測量珠峰的新高度背後的物理精神及實用價值

投稿來源：方禮勇

2020年12月8日，中國、尼泊爾兩國向全世界正式宣布，珠穆朗瑪峰的最新高程為8848.86米！對比之下，此前一次（2005年）的測量數據是8844.43米。

僅僅15年之間，珠穆朗瑪峰長出了接近兩個姚明的高度，這是為什麼呢？珠峰測量採用了哪些原理、新技術和新概念呢？測量珠穆朗瑪峰高度有什麼實用價值？對我們個人有什麼影響呢？本文從物理原理和精神的角度，解釋這次測量以及蘊含的價值。

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測量山高的原理

要測量一個人的身高，我們通常用尺子就能做到。要測量一座高樓的高度，我們可以從樓頂上垂下繩子，然後測量繩子的長度。或者數樓層，或者數樓梯，再分別測量單層樓或單階樓梯的高度，做個算術運算就行。

但要測量山的高度，下垂繩子的方法就不行了。但我們可以設想，從海平面開始，建一條單階高度相等的臺階，直通到高山的山頂，這樣，從海邊開始往高山走，邊走邊數臺階的數量，就可以算出山的高度。細心的你會說，臺階的每個高度不一樣啊，不能直接數臺階，怎麼辦呢？那就用笨的方法，測量每一個臺階的高度，編上號，然後一個不漏地加起來，就得出山的高度了。當然，更細心的你會說，到山峰之前，臺階有起伏，有一些臺階是走下坡的。那我們就把這些臺階的高度記為負數，這樣，累加起來的結果就不會出差錯了。

你會繼續疑問，珠穆朗瑪峰離海邊那麼遠，怎麼可能修這麼長的臺階呢？其實，有一些事情只要弄明白原理了，如果沒有其它更好的辦法，就只能老老實實地幹，不能偷懶。要測量珠穆朗瑪峰的高度，經典的方法就是用修臺階的辦法，從海邊一直修到山頂。這個辦法叫水準測量。測量科學家們按照30米或50米的水平相等間距，豎立測量杆替代臺階，一段接著一段連續測量下去。

所以，為了測量珠穆朗瑪峰的高度，從海邊到珠穆朗瑪峰的山頂，需要修建數以百萬計的「臺階」，毫無疑問，這是巨大的工程，一點也不比修建長城的工程小。當然，這些臺階是數字的，無需用推土機、挖掘機挖出實際的臺階。測量科學家們先劃分等距離測量段，帶著測量儀器走到其中一個測量段的中間位置，測量並記錄前後測量杆之間的位置高差，然後走到下一個測量段測量。如此一個挨一個地測量、記錄下去。

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測量山高的三種方法

這次測量珠穆朗瑪峰高程，用了三種測量方法：水準測量、全球導航衛星系統測量、重力測量。

上面講的臺階法測量是經典的方法，叫水準測量。大家可能經常見到城市裡有測量科學家低頭看一個水準儀，水準儀瞄準幾十米開外一根測量杆，杆上標著釐米刻度。現在的水準儀都採用了雷射技術，能夠發出雷射束，打到測量杆上，測量杆上的釐米刻度也變成了條形碼，這樣，水準儀直接讀數並記錄下來。然後再測量另外一側的測量杆，兩者相減即為高度差。

沿著向山頂方向的測量中，遇到一些地方上不去咋辦呢？比如到了珠峰周邊，有一些地方或者是懸崖，或者是被冰雪覆蓋，或者是容易發生雪崩。其實沒有其它辦法，沒有人上不去的山。遇到這種困境，就研究技術解決方案，如發明新的登山工具，減輕設備的重量、增加測量科學家的體能和營養食品、研髮長距離測距等，如果直升機能夠把人和設備送過去當然更好，總之要實現最終目標。這就是科學的精神，不達目的誓不罷休。對珠峰而言，海拔5600米以上，則採用了6點交會測量的技術，這時候在珠峰上立一個覘標，六點交會測量，得出覘標的高程，減去覘標的高度，就得到了實際高程。

現代技術升級的方向是儘量遵循物理原則，利用物理原理不斷找出替代性方法。隨著物理科技和信息科技的進步，測量位置和高度的方法不止挖臺階這一種方法。這次珠峰測高採用的新方法之一是利用全球導航衛星系統（GNSS）。

GNSS是我們智慧型手機中已經普及了的技術。裝載在手機中的地圖導航能夠實時顯示我們所在的位置以及到達某地的路線，這些位置信息包括了相對位置，比如從北京火車站到北京機場的距離；也包括了絕對位置，如位置的經緯度，進而提供了該位置的海拔高度。這樣，利用天上的衛星，在山頂上拿著衛星信號接收器，也能測量出來珠穆朗瑪峰的高度。導航衛星系統的原理是基於電磁學原理，利用無線電波，通過衛星和地面的接收器之間的通訊，測量出接收器的位置。天上的衛星各自發射無線電波，接受器接收到每個電波的信息。無線電的速度和光速一樣，每秒30萬公裡，通過計算傳播時間，結合其它參照數據，就能得到接收器的位置信息，換算後得到海拔信息。

珠峰測高中採用的另一種新技術是重力測量。

重力測量是利用萬有引力定律原理，通過重力儀進行測量，重力儀測量重力加速度。在地球上的不同位置，重力加速度是變化的，離地面越近，則加速度越大；離地面越遠（也就是山越高），重力加速度越小。這樣，重力加速度的變化就能換算成高程的變化，等於測量出了山的海拔高度。這次，科學家們帶了更高精度的重力儀到了珠穆朗瑪峰的山頂，記錄下山頂的重力參數數據，用於高程換算。

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珠峰測量的科學性和精度

上面講的是測量珠峰高度的原理和方法，這些內容幫助我們理解那些抽象的詞彙。在實際測量時，則需要考慮測量的科學性和精度。在這幾天的科普文章中，有些關鍵概念被搞混了，如高程和基準點。

從科學性上講，測量出的珠峰高度要滿足科學界對山高的概念和規範。比如，過去我們會講海拔高度，但這次我們用了「高程」這個新的高度詞彙，這個詞彙本身是由一套測量概念和過程定義的，通過這套概念和過程，才能準確定義「高程」。其中，我們需要了解重力學理論，知道地心是怎麼定義的，引力線是怎麼定義的，否則我們可能測歪了。接著，我們需要知道高程相對的起算點是怎麼定義的，這被稱為大地水準零點。在2005年的那次測量，我們採用的是基於黃海海平面的國家高程基準，這個點在青島。但在這次測量中，我們為了進一步和國際標準接軌，採用了全球高程基準。

然後是對「高程」的具體約定。在山頂上，由於峰頂被冰雪覆蓋，我們發布的珠峰高度實際上是雪面的高程。那麼，還存在另外一個高度：巖石面的高度。為此，需要測量覆蓋在巖石上冰雪的厚度，將雪面高程數據減去這個厚度就得出巖面高程數據。但珠峰的冰雪非常硬，在1975年測量的時候，科學家只能用冰鎬使勁挖進去，只挖進了92釐米。2005年測量的冰雪厚度是3.5米，宣布的數據是巖面海拔高度，所以這個數據比新數據小很多。這次測量升級了新技術——雪深雷達，它採用了和發現潛艇的雷達的同一種技術：通過發射無線電波，測量電波在雪地交界面的反射波，計算出冰雪的厚度。當然，這個冰雪厚度是隨時間變化的，但只要我們基於相同的約定，它的意思是清晰的。

在重力測量方面，我們也需要建立基準進行校準。

一方面，和水準測量臺階法類似，重力測量也是採用逐步測量法。沿途利用導航衛星系統定位，每隔固定間距（如五百米）進行一次測量。另外，需要對整個區域進行重力測量，以便進行區域引力校準。但對珠峰地區內的所有區域進行逐點測量的成本太高，為此，這次採用了航空重力測量方法，即把重力儀放在飛機上，通過導航衛星系統導航和雷射測距，在空中對飛行區域進行測量，這次測量了1萬多平方公裡。航空重力測量技術和飛機雷達類似，但由於引力的能量比電磁力小10的37次方，因此，飛機的顛簸對測量精度影響極大。為此，引進了慣性導航技術來減輕飛機電波和噪音產生的幹擾，通過雷射測距來提高精度。航空重力的引入，將測量的精度提高了三倍，測量誤差由原來的15釐米減小到5釐米。

同樣，在採用全球導航衛星系統（GNSS）進行測量時，為了相互校驗，一方面要增加衛星的數量，至少用3顆衛星定位以減少誤差；另一方面，這次測量採用了多個系統聯合測量的方式，如美國的GPS、俄國的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北鬥衛星導航系統，以及日本、歐洲等相關的增強系統，將測量精度控制到了1、2釐米之內，這個精度比上次測量提高了一倍多。

正因為如此，本次測量採集了多達1T的數據。實地測量工作在5月份完成，花了數月的大數據分析和研判，才得出現在的結果。

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珠峰測量的科學、技術和實用價值

這樣，我們就知道了珠峰「長高」的原因，這一方面是由於兩次測量之間地質環境的變化，改變了基準面，並增加了雪地高度；另一方面是此次測量的科學性、可靠性、創新性，都達到一個新高度。那麼本次測量的意義還有哪些？有沒有實用價值呢？

首先從科學發現的角度，這次測量對認識喜馬拉雅山的區域地質運動非常有好處。比如我們了解到珠峰每年整體上向長春和北京方向移動，每年移動速率是3釐米左右；在垂直運動方向，珠峰整個地區每年隆升4毫米左右。

其次，從實用性上，關於珠峰地區的地形、構造等新知識，對於預測地震有直接好處。同時，這些知識增加了我們對我國珠峰地區地形、構造、植被、氣象等情況的理解和掌控，我們能夠更容易地進入這些「無人區」，現場觀測、開發和保護。

同時，這些高端技術既可以推進到農業、林業、礦產研究等領域，也可以用在民間登山、戶外運動等領域，拓展體育愛好者的探險空間，為全民健身提供專業級的知識和裝備。

第三，從技術創新的角度，這次測量採用了大量黑科技：全球導航衛星系統、雪深雷達、重力儀、電子水準儀、雷射雷達、慣性導航、交會測量、大數據分析等等，這些技術在名字上不算新，但有一些技術是第一次用在地質、地形測量領域並進行了技術升級。綜合利用這些現代科學技術，提高了測量的效率和精度，從而提升了我國的測繪水平。

第四，研發這些精密測量設備帶來了我國高端製造的升級。測量的精度標準提得越高，對製造的要求就越高，因此，科學研究要求的精密化測量刺激了高端製造的升級需求。

在這次測量過程中，北鬥導航衛星系統、重力儀、雪深雷達、超長距離測距儀設備和技術等都是自主研發的，這一方面加快了我國測繪領域設備製造業的進步，另一方面這些新精度的技術可以用在其它製造領域，提升中國製造的整體水平。

第五，這次珠峰測量體現了物理精神的奧秘——測量精度的提升總是能夠帶來科學新發現、製造技術新進步、文明新知識和文化自豪感，基礎研究和實用之間的相互促進關係得到進一步驗證，是物理精神的一次偉大勝利，是物理精神的發揚光大。