于實際的角度。當我們從多個控制網(wǎng)起算交會點觀測珠峰峰頂時，必須對觀測的角度進行遮光的修正，角度觀測的精度與大氣折光系數(shù)成正比。這就是為什么要在三角測量交會期間，不停地釋放探空氣球，測量不同高度的溫度、濕度、氣壓，獲得測站到珠峰間的大氣密度。觀測出準確的角度與距離關(guān)系，并在參考橢球表面構(gòu)成準確的球面三角形，才能精確測定峰頂?shù)綔y站間球面距離與相對高差。另外，角度的精確測量十分重要。如果觀測站離珠峰越遠，測站觀測珠峰的仰角誤差就會隨距離的遠近正比放大縮小，珠峰位置與高度確定精度就越低;其帶來的角度測量誤差，會直接影響到球面三角形真實形狀，使珠峰相對起算點的距離不準確，當以球面距離為基準抬升高度角測量高差時，就會將水平距離的誤差傳遞到高度方向。觀測站離珠峰越近，測站位置越高，珠峰兩個測站的頂角張開得越大，珠峰高程的觀測精度就會提高。
由于地球的形狀接近橢圓，當珠峰起算觀測站以垂線方向為準觀測珠峰頂部覘標時，這兩點相對于地球質(zhì)心垂線方向是不平行的與地心相交，同時珠峰頂點相對于參考橢球的法線與相對質(zhì)心方向的垂線是存在夾角的，這種夾角我們稱作“垂線偏差”。假設(shè)我們站在海邊，以垂線為準，觀測遠處露出海面船桅頂部時，可能觀測的仰角為零，如果計算船高度就會是零米。是什么引起差錯?這就是觀測點與目標點間的垂線實際是不平行引起的，加入垂線偏差后就能獲得真實的船高。珠峰距離我們觀測站很遠，測量它的高度時，必須要考慮地球橢球與其垂線方向的影響。
觀測的首要任務是準確測量出珠峰覘標相對起算控制點的準確位置，珠峰位置的確定是通過觀測水平角度來實現(xiàn)的;珠峰高度是以獲得準確位置為前提的，觀測垂直角并經(jīng)過折光改正后，再經(jīng)過垂線偏差修正，就可將各種測角觀測值歸算到參考橢球的數(shù)學模型上，實現(xiàn)準確的相對參考橢球的高差計算。2005年珠峰測量所采用的傳統(tǒng)三角測量法中不僅縮短了起算點到珠峰的距離，抬升了起算點的觀測高度，還采用GPS技術(shù)直接在峰頂觀測相對參考橢球面的法線高，實現(xiàn)了峰頂最精確的直接觀測。印度歷次的珠峰觀測，距離珠峰很遠，視線高差大，加上折光系數(shù)探測不精確，因此產(chǎn)生了較大的誤差。
尋找珠峰腳下的大地水準面
8844.43米為珠峰海拔高程，即珠峰頂部巖石面沿垂線方向到大地水準面的高度。當通過觀測獲得了相對參考橢球法線高度后，再尋找珠峰下的海水面相對于參考橢球模型表面的高度是珠峰測量的重要工作。所謂大地水準面是參照海水面勢能為零定義的封閉曲面，在這個水準面上，連一滴水都不會流動�？茖W家通過計算零勢能等位面相對于參考橢球面的差值來描述大地水準面;由于地球內(nèi)部物質(zhì)分布并不均勻，因此相對橢球面的大地水準面起伏不平，大地水準面全球范圍內(nèi)起伏可達100米左右，只有獲得大地水準面在珠峰腳下的真實形態(tài)，才能準確獲得珠峰高度。由于珠峰地區(qū)的地理與地質(zhì)環(huán)境變化復雜，地形起伏巨大，相對高差達到了3600米，導致重力場、水準面、垂線的復雜變化，而珠峰高程與這些元素密切相關(guān)，必須綜合利用珠峰地區(qū)GPS、天文、重力、水準、三角的觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)大地高—正常高—海拔高的歸算，這是一項復雜的科學計算過程。如果從青島原點通過水準測量高差的方法來觀測珠峰海拔高度，就必須依照勢能累計的方法。其物理含義為水準傳遞的路線上因地區(qū)的差異，重力值不同，當兩個相鄰的等位面的勢能差相同，則意味著所對應的高差因傳遞路線重力變化而不一樣。當我們遠距離地觀測珠峰高度時，必須知道高程傳遞路線上的重力變化數(shù)據(jù)及珠峰頂部的重力值，才能計算出珠峰的海拔高。
除了1975年與2005年的珠峰測量進行了海拔高程的精確劃算，印度、美國、意大利等國的多次測量均未作嚴格的高程歸算，他們的測量結(jié)果自然不夠準確。2005年實測的高程異常為-25.199米，大地水準面高-26.466米，精度±0.09米。
提高雷達的測深精度
既然峰頂?shù)谋┖穸仍诓粩嘧兓�，要準確測量出珠峰巖石面高度，則必須觀測珠峰頂?shù)谋┖穸�，需要將雷達帶上峰頂，測量覆雪的深度，確定峰頂巖石的高度，這是2005年測量珠峰的重要任務。測量的原理是測量出雷達波從發(fā)射到返回的時間，并乘以雷達波在冰雪中傳播的速度。關(guān)鍵的問題是要測量出準確的傳播速度。在珠峰頂完成這項精細的工作幾乎是不可能的，為此我們需要選擇與珠峰冰雪環(huán)境十分近似的實驗地區(qū)。在7028北坳，登山運動員說這里的雪冰與珠峰頂十分類似，其冰雪過程與珠峰幾乎同步，我們決定在這里展開雷達傳播速度的測定。隊員們挖開覆雪，打入冰錐，測量好實際的距離深度后，用雷達開始掃描冰雪中的金屬桿，通過反射回來的時間與標定的距離獲得雷達波在冰雪中的傳播速度。分析后發(fā)現(xiàn)，北坳冰雪中雷達波傳播速度23萬千米/秒，比教科書中提供的17萬千米/秒要大很多，這對雷達測深的影響較大。2004年意大利的峰頂雷達觀測，由于沒有實測雷達波在冰雪中的傳播速度等因素，其高程精度存在較大誤差，數(shù)據(jù)并不可靠。
如果在珠峰頂部尋找到巖石地形的高點，必須要解決巖石地形與雪面地形一一對應的難題。根據(jù)巖石的走向與風向判斷，在珠峰頂部，雪面的最高點與巖石的最高點不一定對應，珠峰巖石最高點可能在雪面最高點的西側(cè)。這就要求測量巖石高度的同時，要測量出同一點的雪面高度，使雪面的高度與巖石的高度一一對應。為解決這一難題，我們利用了信號時間匹配原理。在峰頂測量的過程中，將GPS接收機與雪深雷達組合在一起，保證雷達與GPS的天線相位中心同軸，將一個標記觸發(fā)器分別接入雷達與GPS接收機，這樣，在按動標記鍵時在GPS中標記了準確的原子時間，同時在雷達中標記了該時刻的測深值，由于雷達每秒發(fā)射的電磁波的次數(shù)是固定的，這樣通過時間的匹配，就能夠獲得每次雷達波測量出的深度與其該時刻的空間位置，使測量的深度觀測值與雪面位置得到對應，這樣就獲得了一一對應的巖石地形與雪面地形。
全球變暖會使珠峰雪面高度走低嗎?
全球變暖對珠峰高度而言，不降反升。全球變暖意味著大量水汽的蒸發(fā)，峰頂?shù)慕笛⿻�，如果按照每百米氣溫下�?.8℃(珠峰地區(qū)氣球探空資料測量值)計算，8800米的高度在最盛夏的季節(jié)，峰頂?shù)臏囟纫矔?12℃左右，因此，峰頂?shù)姆e雪會越來越厚，如果峰頂?shù)母惭┎幌禄脑�，就會無休止地升高。珠峰的雪面高度所以能夠維持在3米左右的變化幅度，完全是峰頂冰雪不定期地滑落，并再補充堆積冰雪的緣故。即使在5800米的東絨布冰川塔林的頂部，盛夏時節(jié)的溫度也會在-5℃以下，全球變暖意味著大量的冰雪補充，冰川理應越來越長，用全球變暖來解釋冰川塔林的退縮，理由不充分。合理的解釋應是與太陽黑子爆發(fā)相關(guān)，太陽黑子活躍期，地球接受的輻射多，蒸發(fā)的水汽就會多，冰川的補充就會強烈;太陽黑子活動小，蒸發(fā)的水汽少，冰川的補充就小，加上自然的溶解就會引起冰川的退縮。太陽上的“黑子蝴蝶”每扇動一次翅膀，地球就會顫抖地旋轉(zhuǎn)12年，珠峰的冰川也會跟著增長變短，這是個長期的周期性的變化過程。
劇烈的地殼運動托舉珠峰升高
青藏高原一直處于隆升狀態(tài)，國家三期水準網(wǎng)監(jiān)測的結(jié)果表明，雅魯藏布江沿線每年抬升速率10毫米，相對于雅魯藏布江的喜馬拉雅山主峰珠穆朗瑪又是一種怎樣的變化趨勢呢?變化的量級又是多少呢?處在兩個板塊碰撞邊緣的喜馬拉雅相對壓縮的速度是多少呢?通過分析1998年與1992年兩期測量的GPS數(shù)據(jù)和水準資料，分析1998～1999年在珠峰山脊上南坳觀測點的GPS監(jiān)測資料，得到如下的珠峰變化量值：
珠峰每年抬升速率為18毫米，每年向東北74°方位角水平移動48毫米，在山腳下的卡拉帕德點每年上升22毫米，每年向北偏東移動45毫米，方位角29°，珠峰金字塔山體呈逆時針左旋東北向前進，其山體形態(tài)似乎可與之對應起來。
距珠峰北側(cè)20公里的鄰近地區(qū)，6年來相對定日上升了16毫米，平均每年上升2.7毫米，加上定日地區(qū)每年10毫米的抬升速度，珠峰鄰近地區(qū)的抬升速度達每年12.7毫米。
利用GPS網(wǎng)的監(jiān)測資料分析，6年來從珠峰大本營到定加2縮短了14毫米，每年縮短2.3毫米。從定日到珠峰的水準路線跨過兩山兩谷，從垂直形變圖表中還可以看出山谷與山脊的垂直變化的相對趨勢，山谷相對于山脊的垂直變化相對下降，山脊相對于山谷的垂直變化相對上升，垂直變化越靠近珠峰垂直上升的速度越大，接近珠峰山腳時下降，可能為珠峰重壓所至。另外在交古拉山口(5170米)垂直形變相對下沉劇烈，在這里的巖石斷層扭成了麻花狀，是個地質(zhì)變化極為錯綜復雜的區(qū)域，其原因有待揭示。
珠峰地區(qū)垂直形變與水平運動劇烈，測量珠峰的基準必須要全面更新后方可作為起算點，用于珠峰高程的測量工作。根據(jù)目前的測量推算，100年后的珠峰會上升2米左右，位置將向東北方向移動5米。這種變化會進一步影響到我們?nèi)司迎h(huán)境的變化。
風化剝蝕作用
冰川中夾雜著許多石頭，這些石頭是冰川從高山上下滑時從山體的表層拖拽下來的，當冰川融解后，這些石頭就均勻覆蓋在冰川基底上。高山上的冰雪被白天熾烈的陽光融化時，會滲入到巖石的解理縫隙中，陽光消失后，將石縫中的溶水重新結(jié)成冰，水結(jié)成冰的過程中在冰縫中膨脹，這是種巨大的力量，將巖石按照其形成時的結(jié)晶解理形態(tài)解體。珠峰地區(qū)的巖石風化作用是相當強烈的，風化后的礫石沿山體的形態(tài)下滑會聚，也能形成型冰川形態(tài)類似的石頭流，每個獨立的礫石大小與形態(tài)都十分相似，匯集在冰川的邊緣，由移動的冰川帶出。珠峰頂部的巖石同樣要面對強烈的冰雪剝蝕作用，雖然峰頂巖石被冰雪覆蓋著，但是冰雪在積累到臨界的重量時會滑落，附著在峰頂上的冰雪會將巖石剝離后拖拽下來。這種剝蝕過程將削低峰頂?shù)膸r石高度。如果珠峰山體地殼抬升速度超過巖石剝蝕速度，珠峰將處于抬升狀態(tài)。
珠穆朗瑪峰高度變化的研究包含了自然界中許多奇妙的自然現(xiàn)象，測量的高程值的降低并不意味著珠峰變矮了，只能說更精確了。實際上，從相關(guān)的測量得知，珠峰仍在隆升，青藏高原仍在成長并仍在影響著我們的生存環(huán)境。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.douzifanli.com/chuzhong/512089.html
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