Höhe

Die Höhe (von lateinisch  : altitudo ) ist historisch ein geographischer Begriff, der die geometrische Höhe vertikal zwischen einem Punkt und einem vertikalen Bezug , normalerweise dem Meeresspiegel, bezeichnet .

In der Geodäsie drückt es auch die Entfernung eines Punktes vom Geoid aus . Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Höhe zu berechnen: orthometrische , dynamische Höhe  (in) , geopotentielle Höhe  (in) und normale Höhe  (in) .

In der Luftfahrt ist die Höhe der Abstand zwischen einem Punkt und dem Boden. Sie wird in Fuß gemessen , außer in den Ländern der ehemaligen Sowjetunion und in China , wo sie in Metern ausgedrückt wird .

Die Höhe wird oft mit der Höhe  (in) und der Höhe verwechselt . Die Höhe ist die Entfernung zwischen Meeresspiegel und Landebene  (in) . Die Höhe ist der geometrische Abstand zwischen einem Punkt und seiner Projektion auf das Ellipsoid .

Die verschiedenen Orte werden über eine ebene Fläche mit einer Höhe verbunden , die auf verschiedene Weise indirekt berechnet wird ( Geodäsie , Triangulation ). Die Höhe ist auch eine exogene Daten , die für numerische Berechnungen in verschiedenen Bereichen nützlich ist: Meteorologie , Physik , Biologie .

Definitionen, zugehörige Konzepte und Synonyme

Der Begriff Höhe ist polysem und aufgrund seiner Geschichte mit einer Vielzahl von Begriffen verbunden. Das Wort bezeichnet ursprünglich Entfernung nach Höhe und Höhe, Größe in ihren verschiedenen Bedeutungen und maritime Tiefe zwischen zwei Oberflächenelementen (Punkte, Linie, Ebene) im euklidischen Raum .

Primärdefinition und Bedeutungsentwicklung

Herkunftssinn Entwicklungen

Die Entwicklung der Mathematik spiegelt sich in der Herangehensweise an die Höhenberechnung wider, die manchmal von einem euklidischen Raum (2D) zu einem kartesischen Raum (3D) übergeht und von den neuen Eigenschaften des euklidischen Raums profitiert.

Auswirkungen

Bestimmte physikalische Felder variieren je nach Höhe: Abnahme des Luftdrucks , Temperaturschwankungen und thermohygrometrisches Drehmoment , insbesondere Sonneneinstrahlung . Besondere Reaktionen von Organismen auf diese neuen Bedingungen sind vor allem bei Pflanzen , aber auch bei Tieren oder Pilzen und Flechten sichtbar .

Anstelle von Höheneffekten wäre es angebracht, von Höhenunterschieden zu sprechen, da die Höhe eine Rohdaten ist, die für sich genommen keine Konsequenzen hat. Wir müssen zwei Arten von Effekten unterscheiden:

  • die plötzlichen und pünktlichen Veränderungen aufgrund des schnellen Anstiegs;
  • mittel- und langfristige Anpassungen von Organismen in der Höhe.

Die ersten Effekte sind spektakulär und den Bergsteigern bekannt  ; Letztere sind diskreter und betreffen sowohl den Menschen als auch das Ökosystem . Insbesondere Höhenböden sind oft ärmer, saurer, weniger dick (Abnahme der nutzbaren Bodenreserve und Sättigungsrate , was das Phänomen des Waldverlustes verstärken kann ).

Variationen physikalischer Felder

Temperatur

Die Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von der Höhe hängen davon ab, wo Sie sich in der Atmosphäre befinden  : Troposphäre , Stratosphäre , Mesosphäre oder sogar Thermosphäre .

Luftdruck

Sie nimmt mit der Höhe exponentiell gemäß der barometrischen Nivellierungsformel ab . Auf Meereshöhe ist es 1  atm ( 760  mmHg , 1.013,25  mb oder 101.325  Pa ) wert, während es auf 1.000  m nur 89.859  Pa ( 674  mmHg ) wert ist , auf 4.800  m 55.462  Pa ( 416  mmHg ) und auf 8.848  m 31.464  Pa ( 236  mmHg ).

Schwerkraftintensität

Dies variiert je nach dem Planeten, auf dem Sie sich befinden, und der Höhe. Es ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands vom Zentrum. Auf der Erde beträgt sein Wert 9.814  m s −2 auf Meereshöhe, 9.811  m s −2 auf 1000  m und 9.802  m s −2 auf 4000  m .

Dies ist die wahre Anziehungskraft der Schwerkraft. Für einen stationären Körper in der Erdreferenz (daher nicht der Coriolis-Beschleunigung unterworfen) ist die scheinbare Schwerkraft gleich der vorhergehenden minus der Zentrifugalbeschleunigung ω 2 r wobei ω die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ( 360  Grad pro Tag) und r der Abstand zur Achse der Pole. Diese Zentrifugalbeschleunigung ist an den Polen null und am Äquator ungefähr gleich 0,034  m s -2 ; die scheinbare Schwerkraft beträgt daher nur etwa 9,780.

Physiologische Anpassungen und pathophysiologische Reaktionen des menschlichen Körpers

Die erste Beschreibung der Höhenwirkungen gibt Platon anlässlich einer Besteigung des Monte Ossa .

Bei der Untersuchung der physiologischen Auswirkungen der Höhe werden drei Bereiche berücksichtigt:

  • Höhenlage: 2.000 bis 4.000  m  ;
  • sehr große Höhe: 4.000 bis 6.000  m  ;
  • extrem hohe höhe: über 6000  m .
Kurzfristige Reaktion (einige Tage)

Beim Menschen sind die Auswirkungen der Höhe vor allem aufgrund der Abnahme der Partialdruck von Sauerstoff in der eingeatmeten Luft, und auf den Rückgang der Temperatur . Brutale Exposition in 6000  m Höhe führt innerhalb von 15 min zum Tod  .

In Ruhe wird kurzfristig eine Hyperventilation (erhöhte Ventilation) als Reaktion auf die Aktivierung chemischer Rezeptoren in der Jugularvene beobachtet.

Die Diurese (Entfernung eines Teils des Plasmavolumens ) neigt dazu, den Anteil der roten Blutkörperchen im Blut zu erhöhen . Eine plötzliche Exposition in einer Höhe von 4000  m führt zu einer 15%igen Reduktion dieser Flüssigkeit, eine Reduktion, die 4 Wochen anhält. Eine respiratorische Azidose aufgrund von Liquor cerebrospinalis blockiert die Wirkung der Hyperventilation. Das Gesamtwasservolumen im Körper nimmt aufgrund der Abnahme des Flüssigkeitsverbrauchs und der Aufrechterhaltung des Urinausscheidungsvolumens um 10% ab. Auch die Konzentrationen von Natrium- und Magnesiumionen ändern sich.

Die Exposition gegenüber großer Höhe verursacht Tachykardie (erhöhte Herzfrequenz ).

Langzeitantworten (mehrere Wochen)

Längerfristig (ab etwa drei Wochen) kommt es zu einem deutlichen Anstieg der Anzahl roter Blutkörperchen ( Hämatokrit ), was einen erhöhten Sauerstofftransport im Blut ermöglicht . Dies ist die Folge eines EPO- Peaks in den ersten Tagen der Exposition gegenüber Höhenhypoxie . Auch die Konzentration der Karbonationen im Blut steigt an . Die maximale Sauerstoffaufnahme (auch VO 2 max genannt) nimmt mit der Höhe ab. Auf Meereshöhe hat der Mensch also 100% seiner Möglichkeiten, während er auf 4.809  m (Gipfel des Mont Blanc ) nur 70% und auf 8.848 m (Gipfel des Everest) nur 20% haben kann  .

Der  Effekt "Anstieg der roten Blutkörperchen " ist bei bestimmten Sportlern besonders gefragt, er ist der Hauptgrund für die Organisation von Höhentrainings, teilweise auf über 3.000  m . Diese Polyzythämie kann jedoch in einigen Fällen zu einem Überschuss an roten Blutkörperchen führen und die Bildung von Blutgerinnseln kann dann die Venen verstopfen und eine tiefe Venenthrombose (Phlebitis) verursachen, die zum Tod führen kann. Die Konzentration der roten Blutkörperchen ( Hämatokrit ) im Blut bestimmter Bevölkerungsgruppen, die in Höhenlagen (Anden) leben, ist naturgemäß höher.

Wie hoch kann der Mensch leben?

Das Leben in der Höhe wird durch die Kälte, den Mangel an Wasser und Nahrung, sogar Sauerstoff, eine höhere UV-Strahlung, Auswirkungen auf den menschlichen Stoffwechsel und eine manchmal gefährlichere Umgebung erschwert.

Die Einwohner von Potosí in Anden-Bolivien leben etwa 4.040  m entfernt . Ihr Körper hat sich an diese Bedingungen angepasst: Ihr Blut ist reicher an roten Blutkörperchen, die Sauerstoff zu den Organen transportieren. Auf der anderen Seite bereitet die Höhe den Besuchern Probleme. Durch die Verringerung des Luft- und Sauerstoffdrucks verringert sich ihre körperliche Leistungsfähigkeit trotz der kardiorespiratorischen Beschleunigung um 30 bis 40 %. Die Anpassung dauert etwa zwei Wochen. In der Zwischenzeit kann der Besucher an akuter Höhenkrankheit leiden  : Kopfschmerzen, Übelkeit, Ödeme  usw.

Aufgrund der klimatischen und ökologischen Zwänge, die auf diesen Umgebungen lasten, galten Höhenlagen (> 2.500  m ) lange Zeit als für den prähistorischen Menschen ungeeignete Lebensräume. Archäologische Ausgrabungen haben jedoch gezeigt, dass es einige Ausnahmen gibt: Ausgrabungen im äthiopischen Hochland haben eine episodische Präsenz einiger unserer Vorfahren ergeben, insbesondere in Gadeb (2400  m ) sind es jeweils 1,5 bis 0,7 Millionen Jahre und vor Melka Kunture (2400  m ) vor etwa 1,5 Millionen Jahren (in der Vollsteinzeit ). Diese Menschen kamen wahrscheinlich aus dem Great Rift Valley .

Ähnliche Spuren fanden die Archäologen in Tibet und den Anden , auch im Pleistozän (es gab es vor mehr als 11.700 Jahren während der letzten Eiszeit ), zum Beispiel in der Felsunterkunft Fincha Habera auf 3469  m Höhe in den Bale-Bergen von Äthiopien 31.000 to Vor 47.000 Jahren wurde dort unter anderem die Riesenratte Tachyoryctes macrocephalus gefressen .

In Tibet faszinieren zwei sehr hohe Stätten Archäologen und Prähistoriker: Nywa Devu auf 4.600  m Höhe und die Baishiya Karsthöhle auf 3.280  m Höhe, die vor 30.000 bis 40.000 Jahren zumindest zeitweise bewohnt zu sein scheint.

In der Nähe der Caldera von Dendi in Äthiopien wurden prähistorische menschliche Artefakte in einer Höhe von über 3000  m gefunden , darunter scheinbar Handäxte im Acheule-Stil, die noch ungenau datiert sind (500 000 bis 200 000 Jahre vor der Gegenwart) .

Pathologien

Der Aufenthalt in sehr großer Höhe kann Beschwerden auslösen, die direkt mit dem Sauerstoffmangel zusammenhängen. Kurzfristig ist die akute Höhenkrankheit durch Symptome unterschiedlicher Art und unterschiedlicher Schwere gekennzeichnet, die von Kopfschmerzen bis hin zu lebensbedrohlichen Zuständen wie Lungenödem oder Hirnödem reichen . Diese Ödeme stehen im Zusammenhang mit Wassereinlagerungen, die durch Veränderungen der Urinausscheidung verursacht werden.

Auch Bevölkerungen, die dauerhaft in Höhen über 3000 Metern leben, wie die Hochlandpopulationen der Anden , können von der Monge-Krankheit oder der chronischen Höhenkrankheit betroffen sein .

Studien legen nahe, dass Babys für bestimmte Pathologien eine besondere Höhenanfälligkeit haben, die je nach ethnischer Herkunft zu variieren scheint. So steigt das Risiko der Säuglingssterblichkeit und des plötzlichen Kindstods mit dem Aufenthalt in der Höhe: deutlich über 2000  m beispielsweise in den USA oder Argentinien mit 2- bis 3-fachem Risiko eines plötzlichen Todes, wenn das Kind von einer darüber lebenden Mutter geboren wurde 2.400  m Höhe laut einer anderen Studie, basierend auf einer Population von 393.216 Säuglingen, die zwischen 2007 und 2012 in Colorado geboren wurden , möglicherweise aufgrund eines erhöhten Hypoxierisikos . Umgekehrt sinkt das Sterblichkeitsrisiko durch Atemnot beim Neugeborenen, während es bei nichttraumatischen intrakraniellen Blutungen steigt (mit Variationen je nach ethnischer Zugehörigkeit, bereinigt um das mittlere Geburtsgewicht des Staates, Gestationsalter und Einkommensungleichheit…) . „Analytische epidemiologische Forschung ist erforderlich, um die durch diese deskriptiven Daten generierten Hypothesen zu bestätigen oder zu widerlegen“, so RS Levine im Jahr 2018.

Kuren

Höhenkuren – Klimatherapie – werden auch heute noch empfohlen, um bestimmte Asthmaanfälle, insbesondere bei allergenem Asthma, vorübergehend zu lindern. In Bezug auf Tuberkulose sind die Meinungen geteilt; 2008 fand eine türkische Studie jedoch einen negativen Zusammenhang zwischen Höhe und Tuberkulose: Der Einfluss der Höhe auf die Tuberkuloseinzidenz würde "zum Teil vom Wert des Sauerstoffpartialdrucks insofern kommen, als hohe Sauerstoffdrücke für die Verbreitung von Mycobacterium tuberculosis. „Auch in Bezug auf Keuchhusten konnten wir nicht nur Höhenaufenthalte empfehlen – wenig dokumentiert, sondern auch „Keuchhustenflüge“ (oder deren Simulation in einer Unterdruckkammer).

Umgekehrt sollten Menschen mit Sichelzellanämie große Höhen meiden.

Berechnung

Die Berechnung einer Höhe läuft immer darauf hinaus, einen Höhenunterschied, einen Höhenunterschied , zwischen einem Ausgangsniveau und dem Punkt zu messen, dessen Höhe wir in Bezug auf dieses Niveau finden wollen. Die verwendete Maßeinheit ist das Meter , außer in den Vereinigten Staaten und in der Luftfahrt, wo der Fuß noch verwendet wird.

In Ländern, die mit einem nationalen Institut für Geographie (oft militärischen Ursprungs) ausgestattet sind, wie es in Belgien und Frankreich der Fall ist, wurde es von Vermessungsingenieuren zur allgemeinen Nivellierung auf Höhenwegen durchgeführt. Die Gesamtgenauigkeit dieser Ebenen liegt in der Größenordnung eines Zentimeters. Die relative Genauigkeit zwischen zwei benachbarten Marken beträgt Millimeter.

In Regionen, in denen der Verlauf technisch nicht möglich ist (Gebirgsregionen oder mit chaotischem Relief ), wurden die Höhenlagen früher nach der Erdschwere bestimmt, diese Methode ist jedoch aufgrund der durch Bergmassen oder abhängigen Schwerkraftschwankungen relativ schwierig umzusetzen und sehr ungenau die Variation des atmosphärischen Drucks (Methode, die im letzten Jahrhundert hauptsächlich von Bergsteigern verwendet wurde, um die Höhe von Berggipfeln zu bestimmen).

Mit dem Aufkommen der Luftfahrt sind neue Methoden entstanden, die auf Photogrammetrie und Orthophoto-Paaren basieren . Diese Methoden ermöglichen indirekt, ohne Messungen im Feld, Höhen mit einer Genauigkeit von wenigen Metern zu bestimmen.

Einige Satelliten liefern auch digitale Höhenmodelle (DTM) über den gesamten Planeten, allerdings mit einer Genauigkeit von mehreren hundert Metern oder mehreren Kilometern.

Definitionen

Es gibt keine einheitliche und universelle Definition des verwendeten Referenzniveaus und damit der Höhe. Die Gültigkeit und Relevanz einer Höhendefinition sind somit abhängig vom betrachteten Anwendungsbereich. Rein geometrische Definitionen (z. B. ellipsoide Höhe) können in räumlichen Anwendungen relevant sein, erweisen sich jedoch für die Planung eines Geländes am Boden als unbrauchbar oder sehr unpraktisch. Definitionen können lokal gültig, aber global inkonsistent sein.

Jede Höhendefinition erfordert die Wahl eines Referenzniveaus. Diese Auswahl variiert in Raum und Zeit , je nach Anwendung und Kultur .

Es war üblich, den Meeresspiegel als Referenzniveau zu betrachten, dessen Oberfläche schwer gleichzusetzen ist: Es handelt sich um eine Oberfläche, die sich gemäß astronomischen Elementen wie Mond und Sonne bewegt ( Gezeitenphänomen ), die keine Äquipotentialfläche ist (unter anderem aufgrund der Strömungen und des Salzgehalts), kann daher nicht dem terrestrischen Geoid angeglichen werden , und das jedenfalls nicht vertikal von einem terrestrischen Ort aus existiert.

Die alte Methode, die darin bestand, zwischen dem mittleren Meeresspiegel und einem bestimmten Ort zu gehen, indem jedes Mal der Höhenunterschied dh gemessen wird, ist mathematisch problematisch, da das Ergebnis vom zurückgelegten Weg abhängt, mit anderen Worten ∫ dh ist kein perfektes Integral . Andererseits hängt die Energie, die aufgewendet werden muss, um von einem Punkt zum anderen zu gehen, g dh, zu sein, wobei g die Gravitation an jedem Punkt ist, nicht vom zurückgelegten Weg ab. Die Höhe wurde dann berechnet, indem g regelmäßig gemessen und der erhaltene Wert durch einen Durchschnitt g0 geteilt wurde, wobei die Wahl dieses g0 natürlich das Ergebnis konditioniert .

Im Oktober 1957, das Aufkommen des Weltraumzeitalters brachte die Weltraumgeodäsie hervor , mit Satelliten ausgestattet mit Laserreflektoren und dann ultrastabilen Uhren (die sehr genaue Messungen der Reisezeit oder Dopplerverschiebungen ermöglichen). Die Einführung operativer Weltraumsysteme (Transit, dann GPS , DORIS und in Zukunft Galileo ) hat dazu beigetragen, eine Definition der Höhe zu verallgemeinern, die mit den von diesen Systemen verwendeten geodätischen Referenzen verknüpft ist: die Höhe, die nativ von den GNSS-Empfängern (GPS , Galileo, Glonass) ist die ellipsoidale Höhe, deren Bezugsebene durch ein Ellipsoid (Annäherung der effektiven Form der Erde) definiert wird, das für jedes Bezugssystem (typischerweise WGS84) spezifisch ist; die Unterschiede zwischen modernen geodätischen Bezugssystemen sind für gewöhnliche vernachlässigbar Bewerbungen). Die Ellipsoidhöhe unterscheidet sich von der geografischen Höhe aufgrund der Differenz zwischen dem betrachteten Ellipsoid und der tatsächlichen Form des Geoids. Auf dem französischen Festland liegt die ellipsoide Höhe in der Größenordnung von fünfzig Metern über der geografischen Höhe.

Praktische Methoden

  • Die Berechnung der Höhe der großen Pyramide von Gizeh durch Eratosthenes ist bereits eine Art Höhenberechnung zwischen der Spitze des Denkmals und dem Boden. Die verwendete Methode, eine Anwendung des berühmten Thales-Theorems , wurde für die Berechnung der Höhe von geräumten Gipfeln verwendet. Die damit verbundene Fehlerquote ist recht groß.
  • Eine Methode, die im Feld verwendet wird und kein Werkzeug erfordert, beinhaltet das Näherungszielen. In Bergregionen können wir schätzen, dass eine ausgewachsene Tanne im Durchschnitt 30 Meter hoch ist. Durch Überlagerung können wir eine Höhe oder eine Abweichung mit einer durchschnittlichen Fehlerquote schätzen, die oft akzeptabel ist.
  • Durch die Verwendung einer geografischen Karte und eines abgestuften Kompasses ermöglicht die Triangulationsmethode die Ermittlung der Höhe eines nahegelegenen Punktes.
  • Der Höhenmesser ist ein Instrument, das die Höhe basierend auf der Beziehung zwischen Höhe und Luftdruck misst. Diese Beziehung ist nicht linear und unterliegt nicht unerheblichen Schwankungen aufgrund der Entwicklung der Luftmassen während des Höhengewinns durch den Wanderer, der den Höhenmesser verwendet. Es ist daher ein weniger zuverlässiges Messmittel, als es scheint: Es muss darauf geachtet werden, den Höhenmesser so oft wie möglich an Punkten mit bekannter Höhe zu kalibrieren. Höhenmesser werden in Wetterballons verwendet .

Moderne Methoden

Höhenmessungen mit modernen Instrumenten sind viel genauer als dies mit dem Auge oder mit einem Kompass möglich ist. Die Satelliten werden verwendet, um die "Höhen" von Punkten des Planeten, Gipfel oder nicht, zu berechnen und zu aktualisieren. Im Gegensatz zu terrestrischen Verfahren , die eine dynamische Referenzrahmen verwenden , die Berücksichtigung der lokalen Variationen im Schwerefeld nimmt (Geoid) und dadurch geben true „Höhen“, bieten Satelliten eine Höhe von einer Referenz Ellipsoid (IAG GRS80). Die Unterschiede zwischen Geoid und Ellipsoid variieren je nach Standort und können Hunderte von Metern erreichen. Geoidmodelle können jedoch in ein Berechnungsprogramm integriert werden, das es dann ermöglicht, die Höhen aus Satellitenmessungen zu ermitteln. Die Genauigkeit hängt dann maßgeblich von der Glätte des Modells ab.

In der Luftfahrt

Die Höhe an Bord von Flugzeugen wird durch Messung des atmosphärischen Drucks ermittelt , in Druckhöhe (Höhe, in der dieser Druck in einer Standardatmosphäre herrscht ) übersetzt und durch eine Höhenmessereinstellung für den Bodendruck korrigiert . Selbst wenn die barometrische Höhe wesentlich von dem unterscheiden kann geometrische Höhe des Flugzeugs (in der Größenordnung von 10% in extremen Temperaturbedingungen), die Flugsicherungs, insbesondere deshalb , weil die unteren vertikalen Präzision. Die GPS .

In der Meteorologie , in der Höhe die Bedingungen (Wind, Temperatur, etc.) werden die Benutzer bei Standardniveaus bereitgestellt auf einen gegebenen Druck entsprechen (1000, 850, 700, 500  hPa ) verwendet geopotentielle Höhe (eine Höhe nahe bei l geometrischer Höhe, aber die es ermöglicht, die Erdbeschleunigung "g" als konstant zu betrachten, während sie mit der Höhe abnimmt), um die Berechnung seiner numerischen Modelle zur Vorhersage zu vereinfachen .

Andere Planeten oder Satelliten

Mond

Auf dem Mond messen wir die Höhen der Gipfel relativ zu einer bestimmten Entfernung von seinem Zentrum. In den 1990er Jahren veröffentlichte die Clementine- Mission Werte basierend auf der Zahl von 1.737.400 Metern.

März

Auf dem Mars wurde in Ermangelung eines Ozeans der Ursprung der Höhen willkürlich festgelegt: Es ist die Höhe mit einem durchschnittlichen Atmosphärendruck von 610  Pa . Dieser Druck wurde gewählt, weil er nahe am Druck des Tripelpunktes von Wasser liegt ( 273,16  K und 611,73  Pa ), und dass der so definierte Pegel nahe dem durchschnittlichen Pegel der Marsoberfläche liegt (auf der Erde ist es der Atmosphärendruck in 35  km Höhe).

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

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Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links