Слово о карте

Куприн Алексей Михайлович

Освещены вопросы создания и использования географических карт. Книга знакомит читателя с историей картографии, с содержанием общегеографических, тематических и топографических карт. В популярной форме изложены задачи, решаемые по карте. Рассмотрены вопросы ориентирования на местности с использованием карт.

Для школьников, интересующихся различными видами карт, их содержанием, возможностью путешествовать с помощью карт.

 

 

Введение

Географическая карта — одно из величайших творений человеческой мысли. Она появилась на заре цивилизации и много веков служит людям для познания и преобразования окружающего мира. Ни одна работа, связанная с изучением территорий, не обходится без карты. Без нее не отправится в путь ни один путешественник, ни одна экспедиция. Не имея карты, невозможно строить города и поселки, заводы и гидроэлектростанции, автострады и железные дороги, прокладывать каналы и линии электропередач, нефте- и газопроводы. Инженер и исследователь, летчик и строитель, геолог и агроном, офицер и синоптик, ученый и государственный деятель — все обращаются к карте и находят в ней ответы на свои вопросы. По картам можно изучать отдельные кварталы городов и Землю в целом, перелеты птиц и транспортные потоки, дно океана и атмосферу, строение толщ земной коры и ледниковые покровы, размещение населения, промышленного и сельского хозяйства в настоящем и будущем.

Карта является одним из важнейших источников знаний. Она используется при изучении многих дисциплин и особенно географии. Карта — это, по выражению известного ученого-географа Н. Н. Баранского, особый второй язык географии, язык, без которого география не может обойтись.

Карта рассказывает о незнакомой местности и создает ее зримый образ при помощи рисунка, состоящего из знаков и линий, цветов красок, шрифтов надписей.

Некоторые карты выполнены талантливыми мастерами и являются уникальными произведениями искусства.

Никакое литературное описание не может заменить карту, ибо оно не обладает ее точностью передачи информации и наглядностью, не дает зрительного представления о форме, величине и взаимном расположении объектов, не позволяет оценить пространственные взаимосвязи.

В. И. Ленин высоко ценил карты. Он неоднократно указывал на необходимость издания атласа Советской России и отдельных карт.

В его кабинете в Кремле хранятся различные картографические произведения. Среди них географические атласы, обзорные карты России, карты железных дорог, административные, экономические, военные и другие. Все они служили В. И. Ленину рабочим материалом, на них сохранились его пометки, надписи, вычисления. На карты были нанесены ленинские проекты социалистического строительства и прежде всего план электрификации страны.

В. И. Ленин не только пользовался картами, но и осуществлял исключительно важную работу по организации картографического производства. 15 марта 1919 г. им был подписан Декрет об учреждении Высшего геодезического управления (ныне Главного управления геодезии и картографии при Совете Министров СССР). Главная цель ленинского декрета состояла в налаживании топографического изучения территорий в целях поднятия и развития производительных сил страны.

В настоящей книге читатель не найдет полного и подробного изложения основ картографической науки. Они даны в учебниках и фундаментальных научных трудах. Наша задача более узкая — рассказать о наиболее интересных разделах картографии. Несмотря на популярный характер изложения материала, читатели могут обстоятельно ознакомиться с основными вопросами создания карт, с некоторыми историческими вехами картографирования, основами использования карт и приемами работ с ними. И если автору удастся вызвать у читателей интерес к карте, желание ближе познакомиться с ней на практике, то он будет считать поставленную задачу выполненной.

 

КОЕ-ЧТО ИЗ ИСТОРИИ

 

 

У истоков картографического изображения

Картография представляет собой одну из наиболее древних отраслей человеческих знаний — ее истоки уходят в далекое прошлое. Она развивалась совместно с географией, в задачу которой входило изображение земной поверхности на чертеже. Такие чертежи у разных народов назывались по-разному. Современное название «карта» происходит от лат. «charte», означающее «письмо».

Развитие картографических знаний на протяжении всей истории человечества шло в ногу с развитием цивилизации. Достижения картографии на определенных исторических этапах служили как бы мерилом культуры человеческого общества.

История развития картографии отражает процесс постепенного освобождения человечества от примитивных взглядов на окружающий мир, освоения им природных богатств Земли.

Трудно определить, когда появились первые картографические изображения. Среди археологических находок на всех континентах можно увидеть примитивные рисунки местности, сделанные на камнях, костяных пластинках, бересте, дереве, возраст которых ученые определяют примерно в 15 тыс. лет. Совсем недавно, в 70-х гг. нашего столетия, один из таких древнейших чертежей был найден в Черкасской области (рис. 1).

Рис. 1. Рисунок местности на мамонтовом бивне (XIII тысячелетие до н. э.).

Он был вырезан на мамонтовом бивне. В сетке беспорядочных царапин исследователи различили картину местности: склон горы, стволы деревьев, реку, показанную двумя параллельными линиями. На берегу реки стоят четыре загадочных сооружения. Эти странные сооружения действительно существуют, и их ровно четыре. Вначале археологи обнаружили на местности три больших «дома», сложенные из костей мамонтов, крыши, конечно, не сохранились. Внутренние помещения были завалены бивнями, на одном из которых и удалось разглядеть набросок окрестностей. Основные части ландшафта узнавались сразу: спуск с горы, река, но только три сооружения, а на рисунке четыре! Значит, нужно искать еще одно. На это ушло несколько лет, и, наконец, археологи нашли четвертое сооружение. Древняя карта не подвела.

Как установлено, это изображение относится к XIII тысячелетию до н. э. Конечно, с современной точки зрения оно крайне примитивно: в нем совершенно не соблюдены соотношения размеров. Тем не менее следует признать, что рисунок на бивне не что иное, как одна из древних карт, с помощью которых наши далекие предки пытались передать свое представление о местности.

Характерной особенностью карт первобытных народов являлось то, что почти все они охватывали небольшую территорию, известную по личным наблюдениям, вспомогательных линий на них не было, не было также и надписей, поскольку еще не существовало письменности.

Европейские путешественники в XVI–XVIII вв. открыли не известные до того времени племена, которые находились на очень низкой ступени общественного развития, почти на уровне каменного века. Особенно поражали исследователей австралийские аборигены. Многие из них могли нарисовать удивительно точный план известной им местности. Этим они нередко оказывали большую помощь первооткрывателям.

Особый интерес представляют оригинальные морские карты, которые создавали жители Маршалловых островов и Полинезии, туземцы пользовались ими в плаваниях между островами архипелага. Сделаны они из тонких палочек, расположенных в разных направлениях, а к ним приложены раковины или камешки. Все это соединено нитями из пальмовых волокон. Палочки показывают направление морских течений и наиболее удобные пути, а камешки или раковины изображают острова. Внимательно наблюдая за океаном на протяжении многих поколений, островитяне заметили, что морское течение, встречая на своем пути землю, изменяет свое направление, а следовательно, по нему можно найти путь к суше.

 

Карты в древнем мире

Первыми картографами были путешественники и мореплаватели. Создатель эпических поэм «Одиссея» и «Иллиада» древнегреческий поэт Гомер прекрасно знал окружающий его мир и в своих книгах дал подробное описание стран, прилегающих к Эгейскому морю.

Соотечественники Гомера свои знания о Земле старались представить в виде чертежа-карты. Уже в V в. до н. э. существовали такие карты, но они содержали слишком примитивные географические сведения. Известный древнегреческий ученый Геродот, живший в то время, писал: «Смешно глядеть, как из множества составителей землеописаний ни один не показал Земли толково».

Впрочем, взгляды самого Геродота на строение Вселенной мало чем отличались от общего уровня. Он представлял себе Землю так же, как и Гомер, в виде выпуклого диска, вытянутого с запада на восток и окруженного океаном.

Великий древнегреческий ученый Пифагор впервые высказал гипотезу о шарообразности Земли: «Все в природе должно быть гармонично и совершенно. Земля тоже должна быть совершенна. Но совершеннейшее из геометрических тел есть шар. Стало быть, Земля — шар!»

Пифагор оказался прав. Земля действительно имеет шарообразную форму. Но доказать, что Земля — шар, и тем более определить радиус земного шара удалось значительно позже. Сделал это древнегреческий математик и географ Эратосфен, живший в III в. до н. э. Он известен не только тем, что впервые определил размеры Земли, но и тем, что ввел понятия «параллели» и «меридианы», которыми пользуются и в наши дни. Он построил сетку параллелей и меридианов и на ее основе составил карту обитаемой Земли (рис. 2).

Рис. 2. Карта Эратосфена.

Меридианы на ней проведены не через равные промежутки, а через определенные пункты, например, через Александрию, Карфаген. Так же проведены и параллели. Тем не менее сетка параллелей и меридианов позволила Эратосфену при помощи известных расстояний правильно показать взаимное расположение материков, гор, рек и городов. Карта Эратосфена была первой картой известного к тому времени мира, составленной с учетом шарообразности Земли. Ею пользовались до конца I в. н. э.

Заслуги в дальнейшем развитии картографии принадлежат величайшему греческому астроному древности Гиппарху (180–126 гг, до н. э.). При построении карт он впервые разделил экватор на 360 частей (градусов), а не на 60, как это делалось раньше. Положение некоторых пунктов земной поверхности он определил из астрономических наблюдений, причем впервые ввел термины «широта» и «долгота».

Большой вклад в картографию внес знаменитый ученый-географ Птолемей, живший во II в. н. э. в египетском городе Александрия. Главную цель географии Птолемей видел в картографировании земного шара. «География, — писал он — дает нам возможность обозреть всю Землю в одной картине, подобно тому, как мы можем непосредственно обозревать все небо с его созвездиями в его вращении над нашей головой».

Птолемей написал немало книг. Среди них и очень подробное руководство по картографии. Оно состоит из восьми частей и называется «География». В нем не только описано, как изготовлять карты и что показывать на них, но даже перечислено около восьми тысяч названий различных объектов местности — городов, гор, рек, заливов. Более того — многие из них приведены с географическими координатами, определенными астрономически из наблюдений Солнца и звезд. По этим данным легко можно построить самую настоящую карту, вполне похожую на те, которыми пользуемся мы.

К «Географии» было приложено 27 карт, среди которых имеется подробная карта всей Земли, какой до него еще никто не создавал и вплоть до XV в. никто не создал лучшей. Для этой карты Птолемей разработал специальную картографическую проекцию, известную под названием проекции Птолемея.

На карте Птолемея (рис. 3) изображены три части света: Европа, Азия и Африка (Ливия). Западные берега Европы омывает Атлантический океан, с неведомых долин катит свои волны в Каспийское море Ра (Волга); мощные, причудливо извивающиеся потоки образует Нил.

Рис. 3. Карта Птолемея.

Индийский океан на карте Птолемея — это огромное озеро, окруженное со всех сторон сушей. Восточные берега Азии близко подходят к европейским. Возможно, что из-за этой ошибки Птолемея Колумб смело пустился в плавание через Атлантический океан в поисках «близких» восточных берегов Азии. На карте Птолемея через одинаковые промежутки нанесены параллели и меридианы.

В древнем мире создавались карты, предназначенные для военных кампаний. Примером может служить дорожная карта (рис. 4), на которой показан весь известный в то время мир: от Британских островов на западе до устья реки Ганг на востоке, с юга и с севера — океан.

Рис. 4. Фрагмент дорожной карты.

Все сжато, вытянуто. Узкими полосами показаны Черное и Средиземное моря. Реки текут либо с востока на запад, либо с запада на восток. Нет никаких долгот и широт, никакой картографической сетки, никакой проекции. Да это и не требуется. Назначение дорожной карты — указывать путь. Вот почему она сделана в виде узкого свитка почти в 7 м длины, — так удобнее пользоваться в дороге. Моря и реки поэтому-то и вытянуты: как же иначе их разместить? При этом правда, очень сильно искажены очертания берегов. Но это не важно для человека, которого дорога приведет обязательно в нужное место. Искажены расстояния между населенными пунктами, нет масштаба, но вдоль дорог на карте подписаны длины линий, а изломы этих линий показывают станции.

Дорожные карты очень хорошо служили практическим нуждам. Вот почему они, несмотря на все недостатки, — замечательный памятник древней картографии.

Своим путем шло развитие картографии в рабовладельческом Китае. Еще за несколько столетий до нашей эры, когда Китай состоял из разрозненных царств, его территория была отображена на картах.

Существовал даже такой обычай. Если один царь желал преподнести в дар другому дарю какую-то часть своих земель, то он посылал со своим послом карту этих земель.

Картографические изображения тех времен были примитивны и напоминали схемы. В последующей истории китайской картографии известны и более подробные карты страны, но вплоть до XVII в. они составлялись без учета шарообразности Земли.

Значительные успехи в географии были достигнуты народами Ближнего Востока. Арабские ученые заимствовали у греков идеи о мироздании, размерах обитаемой Земли. Особенно велик был авторитет Птолемея. Карты, составленные арабскими картографами, имеют своеобразный вид и малопонятны для людей, привыкших к изображению местности по принципам европейской картографии. В их рисунке поражают геометрические очертания, преимущественно дуги окружностей и прямые линии.

 

Эпоха великих географических открытий

В средние века достижения античной картографической науки оказались надолго забытыми. Церковь вступила в жестокую борьбу с научными представлениями о строении мира. Она строго преследовала учение о шарообразной форме Земли.

Средневековые карты содержали живописное изображение местности. Картографы того времени, скрывая свое географическое неведение, заполняли карту разнообразными художественными рисунками: пустыни и леса «заселялись» дикими зверями, обжитые места заполнялись фигурами людей, моря украшались рисунками кораблей и морских животных.

Прошло много времени, прежде чем человеческая мысль освободилась от церковных догм. Лишь в XV в. вновь возрождается учение о шарообразной форме Земли. В это время переиздается карта Птолемея.

Эпоха великих географических открытий создала условия для развития картографической науки. Исключительно важное значение имели путешествия, совершенные в конце XV и начале XVI вв. Наиболее крупными из них были путешествия X. Колумба, открывшего Америку, и кругосветное путешествие Ф. Магеллана. В эту эпоху неизмеримо расширился горизонт знаний человека. Каждый день приносил новые географические данные.

Выдающимся картографом XVI в. был фламандский ученый Г. Меркатор. Он не только составил наиболее точные для того времени карты мира, но и разработал несколько картографических проекций (способов построения градусной сетки для карт). Из них наиболее известна проекция, носящая его имя и применяемая в наши дни (рис. 5).

Рис. 5. Карта мира Меркатора.

Особенность проекции такова, что околополюсные пространства на ней не могут быть изображены. Поэтому район, прилегающий к Северному полюсу, дан отдельной врезкой в юго-западном углу карты. На нем показаны четыре больших острова с проливами между ними, разделенными у южных входов небольшими островами на узкие протоки. В легенде (пояснении) приводятся источники, послужившие основой такого изображения. Меркатор ссылается на отчет путешествия некоего Якова Кноена. Возможно, такое путешествие было, но не к географическому, а к магнитному полюсу. Заблуждение легко объяснимо: в то время еще не знали о магнитном склонении и полагали, что стрелка компаса направлена на истинный север, а магнитный полюс как раз и находится в островной группе канадского архипелага.

В историю географических открытий вошел английский мореплаватель Д. Кук (1728–1779 гг.). Он открыл много островов в Тихом океане и исследовал восточный берег Австралии.

Успех всех экспедиций знаменитого мореплавателя Кука во многом определил туземец острова Таити — молодой полинезийский жрец Тупиа. У полинезийцев не было ни письменности, ни карт. От природы сообразительный, Тупиа отлично знал Полинезию. С его слов была составлена карта района, находящегося между 130 и 170° з. д., 7 и 27° ю. ш. Она охватывала территорию до 9 млн. км2, и на ней было отмечено около 80 островов. Благодаря этой карте Кук сделал крупнейшие географические открытия.

Экспедицией Кука был открыт Южный океан, но открыть Антарктиду ему не посчастливилось. В своем дневнике он писал: «Если кто-либо… проникнет дальше меня…миру его открытия не принесут славы».

Мрачный прогноз Кука не оправдался. Первая русская антарктическая экспедиция, возглавляемая Ф. Беллинсгаузеном и М. Лазаревым, впервые приблизилась к берегам Антарктиды и нанесла их на карту.

Труден был путь создания карты мира. Каждая линия на ней, каждый штрих и точка — результат огромного многолетнего труда землепроходцев, отважных путешественников и исследователей. Но иногда составители в погоне за славой становились на неверный путь и показывали на карте то, чего не было и не могло быть в действительности. Дорого обходились исследователям такие карты!

Великий русский мореплаватель командор В. Беринг поплатился жизнью, доверившись ошибочно составленной карте. Член его экспедиции Л. Делиль показал составленную его братом Гильомом карту, на которой к югу от Камчатки была изображена несуществующая Земля Гамы. И несмотря на то, что Сенат совершенно точно указал курс экспедиции Беринга от Камчатки к Америке, командор изменил его в поисках фантастической земли. Конечно, никакой Земли Гамы в том месте он не нашел, только напрасно потратил три недели драгоценного времени. Вот этих-то недель и не хватило В. Берингу для успешного завершения экспедиции. На обратном пути начались осенние штормы, продовольствие было на исходе, и люди совершенно обессилели. Почти неуправляемый корабль был выброшен на один из Командорских островов. Здесь во время вынужденной зимовки скончался великий командор. «Кровь закипает во мне всякий раз, — рассказывает один из помощников В. Беринга С. Ваксель, — когда я вспоминаю о бессовестном обмане, в который мы были введены этой неверной картой».

 

Чертежи русских земель

Русская картография имеет свою самобытную, чрезвычайно богатую историю. Ее делали блистательные землепроходцы, ходившие вдоль Амура и Тихого океана: Василий Поярков, Ерофей Хабаров, разведчик Охотского моря Михаил Стадухин, храбрый первопроходчик реки Лены Василий Бугров, искусный художник, составитель карт Семен Ремезов, устроитель Русской Америки Григорий Шелехов, отважный казак Семен Дежнев, открывший пролив между Азией и Америкой, и многие другие, часто безвестные, составители «чертежей», как тогда на Руси называли карты.

Чертежи были примитивны. Их исполнители — казаки, воеводы — не были топографами и даже не могли похвастаться своей грамотностью. Они работали, как умели и как подсказывало им чувство долга. Ориентировка по странам света и расчет расстояний по времени движения являлись основными исходными данными для составления чертежа.

Предполагают, что чертежи создавались еще в XIII в., но ни один из них не сохранился. Зато имеется много свидетельств об использовании их при составлении карт в XVI–XVII вв. русскими и зарубежными картографами. Оригинальные русские чертежи послужили источником для составления замечательной карты Русского государства «Большой Чертеж». Эта карта охватывала огромную территорию от Белого до Черного моря и от Балтийского моря до реки Оби. Масштаб ее был 75 верст в 1 вершке, т. е. примерно 1:1 850 000, а размер 3X3 аршина (около 2X2 м). На ней имелось более 800 рек, 340 городов, 26 городищ, 34 монастыря, урочища, места добычи соли, озера. Всего на карте было изображено свыше 2000 географических объектов — степень подробности по тому времени очень большая. К великому сожалению, «Большой Чертеж», изготовленный в конце XVI в, не сохранился, но мы имеем полное представление о нем, так как располагаем приложением к нему — географическим описанием, известным под названием «Книга Большому Чертежу». В этой книге содержатся маршрутные описания по дорогам и рекам Московского государства. Вот выдержка из этой книги:

«Царствующий град Москва, на реке на Москве, на левом берегу; а река Москва вытекла по Вяземской дороге, за Можайском верст с 30 или немного больше. А от Москвы дорога до Серпухова 90 верст. А Серпухов стоит на Наре, а от Оки реки с версту».

Такое детальное описание взаимного расположения местных предметов с указанием расстояний между ними убеждает нас в том, что «Большой Чертеж» для того времени был достаточно подробным и точным.

 

Новая эпоха в русской картографии

Одна из ярчайших страниц в истории русской картографии связана с именем Петра I. Страстно желая завязать отношения с внешним миром, он в первую очередь обращал внимание на пути сообщения, особенно водные. По материалам гидрографических съемок в 1703 г. был составлен и издан Атлас Дона, Азовского и Черного морей, а в 1720 г. — Атлас Балтийского моря.

Петр I создал первую на Руси Математико-навигационную школу, где ученики обучались морской навигации, геодезии и картографии. Специальным указом от 9 декабря 1719 г. он разослал подготовленных в школе геодезистов во все концы России для съемки отдельных территорий. Очень большой вклад в картографирование страны внесли выпускники школы геодезисты И. Евреинов и Ф. Лужин. Они прошли от Тобольска до Охотского моря и далее на Камчатку и Курильские острова. Именно они впервые определили точное местоположение разных географических пунктов и составили карту Сибири и Дальнего Востока.

Техника составления карт в те времена была несложной. На листе бумаги вычерчивалась сетка меридианов и параллелей (обычно прямоугольная), на которую по вычисленным координатам наносились опорные точки, а затем — основное содержание карты.

Карта, составленная И. Евреиновым и Ф. Лужиным, имела довольно значительные размеры — 1X0,5 м. Подробность и точность в различных ее частях неодинаковы. Детальнее изображены те места, где побывали геодезисты, а нанесенные со старых чертежей или со слов местных жителей оказались менее точными.

Реки вычерчены одной или двумя линиями в зависимости от их ширины. Горы изображены отдельными, не связанными в цепочки холмами одинаковых размеров с подчеркнутым основанием и слабо оттененной восточной стороной. Исключение составляет лишь изображение Ключевской сопки, которая показана значком грибовидной формы и сопровождается пояснительной надписью: «Сопка горит днем и ночью». Лесам соответствовали разобщенные или сгруппированные значки отдельных деревьев, городам — башни на возвышении с пристройкой и с крестом наверху. Названия указаны для всех населенных пунктов, почти всех рек, морей, некоторых островов. Все надписи сделаны аккуратно, четко, легко читаются.

Карта И. Евреинова, хотя и имеет ряд погрешностей (из-за неточного определения долгот она получилась сжатой с востока на запад), но обладает значительными преимуществами по сравнению с допетровскими чертежами. Во-первых, она построена на математической основе, которой не было в прежних чертежах; во-вторых, эта карта составлялась картографами-профессионалами, что проявилось в высоком художественном уровне ее исполнения.

Мы не знаем имен всех людей, принимавших участие в съемочных работах с целью создания карт русских земель, не знаем даже сколько их было. Трудно порой оценить, кто сделал больше, кто меньше. Но можно сказать, что съемочные работы, проведенные по указам Петра I, явились большим вкладом в развитие отечественной картографии.

Наиболее значительные успехи русской картографии во второй половине XVIII в. были связаны с именем нашего гениального ученого М. В. Ломоносова, возглавлявшего с 1757 по 1765 г. Географический департамент. Под его руководством подготовлено к изданию много карт, в том числе карта приполярных стран, составленная лично им. На ней берега континентов показаны по-разному. Там, где проведены тщательные исследования и побывали геодезисты, берега изображены сплошными утолщенными линиями, в недостаточно исследованных местах — пунктиром.

М. В. Ломоносова по праву можно считать также и отцом экономической картографии. Он впервые определил ее задачи и наметил программу работ по созданию экономических карт и атласов.

В 1797 г. было организовано Депо карт. Его силами составлена подробная столистная Карта Российской империи в масштабе 1:840 000. По сравнению с западноевропейскими картами того времени она выгодно отличалась разносторонней характеристикой природных особенностей местности. На ней умело применены условные знаки и наглядно изображен рельеф.

Впоследствии Депо карт было преобразовано в Военно-топографическое управление, при котором в 1822 г. создан Корпус военных топографов. В нем сосредоточилась вся гигантская работа по картографированию огромной страны. Военные топографы с первыми признаками весны уходили подчас в совершенно необжитые места, месяцами терпели лишения. С громоздкими приборами в руках версту за верстой мерили территорию России. Штрих за штрихом создавали точный портрет страны: прочерчивали линии рек и контуры берегов озер, морей, обозначали долины и кряжи, овраги и высоты. Высокое качество тысяч и тысяч листов карт, созданных русскими топографами, неизменно отмечались на международных выставках и географических конгрессах.

После Великой Октябрьской социалистической революции возникла острая необходимость в ускоренном картографировании страны. Уже с 1920 г. начал внедряться прогрессивный метод создания карт с использованием материалов аэрофотосъемки. Это позволило за сравнительно короткие сроки создать карты на обширные территории и к 1954 г. завершить картографирование нашей страны в масштабе 1:100 000. В настоящее время советская картография занимает одно из ведущих мест в мире.

В 1977 г. советскими картографами при участии специалистов социалистических стран завершена работа по созданию уникальной географической Карты мира в масштабе 1:2500000. Такого глобального и детального «портрета» нашей планеты до сих пор не было. На ней впервые изображена вся поверхность Земли, а также показан рельеф океанического дна. Карта содержит сведения о географических условиях, государствах, экономике и призвана помочь специалистам рациональнее использовать природные богатства и проводить мероприятия по охране окружающей среды.

 

ОТ ГЛОБУСА К КАРТЕ

 

 

Модель Земли

Уменьшенной моделью Земли, наиболее полно отображающей ее поверхность, является глобус, что в переводе с латинского означает шар. С помощью глобуса можно представить себе вращение Земли вокруг оси, наклон земной оси к плоскости орбиты. А главное, на глобусе мы наблюдаем в уменьшенном виде всю поверхность нашей планеты.

Первый упоминаемый в литературе земной глобус — глобус Кратеса из Пергамы — был сделан во II в. до н. э. Однако ни сам глобус, ни его изображение не найдены. В I в. н. э. среднеазиатский ученый Бируни, родившийся в городе Кяте — древней столице Хорезма (ныне г. Бируни Каракалпакской АССР) изготовил оригинальный глобус, наиболее точно для того времени передававший представление о земном шаре. О том, как ученый создавал свой глобус, он рассказывал сам: «Я начал с уточнения расстояний и названий мест и городов, основываясь на слышанном от тех, кто по ним странствовал, и собранном из уст тех, кто их видел. Предварительно я проверил надежность материала и принял меры предосторожности путем сопоставления сведений одних лиц со сведениями других». К сожалению и этот глобус до нас не дошел.

Первым из сохранившихся считается глобус, изготовленный в 1492 г. немецким географом М. Бехаймом. На нем еще не было Америки, и расстояние между западным побережьем Европы и восточным побережьем Азии было в два раза меньше, чем в действительности.

Уникальным памятником отечественной науки и техники XVIII в. является большой академический глобус, диаметр которого составляет 3 м 10 см. На наружной поверхности его нанесена карта Земли, а на внутренней— звездного неба. Глобус укреплен на железной оси, нижний конец которой упирается в пол, а верхний с помощью специальных растяжек крепится к стенам зала. Внутри глобуса на его оси смонтированы стол и скамья. Здесь могут разместиться одновременно 10–12 человек. С помощью особого механизма глобус вращается вокруг оси, а сидящие внутри зрители, оставаясь на неподвижной скамье, могут наблюдать движение небесных светил. Этот глобус хранится в музее М. В. Ломоносова в Ленинграде.

В настоящее время фигуру Земли представляют в виде эллипсоида, так как экваториальный радиус Земли больше полярного примерно на 21 км. Возникает вопрос, почему же глобусы изготовляют в виде шара, а не эллипсоида?

Решим следующую задачу. Допустим, глобус имеет диаметр 50 см. На какую величину экваториальный радиус на таком глобусе больше полярного? Это можно определить, пользуясь следующим соотношением: R/ΔR = r/Δr, где R — средний радиус Земли, r — радиус глобуса; ΔR, Δr — разности экваториального и полярного радиусов Земли и глобуса.

Из этой формулы следует, что разность экваториального и полярного радиусов глобуса составляет: Δr = (ΔR/R)·r = 21/6370·25 = 0,1 см.

Понятно, что такое малое расхождение радиусов глобуса не может быть ощутимо. И действительно, с космических высот наша планета представляется правильным шаром с затуманенными из-за наличия атмосферы краями.

Неровности земной поверхности также не отобразятся на глобусе. Даже такая величайшая вершина мира, как г. Джомолунгма, и та будет на глобусе незаметной песчинкой высотой несколько микрометров.

Обычно масштабы глобусов очень мелкие —1:30-1:80 млн., но в отдельных случаях, например у музейных глобусов, они составляют 1:10 млн и крупнее. Такие глобусы иногда делают рельефными, но рельеф на них изображают в значительно укрупненном масштабе.

Параллели и меридианы, проведенные на глобусе, образуют своеобразную сетку, которая называется географической. Относительно этой сетки на поверхности глобуса изображены моря и океаны, материки и отдельные страны. Вследствие этого глобус обладает замечательными свойствами. Он не только наглядно представляет фигуру Земли, но и дает правильное представление о положении на земном шаре полюсов и экватора, а также основных частей земной поверхности: материков, океанов, морей, островов и других крупных объектов. Изображение Земли на глобусе имеет свойства равно-масштабности, равновеликости и равноугольности. Это значит, что все линейные размеры даются на нем с одинаковым уменьшением, формы фигур подобны действительным очертаниям на земной поверхности, а площади всех объектов, показанных на глобусе, пропорциональны их действительным площадям на земном шаре.

Глобус как картографическая модель земного шара позволяет рассматривать Землю как бы со стороны, ко не издалека и не окутанную в облачный покров, какой она видна из космоса, а расположенную рядом, доступную для непосредственного изучения, измерений и решения различных задач.

 

Со сферы на плоскость

Глобус, безусловно, дает самое верное представление о взаимном расположении материков и океанов, рек, городов, гор. Но с этой моделью нашей планеты не очень удобно работать. Глобусы при всех своих достоинствах очень мелкомасштабны и громоздки. Так, если бы глобус был изготовлен в масштабе 1:1 000 000, то он имел бы диаметр 12,7 м. Кроме того, на нем трудно производить линейные измерения, определять плановые координаты точек, наносить на него изображения географических объектов. Да и пользоваться глобусом не всегда удобно — ведь его нельзя напечатать в книге или на отдельном листе. Поэтому-то глобусы имеют меньшее распространение и применение, чем карты, которые более удобны для использования и хранения.

Как же перейти от глобуса к карте, как перенести сферическую поверхность Земли на плоскость? Если бы Земля имела форму цилиндра или конуса, то сделать развертку ее поверхности не составило бы больших трудностей. Но попробуйте сделать плоской корку от апельсина и вы поймете, в чем заключается основная проблема картографии: поверхность шара или эллипсоида нельзя перенести на плоскость без разрывов или складок.

Попытаемся сделать так. Перенесем с поверхности глобуса узкие полоски, ограниченные меридианами через 10 или 15° по долготе. В пределах каждой полоски видимых искажений нет, но зато между полосками получились разрывы, которые увеличиваются по мере удаления к полюсам. Заполним эти разрывы слегка растянув картографические рисунки, изображающие земную поверхность. Из-за этого правда, расстояния между городами, размеры морей, островов станут большими, чем на глобусе. Гренландия, например, будет выглядеть больше, чем Австралия, хотя на самом деле ее площадь в 3 раза меньше. На глобусе, конечно, таких сюрпризов нет. Но уж тут ничего не поделаешь — другого выхода нет. Приходится с подобными искажениями мириться. Важно только знать, в каком участке карты и на сколько растянуты изображения.

Заметьте, что на каждой полоске, вырезанной из глобуса, крайние меридианы, а также параллели были дугами окружностей, а на карте они после растяжения стали прямыми линиями. Таким образом, переход от поверхности глобуса к плоскости получился в результате преобразования градусной сетки глобуса. В этом и состоит сущность так называемых картографических проекций.

В зависимости от вида проекции меридианы и параллели, образующие градусную (картографическую) сетку, могут изображаться прямыми, или кривыми линиями. Сетка параллелей и меридианов служит основой любой карты. Ее заполняют географическими объектами, положение которых определяется из топографических съемок. Образно говоря, сетка служит канвой, на которой вышиваются географические узоры.

При создании карт применяют самые разнообразные проекции. Точки земной поверхности проектируют на плоскости, конусы, цилиндры, многоугольники или сразу же на поверхности нескольких совмещенных фигур. При этом Земля принимает самый разнообразный вид.

Над разработкой картографических проекций трудились крупнейшие ученые разных эпох. Достаточно назвать Аристотеля и Птолемея, Леонардо да Винчи и Декарта, М. В. Ломоносова и К. Гаусса. Замечательный русский ученый, создатель периодической системы химических элементов Д. И. Менделеев также внес определенный вклад в картографию: он предложил оригинальную проекцию для карты России, и такая карта была издана в 1906 г.

Несмотря на то, что существуют тысячи способов изображения Земли на плоскости, ни один из них не дает точного ее воспроизведения. Всегда чем-то приходится жертвовать. На одних картах правильно изображают очертания материков и океанов, но при этом искажают их размеры. На других — сохраняют площади, зато искажают формы континентов.

Применяя различные картографические проекции, можно создавать карты, свободные или почти свободные от одних искажений, но сохраняющие искажения другого рода. Знакомясь с различными видами карт, можно только поражаться широте возможностей и гибкости средств, которыми обладает картография. Картографы могут предложить специалистам множество проекций, причем каждая будет удовлетворять ранее заданным условиям, за исключением одного: карты, совершенно свободной от искажений земной поверхности, не существует. Хотите избавиться от одних искажений — миритесь с другими!

Самые большие искажения свойственны картам мира, так как на них изображают поверхность всего земного шара. На картах отдельных стран искажения будут меньше. Это легко понять: ведь маленькую выпуклость сферы легче перенести на плоскость! Поэтому на карте, изображающей небольшой материк, небольшую страну, разномасштабность в различных ее местах невелика, и при измерениях молено пользоваться одним, средним масштабом.

На первый взгляд, построение картографических проекций может показаться простым делом. На самом лее деле любая проекция строится по строгому математическому закону. Изучением законов построения картографических проекций занимается специальная наука — математическая картография.

 

Какие бывают проекции

Составление карты сводится к изображению географических объектов, расположенных на земной поверхности. Их можно выполнить различным путем. Заключим, например, изображение в какую-то систему координат а затем преобразуем ее в другую систему х1у1 и перенесем изображение по клеткам координатной сетки (рис. 6).

Рис. 6. Преобразование изображений при переходе от одной координатной сетки к другой.

Что же произошло в результате? Лоб сделался скошенным, затылок выдался назад и т. д. Чем детальнее мы станем описывать результаты изменений, тем станет яснее, как помогает такому описанию координатная сетка. В сущности все описание можно свести к показу того, что произошло с сеткой, так как она является как бы каркасом изображения.

Для картографических изображений своеобразным каркасом служит градусная сетка, которая наносится на основу будущей карты в определенной картографической проекции. Затем по клеткам градусной (картографической) сетки переносят и вычерчивают материки и другие географические объекты.

Сущность картографического проектирования легко уясняется из следующего примера. Возьмем полый стеклянный шар и на одной его половине нанесем градусную сетку и очертания материков, океанов, морей (рис. 7).

Рис. 7. Схема получения азимутальной проекции.

С одной стороны шара установим экран, а с другой стороны на уровне экватора — источник света, например карманный фонарь. В этом случае на экран проектируются градусная сетка и контуры материков. Обведя полученное изображение карандашом, получим карту полушария.

Сравним начертания параллелей и меридианов на глобусе с очертаниями их на карте полушария. Если на глобусе все параллели представляют собой окружности, расположенные параллельно экватору, то на карте полушария экватор изображается прямой линией, а параллели — кривыми линиями разной округлости, и поэтому равные расстояния между параллелями получаются на карте различными. Все меридианы на глобусе имеют одинаковую длину, что соответствует действительности. На карте полушария длина меридианов различна. Средний меридиан изображен прямой линией, крайние образуют окружности, длина которых в полтора раза больше среднего, а остальные — кривыми.

При проектировании градусной сетки с глобуса на плоскость, касательную к нему в какой-либо точке, или на плоскость, секущую его, получают так называемые азимутальные проекции. В нашем примере плоскость касалась глобуса в точке экватора. Такие проекции называют поперечными. Если же точка касания находится на полюсе, то проекция называется прямой. Прямая азимутальная проекция имеет совершенно другую форму картографической сетки: параллели на ней изображаются концентрическими окружностями, а меридианы — прямыми радиальными линиями.

Концентрические окружности могут быть нанесены по-разному. Их можно провести, например, радиусами выпрямленных дуг меридиана от полюса до соответствующих параллелей. Такая проекция называется равнопромежуточной по меридианам. На ней сохраняется одинаковый масштаб по всем меридианам.

Азимутальных проекций может быть великое множество. Во-первых, точку касания можно брать не только на экваторе или на полюсах, но в любом другом произвольном месте. Во-вторых, источник света, т. е. центр проектирования, можно передвигать все дальше и дальше от глобуса, и в каждом случае картографическая сетка будет принимать разную форму.

А вот еще один вид картографической проекции. Вообразите, что земной шар обернут цилиндрической поверхностью, соприкасающейся с ним по линии экватора (рис. 8, а).

Рис. 8. Схема получения цилиндрической проекции.

Световая точка находится на оси шара и посылает веером вокруг себя плоский пучок лучей, параллельных экватору, при этом точка перемещается вдоль земной оси, проецируя по очереди только те параллели, которые находятся на одном уровне с ней.

Движущаяся световая точка перенесла с шара градусную сетку на поверхность цилиндра. Снимем этот экран, замкнутый в цилиндр, разрежем его по одному из меридианов и, развернув на столе, получим карту в цилиндрической проекции (рис. 8, б). Для подобных проекций характерны взаимно перпендикулярное начертание параллелей и меридианов и равенство расстояний между меридианами. По расположению параллелей выделяются три основных вида проекций. В полученной нами проекции расстояния между параллелями значительно уменьшаются по мере приближения к полюсам, и поэтому очертания материков, удаленных от экватора, становятся уродливыми. Такую проекцию разработал немецкий ученый Ламберт в середине XVIII в. Фламандский картограф Меркатор поступил наоборот: он увеличил расстояния между параллелями от экватора к полюсам, и карта приняла совершенно иной вид (см. рис. 5). Если же расстояния между параллелями равны между собой и расстояниям между меридианами, это будет квадратная проекция. Ее предложил еще в 1438 г. португалец Энрико, известный также под именем Генриха Мореплавателя.

При построении цилиндрических проекций цилиндр, на который переносится градусная сетка, может касаться шара не только по линии экватора, но и по любой другой линии большого круга. И не только касаться, но и рассекать его. В зависимости от этого картографическая сетка также принимает различный вид.

В цилиндрической проекции составляются и топографические карты. Но в отличие от мелкомасштабных обзорных карт местность на них изображается как на плане, т. е. практически без искажений. Как же это объяснить? Дело в том, что поверхность Земли переносится на плоскость не сразу вся, а по отдельным частям — зонам шириной 6° по долготе. Каждая зона как бы перекосится с земного шара на поверхность воображаемого цилиндра, который затем разрезается и развертывается. Перенесенные таким путем зоны изображаются на плоскости одна рядом с другой. Масштаб в каждой зоне практически одинаков. Поэтому не только отдельные листы топографических карт, но и их склейки в пределах зоны при измерениях можно использовать как планы, на которых сохраняется постоянство масштаба. Две зоны соприкасаются между собой только в точке на линии экватора, а к северу и к югу от экватора происходят разрывы. В них-то и скрыты искажения за счет перехода со сферы на плоскость. Если же склеить все зоны вместе, то получится шаровая поверхность, т. е. глобус.

Следующая большая группа проекций относится к коническим. В конических проекциях градусная сетка переносится с шара на боковую поверхность касательного к нему или секущего конуса, который затем так же, как и цилиндр, разрезается и развертывается. Градусную сетку в конической проекции можно легко построить самим, используя глобус и лист кальки. Из кальки сделайте конус, который затем поставьте на глобус так, чтобы его вершина располагалась над полюсом (рис. 9).

Рис. 9. Проекция на конус.

Карандашом обведите на кальке параллель глобуса, по которой его касается конус. После этого снимите конус и разрежьте его по образующей. Прочерченную линию параллели поделите на равные части через определенное число градусов, например, через 30°. Соедините прямыми линиями точки деления с вершиной. Это будут меридианы. А параллели проведите в виде дуг концентрических окружностей через равные по меридиану промежутки, обозначающие определенное число градусов широты. В результате построения вы получите картографическую сетку в конической проекции.

Когда задача имеет слишком много решений, всегда возникает вопрос: нельзя ли выбрать лучшее из них. Для географических карт П. Л. Чебышев в 1858 г. поставил и решил следующую проблему: каким образом дать наиболее подобное изображение данной страны, чтобы при этом искажение масштаба оказалось минимальным. Без доказательства он сообщил, что для этого нужно, чтобы масштаб во всех точках границы страны был одним и тем же. П. Л. Чебышев умер, не опубликовав своей работы. Долгие годы математики всего мира искали решение этой задачи. Лишь в 1896 г. русский ученый Д. А. Граве сумел восстановить доказательство П. Л. Чебышева.

Картографическую проекцию, удовлетворяющую поставленному условию, можно создать только в том случае, когда северная и южная границы страны проходят по параллелям, а западная и восточная — по меридианам. Для каждой страны можно составить проекцию, которая в достаточной степени отвечает нашему условию. Попробуем это сделать для карты Испании и Португалии (рис. 10).

Рис. 10. Проекция с минимальным искажением масштаба.

Найдем на глобусе или карте крайние точки Пиренейского полуострова и определим их координаты:

мыс Финистерре — 42,9° с. ш., 9,3° з. д. (-9,3°);

мыс Креус — 42,3° с. ш., 3,3° в. д. (3,3°);

мыс Сан-Висенти — 37,1° с. ш., 9,0° з. д. (-9,0°);

мыс Гата — 36,7° с. ш., 2,2° з. д (-2,2°).

Возьмем средние значения широт для северной и южной сторон и средние значения долгот для западной и восточной сторон четырехугольника:

В ср = (42,9 + 42,3)/2 = 42,6°;

В ср = (37,1 + 36,7)/2 = 36,9°;

L ср = (-9,3) + (-9,0)/2 = -9,2°;

L ср = (3,3) + (-2,2)/2 = +0,6°.

Длина дуги меридиана в 1° составляет 111 км, а длина дуг параллелей в 1° на широте 42,6° равна 82 км и на широте 36,9° — 89 км. Разность средних широт составляет 5,7° (42,6-36,9), а средних долгот 9,8° (0,6+9,2). Подсчитаем длины сторон трапеции, составленной средними параллелями и меридианами. Получилось: нижнее основание 872 км (89·9,8), верхнее основание 804 км (82·9,8), боковая сторона 633 км (111·5,7). По этим данным вычертим в определенном масштабе пунктирной линией трапецию, и у ее сторон подпишем соответствующие широты и долготы (36,9° с. ш., 42,6° с. ш., 9,2° з. д., 0,6° в. д.). Предварительное условие выполнено. У нас получилась клетка вспомогательной картографической сетки, по сторонам которой выдерживается один и тот же масштаб. Пользуясь ею, проведем через 5° параллели и меридианы и от них нанесем границу Пиренейского полуострова. Она пройдет недалеко от линий вспомогательной сетки, и во всех ее точках масштаб практически будет одним и тем же, равным масштабу трапеции.

Идея П. Л. Чебышева нашла практическое воплощение при составлении карт СССР. Такие карты обычно составляют в конической проекции с условием сохранения масштаба по меридианам и двум параллелям, одна из которых пересекает южную границу страны, а вторая проходит на несколько градусов южнее побережья Северного Ледовитого океана. Получается так, что конус не касается глобуса, а сечет его по двум заданным параллелям.

Возможно, у вас возникнет вопрос: почему северная параллель сечения так же, как и южная, не пересекает границу страны, а находится южнее ее? Нетрудно догадаться, в чем тут дело. Перенос параллели сечения к югу вызван тем, что северные окраины нашей страны мало обжиты, а точность картографического изображения более важна в местах населенных.

Мы познакомились только с основными картографическими проекциями. А сколько их разновидностей? Сколько разработано еще так называемых условных проекций? Великое множество! Изображение земного шара мы видим на Гербе СССР. В такой проекции предложил представить нашу планету военный топограф В. Н. Адрианов. Получился очень эффектный рисунок. Земной шар представляется как бы силуэтом летящей в пространстве планеты. В другой проекции изображена схематическая карта на эмблеме ООН (рис. 11).

Рис. 11. Изображение земного шара на эмблеме ООН.

Здесь на одном полушарии удалось изобразить поверхность всего мира — олицетворение идей организации, объединяющей все страны независимо от их политического устройства. Поверхность земного шара от Северного полюса до экватора изображена в обычной полярной азимутальной проекции. А дальше — от экватора к Южному полюсу изображение поверхности чрезвычайно искажено. Параллели, уменьшающиеся к югу от экватора, в этой проекции увеличиваются до бесконечности. Понятно, что карта в такой проекции для практического использования непригодна. А вот если сделать разрывы от экватора к южному полюсу, то поверхность южного полушария принимает сравнительно реальный вид. В результате такого картографического приема получается звездообразная проекция (рис. 12).