Meresõitja peab teadma võimalikult täpselt, kui palju vett on parasjagu laeva kiilu all. Eriti oluline on see sadamasse sisenedes ja väljudes ning kulgedes kitsas faarvaatris. Ainult sügavusi määravast sonarist või satelliitpositsioneerimisest siinkohal ei piisa, sest sügavusandmed peavad olema seotud kindla nulltasemega, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli geodeesia uurimisrühma juht ja täisprofessor tenuuris Artu Ellmann.
Seni kasutasid Läänemere-äärsed riigid ja vahel isegi sama riigi eri sadamad selleks erinevaid lähtepunkte. Seetõttu näitasid ka eri riikide navigatsioonikaardid erinevaid nulltasemeid. Piltlikult öeldes sattus ühest sadamast teise sõitev laev riigipiiri ületades justkui teistsugustesse sügavustesse.
Probleem on eriti terav Läänemere madalatel rannikualadel, kus suurte laevade kiilu alla jääb niigi vähe vaba vett. Kui sügavusandmed ja veetaseme prognoosid põhinevad eri lähtepindadel, peab laevajuht neid enne koos kasutamist hoolikalt ümber arvutama.
Vanasti määrasid riigid merekaartide sügavused enamasti mareograafide ehk veemõõdujaamade juures kindlaks määratud keskmise meretaseme järgi. Kuigi lahendus oli omal ajal praktiline, pole Läänemere keskmine meretase kõikjal sama. Seda mõjutavad nii tuul, õhurõhk, hoovused, vee temperatuur kui ka soolsus.
Näiteks asuvad Läänemere ida- ja põhjaosade veetasemed keskmiselt 15 sentimeetrit kõrgemal nii Läänemere lõunaosa kui ka Põhjamere veetasemest. Lisaks kergitab viimatise jääaja järgne maapinnatõus Botnia lahe piirkonnas merepõhja aastas koguni ligi sentimeetri võrra.
Kohalik keskmine meretase võib olla veemõõdujaama juures hästi teada, kuid avamerele või teise riigi sadamasse seda lihtsalt üle kanda ei saa. See tekitab digitaalsete merekaartide ja satelliitasukohamäärangu ajastul suuri probleeme, kuna laeva mõõteseadmed, kaart ja veetaseme prognoos võivad näidata sama olukorda veidi erinevalt. Erinevustest tingitud sügavusmäärangu viga võib kasvada detsimeetritesse.
Satelliitmõõtmised kõrgusmäärangul
Kuna satelliitnavigatsioonisüsteemide GNSS (Global Navigation Satellites System, millest tuntuim on GPS) asukohamäärangu täpsus läheneb teatud tehniliste tingimustel juba sentimeetritele, on vaja samaväärse täpsusega kõrguste lähtepinda.
GNSS mõõdab asukohta ja kõrgust matemaatilise referentsellipsoidi ehk Maa lihtsustatud sileda kuju suhtes. Paraku pole maaellipsoidi kui tehisliku matemaatilise pinna suhtes määratud kõrgustel praktilist väärtust. Merenavigatsioonis, loodusnähtusi uurides ja paljudes inseneriülesannetes on hoopis olulisem teada kõrguseid või sügavusi keskmise merepinna suhtes.
Maapinnast 20 000 kilomeetri kaugusel tiirlevate GNSS-satelliitidega pole võimalik seda tüüpi kõrgust mõõta. Otstarbekas on võtta kõrgus- ja sügavusmäärangu lähtepinnana kasutusele Maa raskusväljaga seotud nivoopind ehk geoid. See kujuteldav pind vastab rahulikus tasakaalus olevale maailmamere pinnale, kui lained, hoovused ja muud häirivad mõjud puuduvad.
Euroopa ühtne kõrgussüsteemi lähtenivoo ühildati Amsterdami nulliga (Normaal Amsterdams Peil, NAP). Eestis hakati kasutama Euroopa kõrgussüsteemi 2018. aastal ja riiklikku lahendust tähistatakse lühendiga EH2000. Varasem BK77 ehk Balti normaalkõrgussüsteem 1977 lähtus Peterburi lähistel asuvast Kroonlinna nullist. Ilmnes, et kahe süsteemi erinevused küündisid Eesti piires 20 sentimeetrini. Vahe tulenes eelmainitud Läänemere ja Põhjamere veetasemete keskmise erinevuse ning meie piirkonna maatõusu koosmõjust.
Nii said maismaakaartide kõrgused ja merekaartide sügavused uued väärtused. Kuna uus Amsterdami null oli endisest n-ö madalamal, siis maismaal asuvate objektide kõrgused muutusid kõrgemaks, aga meresügavused madalamaks. Olgu rõhutatud, et teisendus ei muutnud merepõhja füüsilist asukohta ja keegi umbes 20 sentimeetri paksust merevee kihti ära ei varastanud. Muutus vaid mõõtmiste lähtepind.
Maismaal on võimalik rajada püsivaid maamärke, mille kõrgusväärtuseid on võimalik täpselt mõõta. Merel on olukord teine: seal ei ole kindlat pidepunkti, kuna lisaks lainetusele liigub veetase näiteks tuulte mõjul pidevalt üles-alla. Siin on geoidimudel meresügavuse või veetaseme kõrguse määramisel ainuvõimalik lahendus. Mõnesentimeetrise täpsusega geoidimudel võimaldaks GNSS-täppispositsioneerimise toel mõõta meresügavust senisest rangemalt ja täpsemalt.
Pealegi saavad veesõidukid ühtse merekaardistamissüsteemi ja täpsete sügavusandmete varal rannikuvetes ohutumalt navigeerida, kus sügavusvaru on kriitiliselt väike.
Ühtse meregeoidi loomine
Läänemere hüdrograafiakomisjon mõistis vajadust ühtse kõrgussüsteemi järele juba 2005. aastal. Teadlased soovisid üldeesmärgina parendada Läänemere veeteedel navigeerimise ohutust. Peale aastaid kestnud arutelusid ja teostatavusuuringuid otsustasid nad 2013. aastal alustada ühtse geoidipõhise kõrgussüsteemi Baltic Sea Chart Datum 2000 (BSCD2000) ettevalmistustöödega. Selle nulltaseme aluseks valisid nad samuti Euroopa kõrgussüsteemi ja Amsterdami nulli, mitte enam sadamate ajaloolise keskmise veetaseme.
Süsteem arvestab ka ajaga. BSCD2000 fikseerib maatõusust mõjustatud kõrgused 2000. aasta alguse seisuga. Nii ei lase pidev maapinnakerge nulltaset märkamatult uude kohta nihutada. See võimaldab veetaseme hetkeseisu rangelt mõõta ja prognoosida ühetaoliselt kõikides Läänemere maades.
Geoidimudeli kokkupanekuks vajasid teadlased raskuskiirenduse andmeid maalt, merelt ja õhust ning kasutasid ka satelliitgravimeetriat. Läänemerel ja selle lähikonnas haigutasid aga suured andmelüngad, mille täitmiseks oli tarvis täiendavaid gravimeetrilisi mõõtmisi. Neid aitas rahastada Euroopa Liidu transpordiprogrammi toetatud koostööprojekt FAMOS (Finalising Surveys for the Baltic Motorways of the Sea), mis ühendab Läänemereriikide riigi- ja teadusasutusi ning ülikoole.
Aastatel 2013–2022 tegi töörühm FAMOS-projekti toel merel ulatuslikke gravimeetrilisi mõõtmisi, sh ka Eesti territoriaal- ning majandustsooni vetes. Teadlased kogusid hüdrograafiliste mõõdistuslaevadega andmeid koostöös Tallinna Tehnikaülikooli, Taani Tehnikaülikooli ja veeteede ametiga (nüüdne transpordiamet) 2016. ja 2017. aasta suvel Lääne-Eesti rannikumeres ja Soome lahes meregravimeetrilisi mõõtmisi.
Tallinna Tehnikülikool oli üks neljast arvutuskeskusest, millega BSCD2000 mudelpind välja töötati. Teadlased arvutasid sama andmestiku põhjal neli sõltumatut gravimeetrilist meregeoidi. Nad ühendasid need kaalutud keskmiseks, sobitasid maismaal asuvate kontrollpunktide abil riiklike kõrgussüsteemidega ning sulatasid seejärel lõpuks kokku riiklike maismaa kõrgusreferentsi pindadega. Ranniku ja riigipiiride lähedale jätsid nad umbes kümne kilomeetri laiuse üleminekuala, et geoidi mere- ja maismaamudeli vahele ei tekiks järsku astet.
Projekti peamised tulemused on leitavad ajakirjas Journal of Geodesy ilmunud artiklist.
Alates 2023. aasta lõpust kehtib ligi kilomeetrise ruumilise lahutusega BSCD2000 geoidimudel Läänemere-äärsetes riikides ametliku kõrgusliku referentspinnana, mida kasutatakse merenavigatsioonis ning veetaseme määramisel. Eesti uued navigatsioonikaardid märgivad meresügavuste lähtenivoopinnana juba EH2000/BSCD2000.
Üks nulltase, mitu uut rakendust
BSCD2000 meregeoidi võrdlus satelliitaltimeetria andmete ja hüdrodünaamilise mudelitega kinnitas geoidimudelile kuni kolme sentimeetri suuruse täpsuse saavutamist.
Ühtne merekaartide nullnivoo BSCD2000 aitab luua uusi ja täpsemaid elektroonilisi navigatsioonikaarte. Merepõhja sügavused, veetaseme andmed, maismaakõrgused ja satelliitpositsioneerimise (GNSS) annavad laevajuhile võimaluse jälgida laeva kiilualust sügavusvaru reaalajas, planeerida ohutumat ja kütusesäästlikumat marsruuti. Teadlased saavad aga arendada ja täiustada autonoomsete laevade navigatsioonilahendusi.
Sentimeetri täpsusega kõrgus- ja sügavusandmed on eriti olulised madalates sadamates ja kitsastel laevateedel. Täpsem mudel aitab paremini arvestada ka laevade optimaalset liikumiskiirust. Kiirendamisel vajub laevasüvis sügavamale, mis vähendab veelgi kiilu all olevat vaba vett veelgi. Kui kapten teab täpset sügavusvaru, saab ta laevade lasti tõhusamalt planeerida, mis säästab omakorda märkimisväärselt raha. Võimaldab ju kindlam teadmine meresügavustest ja veetasemest lastida laevale rohkem kaupa.
Ühtne kõrguslik alus lihtsustab ka sadamate, meretuuleparkide, merekaablite ja teiste mererajatiste projekteerimist. Mere- ja maismaakõrgused moodustavad nüüd ühe terviku, ning sügavused ja veetaseme kõrgused ei katke enam rannajoone või riigipiiri juures.
Teadustöö väärtus ulatub seega pelgalt täpse arvutusmudeli loomisest kaugemale. BSCD2000 näitab, kuidas eri riikide mõõtmisandmed, teadusmeetodid ja kokkulepped saab ühendada kogu Läänemerd hõlmavaks praktiliseks süsteemiks, mis muudab Läänemerel tegutsemise selgemaks ja ohutumaks. Teadlaste hinnangul on selline kogu merepiirkonda hõlmav riikideülene ühtlustamine meresõidu ja hüdrograafia valdkonnas erakordne. See tähistab olulist sammu ohutuma meresõidu, riigipiiride ülese andmekasutuse ja järgmise põlvkonna digitaalsete mereteenuste suunas.
Artikkel ilmus ajakirjas Journal of Geodesy. Töörühma kuulusid teiste seas Eesti teadlased Artu Ellmann ja Sander Varbla Tallinna Tehnikaülikoolist.
Related Posts
