Έχει σχέση το πεδίο βαρύτητας της Γης με τα υψόμετρα;

Ξεκινώντας από το σχολείο, ερχόμαστε σε επαφή με την έννοια του υψομέτρου μέσα από απλές ερωτήσεις, όπως, π.χ., τι υψόμετρο έχει η κορυφή του Ολύμπου; Σε τέτοιους είδους ερωτήσεις η απάντηση θα μπορεί να είναι η εξής ερώτηση: από πού μετράμε το υψόμετρο; Ποια είναι η αφετηρία ή, αν το θέσουμε πιο επιστημονικά, ποια είναι η επιφάνεια αναφοράς του; Η πιο κοινή απάντηση που θα λάμβανε κανείς είναι η επιφάνεια της θάλασσας. Όμως, αν το σκεφτούμε καλύτερα, η επιφάνεια της θάλασσας δεν είναι σταθερή αλλά διαρκώς μεταβάλλεται.

Για να καταγράψουμε τη στάθμη της θάλασσας χρησιμοποιούνται ορισμένα όργανα που ονομάζονται παλιρροιογράφοι. Εάν η καταγραφή γίνει για περίπου 18 χρόνια τότε μπορούμε να υπολογίσουμε τη μέση στάθμη της θάλασσας. Πάλι όμως υπάρχει ένα πρόβλημα. Η μέση στάθμη της θάλασσας, π.χ., εάν καταγραφεί για την ίδια περίοδο στον Πειραιά θα διαφέρει από αυτή της Θεσσαλονίκης ή αυτή της Αλεξανδρούπολης. Μέχρι πρόσφατα, για να αποφύγουμε αυτό το πρόβλημα, χρησιμοποιούσαμε τις μετρήσεις από ένα μόνο παλιρροιογράφο και για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Βάσει αυτών των καταγραφών ορίζαμε στην ουσία ένα σημείο όπου το υψόμετρό του θα ήταν “μηδέν”. Όλα τα υψόμετρα που χρησιμοποιούμε στην Ελλάδα έχουν ως σημείο αναφοράς το υψόμετρο “μηδέν” που ορίζει ο παλιρροιογράφος που βρίσκεται εγκατεστημένος στον Λιμένα του Πειραιά. Έτσι, χρησιμοποιώντας τοπογραφικά όργανα, μετρήθηκαν διαφορές υψομέτρων ως προς το σημείο αναφοράς προκειμένου να προσδιοριστουν υψόμετρα σε όλη την επικράτεια. Το έργο αυτό το επιτέλεσε και το επιτελεί μέχρι σήμερα η Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού. Από τα υψόμετρα αυτά οι Τοπογράφοι Μηχανικοί μπορούν στη συνέχεια να προσδιορίζουν υψόμετρα σε οποιοδήποτε κατασκευή ή φυσικό έδαφος.

Στη σύγχρονη εποχή, πλέον μπορούμε να προσδιορίσουμε τη θέση μας στο χώρο χρησιμοποιώντας δέκτες GPS ή πιο σωστά GNSS (σήμερα δεν είναι διαθέσιμο μόνο το αμερικάνικο σύστημα προσδιορισμού θέσης GPS αλλά υπάρχουν το ρωσικό GLONASS αλλά και το ευρωπαϊκό GALILEO). Οι δέκτες αυτοί, που οι περισσότεροι/ες τους χρησιμοποιούν μέσα από τα κινητά τους τηλέφωνα, δίνουν τη δυνατότητα να προσδιορίσουμε τρισδιάστατα (3Δ) τη θέση μας στο χώρο. Αφού ο προσδιορισμός είναι 3Δ, αυτό συνεπάγεται πως μπορούμε να έχουμε ως τιμή και το υψόμετρο στο οποίο βρισκόμαστε. Υπάρχει εδώ όμως μια διαφορά. Το υψόμετρο αυτό δεν είναι το ίδιο με το υψόμετρο που αναφερόμασταν προηγουμένως. Πρόκειται για το λεγόμενο γεωμετρικό υψόμετρο, το οποίο μετριέται από ένα γεωμετρικό σχήμα που προσομοιάζει τη Γη, δηλαδή ένα μαθηματικό μοντέλο. Το μοντέλο αυτό δεν είναι η σφαίρα, όπως πιθανόν θα μαντεύαμε, αλλά ένα ελλειψοειδές εκ περιστροφής, δηλαδή αν πάρουμε μια έλλειψη και την περιστρέψουμε γύρω από τον εαυτό της θα έχουμε ένα τρισδιάστατο γεωμετρικό σχήμα που προσομοιάζει τη Γη. Πώς όμως μπορούμε να βρούμε το υψόμετρο από το γεωμετρικό υψόμετρο;

Για να δώσουμε απάντηση στο παραπάνω ερώτημα, πρέπει αρχικά να χρησιμοποιήσουμε τη φαντασία μας. Ας φανταστούμε πως η θάλασσα ηρεμεί και δεν δέχεται καμία επίδραση και στη συνέχεια να φανταστούμε πως προεκτείνεται στην ξηρά, κάτω από τα βουνά. Αν λοιπόν είχαμε αυτήν την ήρεμη θάλασσα που να καλύπτει ολόκληρη τη Γη, τότε θα είχαμε μια κατά προσέγγιση μέση στάθμη της θάλασσας που θα την ονομάσουμε γεωειδές. Η επιφάνεια αυτή, που βρίσκεται σε ηρεμία, διαμορφώνεται από το πεδίο βαρύτητας της Γης. Ανάλογα λοιπόν με τις μάζες στο εσωτερικό της Γης αλλάζει και το σημείο που ηρεμεί η θάλασσα. Αυτό στην ουσία μας δείχνει πως το υψόμετρο ως έννοια δεν είναι μόνο μια απόσταση που μετράμε αλλά έχει και δυναμικό χαρακτήρα! Αν λοιπόν γνωρίζουμε το πεδίο βαρύτητας για τον ελληνικό χώρο, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την επιφάνεια του γεωειδούς. Ξέροντας λοιπόν αυτήν την επιφάνεια μπορούμε μετά να μετατρέψουμε τα γεωμετρικά υψόμετρα σε υψόμετρα που όλοι κατανοούμε. Όταν λοιπόν διαβάζεται το υψόμετρό σας στο κινητό σας τηλέφωνο, τότε σίγουρα το κινητό σας κάνει αυτήν την μετατροπή για εσάς. Όμως με τι ακρίβεια μας δίνει το υψόμετρο που βρισκόμαστε; Η ακρίβεια για τον ελληνικό χώρο είναι κυμαινόμενη και σε ορισμένες περιοχές είναι πολύ καλή, π.χ., από μερικά εκατοστά έως 30 εκατοστά, και σε άλλες πολύ κακή, π.χ., μπορεί να έχει διαφορές μεγαλύτερες και από μισό μέτρο.

Πολλές χώρες στο εξωτερικό έχουν ήδη αρχίσει μια προσπάθεια υπολογισμού ενός γεωειδούς, το οποίο θα χρησιμοποιείται όχι μόνο από απλούς χρήστες δεκτών GNSS αλλά και από επαγγελματίες μηχανικούς, ώστε να προσδιορίζουν υψόμετρα με υψηλή ακρίβεια. Στη χώρα μας γίνονται προσπάθειες από Πανεπιστημιακές ερευνητικές ομάδες και εργαστήρια, τη Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού και το Ελληνικό Κτηματολόγιο.

Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας πραγματοποιήθηκε και το ερευνητικό πρόγραμμα “Εκσυγχρονισμός του ελληνικού δικτύου βαρύτητας” που χρηματοδοτήθηκε από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας και Καινοτομίας (ΕΛΙΔΕΚ). Η ερευνητική ομάδα μελέτησε και αξιολόγησε την κατάσταση του ελληνικού δικτύου βαρύτητας καθώς και του δικτύου υψομέτρων ή, όπως ονομάζεται, του κατακόρυφου δικτύου. Επίσης, στο πλαίσιο του προγράμματος πραγματοποιήθηκαν αριθμητικά πειράματα για τον προσδιορισμό του γεωειδούς σε δύο πιλοτικές περιοχές στη βόρεια και κεντρική Ελλάδα, στις οποίες πραγματοποιήθηκαν υψηλής ακρίβειας μετρήσεις βαρύτητας. Λαμβάνοντας υπόψη τα πειράματα αυτά, η ερευνητική ομάδα προχώρησε στον υπολογισμό του γεωειδούς για τον ελληνικό χώρο. Μέσα από αυτόν τον υπολογισμό αναδείχθηκαν οι αδυναμίες και οι ανάγκες, οι οποίες αφού αντιμετωπιστούν, θα μπορεί να γίνει πραγματικότητα και στη χώρα μας ο υψηλής ακρίβειας προσδιορισμός υψομέτρου με δέκτες GNSS.

* Η ερευνητική ομάδα του προγράμματος “Εκσυγχρονισμός του ελληνικού δικτύου βαρύτητας” αποτελείται από τους Γρηγοριάδη Βασίλειο (Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης), Ανδριτσάνο Βασίλειο (Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Μηχανικών Τοπογραφίας και Γεωπληροφορικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής) και τον Νατσιόπουλο Δημήτριο (Δρ. Αγρονόμο και Τοπογράφο Μηχανικό – Μεταδιδακτορικό Ερευνητή).

Η χρηματοδότηση του έργου έγινε στο πλαίσιο της Δράσης «1η Προκήρυξη ερευνητικών έργων ΕΛΙΔΕΚ για την ενίσχυση των μελών ΔΕΠ και Ερευνητών/τριών και την προμήθεια ερευνητικού εξοπλισμού μεγάλης αξίας» (έργο 1550).