原标题：测量珠峰的新高度背后的物理精神及实用价值
投稿来源：方礼勇
2020年12月8日，中国、尼泊尔两国向全世界正式宣布，珠穆朗玛峰的最新高程为8848.86米！对比之下，此前一次（2005年）的测量数据是8844.43米。
仅仅15年之间，珠穆朗玛峰长出了接近两个姚明的高度，这是为什么呢？珠峰测量采用了哪些原理、新技术和新概念呢？测量珠穆朗玛峰高度有什么实用价值？对我们个人有什么影响呢？本文从物理原理和精神的角度，解释这次测量以及蕴含的价值。
01
测量山高的原理
要测量一个人的身高，我们通常用尺子就能做到。要测量一座高楼的高度，我们可以从楼顶上垂下绳子，然后测量绳子的长度。或者数楼层，或者数楼梯，再分别测量单层楼或单阶楼梯的高度，做个算术运算就行。
但要测量山的高度，下垂绳子的方法就不行了。但我们可以设想，从海平面开始，建一条单阶高度相等的台阶，直通到高山的山顶，这样，从海边开始往高山走，边走边数台阶的数量，就可以算出山的高度。细心的你会说，台阶的每个高度不一样啊，不能直接数台阶，怎么办呢？那就用笨的方法，测量每一个台阶的高度，编上号，然后一个不漏地加起来，就得出山的高度了。当然，更细心的你会说，到山峰之前，台阶有起伏，有一些台阶是走下坡的。那我们就把这些台阶的高度记为负数，这样，累加起来的结果就不会出差错了。
你会继续疑问，珠穆朗玛峰离海边那么远，怎么可能修这么长的台阶呢？其实，有一些事情只要弄明白原理了，如果没有其它更好的办法，就只能老老实实地干，不能偷懒。要测量珠穆朗玛峰的高度，经典的方法就是用修台阶的办法，从海边一直修到山顶。这个办法叫水准测量。测量科学家们按照30米或50米的水平相等间距，竖立测量杆替代台阶，一段接着一段连续测量下去。
所以，为了测量珠穆朗玛峰的高度，从海边到珠穆朗玛峰的山顶，需要修建数以百万计的“台阶”，毫无疑问，这是巨大的工程，一点也不比修建长城的工程小。当然，这些台阶是数字的，无需用推土机、挖掘机挖出实际的台阶。测量科学家们先划分等距离测量段，带着测量仪器走到其中一个测量段的中间位置，测量并记录前后测量杆之间的位置高差，然后走到下一个测量段测量。如此一个挨一个地测量、记录下去。
02
测量山高的三种方法
这次测量珠穆朗玛峰高程，用了三种测量方法：水准测量、全球导航卫星系统测量、重力测量。
上面讲的台阶法测量是经典的方法，叫水准测量。大家可能经常见到城市里有测量科学家低头看一个水准仪，水准仪瞄准几十米开外一根测量杆，杆上标着厘米刻度。现在的水准仪都采用了激光技术，能够发出激光束，打到测量杆上，测量杆上的厘米刻度也变成了条形码，这样，水准仪直接读数并记录下来。然后再测量另外一侧的测量杆，两者相减即为高度差。
沿着向山顶方向的测量中，遇到一些地方上不去咋办呢？比如到了珠峰周边，有一些地方或者是悬崖，或者是被冰雪覆盖，或者是容易发生雪崩。其实没有其它办法，没有人上不去的山。遇到这种困境，就研究技术解决方案，如发明新的登山工具，减轻设备的重量、增加测量科学家的体能和营养食品、研发长距离测距等，如果直升机能够把人和设备送过去当然更好，总之要实现最终目标。这就是科学的精神，不达目的誓不罢休。对珠峰而言，海拔5600米以上，则采用了6点交会测量的技术，这时候在珠峰上立一个觇标，六点交会测量，得出觇标的高程，减去觇标的高度，就得到了实际高程。
现代技术升级的方向是尽量遵循物理原则，利用物理原理不断找出替代性方法。随着物理科技和信息科技的进步，测量位置和高度的方法不止挖台阶这一种方法。这次珠峰测高采用的新方法之一是利用全球导航卫星系统（GNSS）。
GNSS是我们智能手机中已经普及了的技术。装载在手机中的地图导航能够实时显示我们所在的位置以及到达某地的路线，这些位置信息包括了相对位置，比如从北京火车站到北京机场的距离；也包括了绝对位置，如位置的经纬度，进而提供了该位置的海拔高度。这样，利用天上的卫星，在山顶上拿着卫星信号接收器，也能测量出来珠穆朗玛峰的高度。导航卫星系统的原理是基于电磁学原理，利用无线电波，通过卫星和地面的接收器之间的通讯，测量出接收器的位置。天上的卫星各自发射无线电波，接受器接收到每个电波的信息。无线电的速度和光速一样，每秒30万公里，通过计算传播时间，结合其它参照数据，就能得到接收器的位置信息，换算后得到海拔信息。
珠峰测高中采用的另一种新技术是重力测量。
重力测量是利用万有引力定律原理，通过重力仪进行测量，重力仪测量重力加速度。在地球上的不同位置，重力加速度是变化的，离地面越近，则加速度越大；离地面越远（也就是山越高），重力加速度越小。这样，重力加速度的变化就能换算成高程的变化，等于测量出了山的海拔高度。这次，科学家们带了更高精度的重力仪到了珠穆朗玛峰的山顶，记录下山顶的重力参数数据，用于高程换算。
03
珠峰测量的科学性和精度
上面讲的是测量珠峰高度的原理和方法，这些内容帮助我们理解那些抽象的词汇。在实际测量时，则需要考虑测量的科学性和精度。在这几天的科普文章中，有些关键概念被搞混了，如高程和基准点。
从科学性上讲，测量出的珠峰高度要满足科学界对山高的概念和规范。比如，过去我们会讲海拔高度，但这次我们用了“高程”这个新的高度词汇，这个词汇本身是由一套测量概念和过程定义的，通过这套概念和过程，才能准确定义“高程”。其中，我们需要了解重力学理论，知道地心是怎么定义的，引力线是怎么定义的，否则我们可能测歪了。接着，我们需要知道高程相对的起算点是怎么定义的，这被称为大地水准零点。在2005年的那次测量，我们采用的是基于黄海海平面的国家高程基准，这个点在青岛。但在这次测量中，我们为了进一步和国际标准接轨，采用了全球高程基准。
然后是对“高程”的具体约定。在山顶上，由于峰顶被冰雪覆盖，我们发布的珠峰高度实际上是雪面的高程。那么，还存在另外一个高度：岩石面的高度。为此，需要测量覆盖在岩石上冰雪的厚度，将雪面高程数据减去这个厚度就得出岩面高程数据。但珠峰的冰雪非常硬，在1975年测量的时候，科学家只能用冰镐使劲挖进去，只挖进了92厘米。2005年测量的冰雪厚度是3.5米，宣布的数据是岩面海拔高度，所以这个数据比新数据小很多。这次测量升级了新技术——雪深雷达，它采用了和发现潜艇的雷达的同一种技术：通过发射无线电波，测量电波在雪地交界面的反射波，计算出冰雪的厚度。当然，这个冰雪厚度是随时间变化的，但只要我们基于相同的约定，它的意思是清晰的。
在重力测量方面，我们也需要建立基准进行校准。
一方面，和水准测量台阶法类似，重力测量也是采用逐步测量法。沿途利用导航卫星系统定位，每隔固定间距（如五百米）进行一次测量。另外，需要对整个区域进行重力测量，以便进行区域引力校准。但对珠峰地区内的所有区域进行逐点测量的成本太高，为此，这次采用了航空重力测量方法，即把重力仪放在飞机上，通过导航卫星系统导航和激光测距，在空中对飞行区域进行测量，这次测量了1万多平方公里。航空重力测量技术和飞机雷达类似，但由于引力的能量比电磁力小10的37次方，因此，飞机的颠簸对测量精度影响极大。为此，引进了惯性导航技术来减轻飞机电波和噪音产生的干扰，通过激光测距来提高精度。航空重力的引入，将测量的精度提高了三倍，测量误差由原来的15厘米减小到5厘米。
同样，在采用全球导航卫星系统（GNSS）进行测量时，为了相互校验，一方面要增加卫星的数量，至少用3颗卫星定位以减少误差；另一方面，这次测量采用了多个系统联合测量的方式，如美国的GPS、俄国的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及日本、欧洲等相关的增强系统，将测量精度控制到了1、2厘米之内，这个精度比上次测量提高了一倍多。
正因为如此，本次测量采集了多达1T的数据。实地测量工作在5月份完成，花了数月的大数据分析和研判，才得出现在的结果。
04
珠峰测量的科学、技术和实用价值
这样，我们就知道了珠峰“长高”的原因，这一方面是由于两次测量之间地质环境的变化，改变了基准面，并增加了雪地高度；另一方面是此次测量的科学性、可靠性、创新性，都达到一个新高度。那么本次测量的意义还有哪些？有没有实用价值呢？
首先从科学发现的角度，这次测量对认识喜马拉雅山的区域地质运动非常有好处。比如我们了解到珠峰每年整体上向长春和北京方向移动，每年移动速率是3厘米左右；在垂直运动方向，珠峰整个地区每年隆升4毫米左右。
其次，从实用性上，关于珠峰地区的地形、构造等新知识，对于预测地震有直接好处。同时，这些知识增加了我们对我国珠峰地区地形、构造、植被、气象等情况的理解和掌控，我们能够更容易地进入这些“无人区”，现场观测、开发和保护。
同时，这些高端技术既可以推进到农业、林业、矿产研究等领域，也可以用在民间登山、户外运动等领域，拓展体育爱好者的探险空间，为全民健身提供专业级的知识和装备。
第三，从技术创新的角度，这次测量采用了大量黑科技：全球导航卫星系统、雪深雷达、重力仪、电子水准仪、激光雷达、惯性导航、交会测量、大数据分析等等，这些技术在名字上不算新，但有一些技术是第一次用在地质、地形测量领域并进行了技术升级。综合利用这些现代科学技术，提高了测量的效率和精度，从而提升了我国的测绘水平。
第四，研发这些精密测量设备带来了我国高端制造的升级。测量的精度标准提得越高，对制造的要求就越高，因此，科学研究要求的精密化测量刺激了高端制造的升级需求。
在这次测量过程中，北斗导航卫星系统、重力仪、雪深雷达、超长距离测距仪设备和技术等都是自主研发的，这一方面加快了我国测绘领域设备制造业的进步，另一方面这些新精度的技术可以用在其它制造领域，提升中国制造的整体水平。
第五，这次珠峰测量体现了物理精神的奥秘——测量精度的提升总是能够带来科学新发现、制造技术新进步、文明新知识和文化自豪感，基础研究和实用之间的相互促进关系得到进一步验证，是物理精神的一次伟大胜利，是物理精神的发扬光大。返回搜狐，查看更多
责任编辑：
