5. Теория ортометрических, динамических и нормальных высот
5.1. Выбор начальной поверхности отсчёта высот.
Положение
точки на поверхности земного эллипсоида
вполне определяется двумя координатам:
геодезической широтой В
и
геодезической долготой
Но для определения положения какой-либо
точки физической поверхности Земли
относительно референц-эллипсоида нужно
знать ещё третью координату – геодезическую
высоту Нгеод.
Высоты точек земной поверхности представляют в виде суммы: а) высот точек над вспомогательной поверхностью, получаемых из данных нивелирования, и б) высот этой поверхности над эллипсоидом (рис 5.1).
В
ыбор
вспомогательной поверхности должен
определяться условиями:
Чтобы эту поверхность можно было строго и несложно определить по отношению к эллипсоиду.
Чтобы высоты точек земной поверхности точно и довольно просто определялись по отношению к выбранной поверхности.
Кажется, что такой поверхностью должна быть уровенная поверхность, так как в поле силы тяжести у геодезистов единственно надёжным средством установки инструментов при измерении является уровень. И действительно в начале за вспомогательную поверхность была принята поверхность геоида. В СССР за поверхность, от которой отсчитывают высоты, была принята уровенная поверхность, проходящая через нуль Кронштадского фуштока. Считается, что нуль Кронштадского фуштока лежит на поверхности геоида.
Однако положение геоида относительно эллипсоида принципиально строго определено быть не может, так как имеют место некоторые неопределённости при редуцировании выполненных на поверхности Земли геодезических, астрономических и гравиметрических измерений.
Определение высот точек земной поверхности над поверхностью геоида также содержит ряд трудностей, когда речь идёт об определении высот с высокой точностью. В самом деле, главное условие, лежащее в основе геометрического нивелирования и заключающееся в том, что визирные лучи в моменты отсчётов по рейкам на всех станциях параллельны одной и той же уровенной поверхности, не может быть соблюдено вследствие не параллельности уровенных поверхностей. При каждой установке нивелира визирный луч, будучи горизонтальным, всё более и более отклоняется от исходной уровенной поверхности, образуя с ней различные углы, и высоты точек, получаемые суммированием измеренных превышений, не представляют собой расстояний от одной исходной поверхности, т.е. не образуют единой системы высот.
Ранее высоты над геоидом приводились к единой системе путём введения так называемых ортометрических поправок. Однако при вычислении ортометрических поправок, необходимо знать плотность верхних слоёв земной коры, а отсюда неизбежны и упрощения. Упрощенно вычисленные ортометрические поправки и полученные путём их введения ортометрические высоты не представляют единой системы. Эта неопределённость в вычислении высот от геоида не даёт возможности строго уравнивать нивелирные ходы высокой точности, пункты которых используются при картографировании страны, решении сложных задач инженерной геодезии и всевозможных научных проблем.
В качестве вспомогательной поверхности для вычисления высот М.С. Молоденский предложил поверхность квазигеоида, которая в настоящее время на Украине принята за начальную поверхность для отсчёта высот. Поверхность квазигеоида, не являясь всюду уровенной, довольно близка к поверхности геоида. Квазигеоид совпадает с геоидом на океанах и всюду, где среднее значение силы тяжести Земли равно среднему значению нормальной силы тяжести. Поверхность квазигеоида так же, как и геоида, проходит через нуль Кронштадского футштока.
Высоты квазигеоида над эллипсоидом определяют через астрономо-геодезические уклонения отвесных линий и аномалии силы тяжести. Высоты точек земной поверхности над поверхностью квазигеоида также строго определяют при помощи «нормальных высот».
Нормальные высоты имеют преимущества перед ортометрическими.
Ортометрические высоты разных точек одной и той же уровенной поверхности различны. Это значит, что поверхность воды, находящейся в покое в каком-либо водоёме, имеет различные ортометрические высоты. От нормальных высот легко перейти к динамическим высотам, одинаковым для всех точек одной и той же уровенной поверхности.