Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика - Рауль Ибаньес

Рауль Ибаньес

«Мир математики»

№ 26

«Мечта об идеальной карте.

Картография и математика»

В память о моем отце, по которому я безмерно скучаю.

Моей матери, сильной и уверенной в себе женщине.

Вам обоим я обязан жизнью и многим другим.

Моей жене Анне и дочерям Аитор и Ванессе.

Вы — моя жизнь

Предисловие

Главная цель этой книги — рассказать о геометрии карт. Однако сначала следует ответить на вопрос: что же такое карта? В любом словаре написано, что карта — это «чертеж части земной поверхности с преимущественным учетом, согласно правилам картографии, тех или иных специальных признаков (народонаселения, почвы и пр.); чертеж звездного неба».

Впрочем, думаю, читатель согласится со мной, если я скажу, что для ответа на этот вопрос совершенно не обязательно обращаться к словарю. Карты знакомы всем нам. Все мы видим их чуть ли не каждый день. Часто карты украшают стены школ, и, повзрослев, мы с теплотой вспоминаем их. Если вы возьмете в руки банкноты евро, то увидите, что на них изображена карта Европы, которая символизирует единство государств, образующих Европейский Союз. Читая газеты или слушая новости, мы встречаем бесчисленное множество карт. Это могут быть карты мира с информацией о расах, религиях, языках и численности населения, карты, на которых изображены уровни загрязнения или число происшествий, экономические карты разных стран или регионов, карты вооруженных конфликтов. Мы очень часто обращаемся к карте погоды, а в любом документальном фильме о природе, истории или географии, в специализированных или научно-популярных изданиях поясняющие карты помогают нам понять, о чем идет речь, и расставить все по своим местам.

Карты можно увидеть в фантастических книгах (вспомните карту вымышленной местности во «Властелине колец» и «Острове сокровищ»), в приключенческих и военных фильмах (например, в фильме «Касабланка» или «Военные игры»), а герои мультфильма «Похождения императора» в буквальном смысле идут по особой, развлекательной карте. Можно привести немало примеров, которые встречаются в искусстве: начиная от выразительных карт голландского художника эпохи барокко Яна Вермеера и заканчивая «Картой на основе мира Димаксиона» современного американского художника Джаспера Джонса и картами мира, выполненными итальянским художником Алигьеро Боэтти.

Мы запасаемся картами, планируя отпуск: они помогают нам определить маршруты, организовать поездку и, наконец, просто не потеряться. Отправляясь в автопутешествие, мы не можем обойтись без карты автомобильных дорог, а в незнакомом городе нам обязательно понадобится карта улиц. Если вы пройдетесь по своему родному городу, то увидите карты в рекламе некоторых компаний, в витринах туристических агентств, в магазинах детской одежды или в книжных магазинах в начале учебного года.

Карты — очень важный инструмент для представителей множества профессий.

Человечество использует морские и авиационные карты, политические карты, карты городов, автомобильных и железных дорог, топографические, морфологические, научные карты разных видов (ботанические, геологические, климатические, географические, океанографические, сейсмические), экономические и статистические, кадастровые карты, на которых изображены земельные участки и записаны их собственники, и многие, многие другие виды карт. Как видите, с картами прекрасно знаком каждый, мы работаем с ними каждый день и используем для решения самых разных задач.

Лучше всего нам знакома карта мира, изображенная ниже (эта карта выполнена в проекции Меркатора, о которой мы расскажем в главе 9), — мы привыкли к ней с самого детства, и наш разум воспринимает ее почти бессознательно, как данность.

Как мы все «знаем», это хорошая, правильная карта, или, как я услышал в одном разговоре, «настоящая карта». Однако посмотрим на нее снова и попытаемся ответить на несколько простых вопросов: каков кратчайший путь из Мадрида (или, например, Баку) в Вашингтон? Так как кратчайший путь между двумя точками на плоскости — это прямая, то он, по всей видимости, будет пролегать вдоль 40-й параллели северной широты. Но в главе 3 вы увидите, что кратчайший путь между двумя любыми точками сферы лежит на большом круге, проходящем через эти точки, и в нашем примере ее отображением на плоскости будет не 40-я параллель северной широты. Это одна из причин, по которой самолеты, летящие из Мадрида в Вашингтон, следуют не вдоль 40-й параллели, а сначала смещаются ближе к северу, а затем движутся на юг (путь из Баку до Вашингтона будет проходить почти через Северный полюс). Таким образом, наша карта мира не сохраняет кратчайшие расстояния.

Кроме того, в легенде любой карты обычно указывается ее масштаб. Каково расстояние между двумя точками Земли? Казалось бы, чтобы ответить на этот вопрос, нужно взять линейку, измерить расстояние между этими точками на карте и пересчитать полученную величину с учетом масштаба. Но, как мы уже отмечали, в этом случае нужно измерить длину не прямой, соединяющей две точки, а воображаемой кривой (части большой окружности). Причем даже если мы измерим длину кривой, результат по-прежнему будет неверным, так как наша карта не сохраняет неизменными длины кривых и расстояния, а ее масштаб в разных частях отличается. Продолжим наши рассуждения и поставим еще один вопрос: сохраняются ли в проекции Меркатора площади? Как нам хорошо известно, изображение Гренландии на этой карте даже чуть больше, чем изображение Африки. Но в действительности площадь Гренландии равна примерно 2175600 км2, площадь Африки — 29800000 км2.

Следовательно, контуры стран на карте также очень сильно искажены. Наконец, зададимся вопросом: сохраняются ли на картах румбы, направления и углы? Углы между меридианами и параллелями равны 90°, как и на нашей карте. Но если мы посмотрим на карту на следующей странице, то увидим, что это не так — углы не сохраняются. Эта карта выполнена в одной из классических проекций, которая называется ортографической, и показывает Землю так, как будто мы смотрим на нее из бесконечно удаленной точки.

Следовательно, карты не обладают ни одним из ожидаемых свойств: они не сохраняют расстояния, кратчайшие пути, площади и углы. Может быть, нам не хватает каких-то знаний? Так, существует целое множество картографических проекций: кроме упомянутых проекции Меркатора и ортографической проекции, используются равновеликая цилиндрическая проекция Ламберта, равновеликая коническая проекция Альберса, проекция Моллвейде, ортографическая проекция Галла — Петерса, проекция Eckert IV, центральная, стереографическая, равноугольная коническая проекция Ламберта, биполярная косая равноугольная коническая проекция, цилиндрическая равнопромежуточная, азимутальная равнопромежуточная, тройная проекция Винкеля, проекция Ван дер Гринтена, UTM, проекция Бонне, проекции Eckert I–IV, гомолосинусоидальная проекция Гуда, Хаммера, Вернера, Бризмейстера, равновеликая цилиндрическая проекция Бермана, проекция Робинсона и многие другие. Картограф Джон Снайдер в своей книге «Как Земля стала плоской» (Flattening the Earth) описывает свыше 300 картографических проекций. Возникает вопрос: почему существует столько карт? Насколько они точны? Какая — точнее всех? Как нарисовать точную карту Земли? И наконец, какую карту можно считать точной?

В этой книге мы постараемся ответить на эти вопросы, а также подробно рассказать о картах, которые мы видим каждый день. При изучении карт не обойтись без дифференциальной геометрии, которая входит в курсы картографии для таких специальностей, как география, судовождение, океанология и другие. Однако мы стремимся избежать специальных терминов и рассказать о картах с интуитивно понятной, «геометрической» точки зрения, поэтому будем использовать только методы классической геометрии (в частности, геометрии Евклида и тригонометрии). Приближенные равенства, которые мы будем приводить во многих рассуждениях, исчезают при переходе к пределу, однако в этом случае мы применим лишь самые основы дифференциального и интегрального исчисления, относящиеся к дифференциальной геометрии.

Глава 1

Форма Земли

«Во-первых, — сказал Сократ, — если Земля кругла и находится посреди неба, она не нуждается ни в воздухе, ни в иной какой-либо подобной силе, которая удерживала бы ее от падения…

Далее, я уверился, что Земля очень велика и что мы, обитающие от Фасиса до Геракловых Столпов, занимаем лишь малую ее частицу; мы теснимся вокруг нашего моря, словно муравьи или лягушки вокруг болота.

Земля, если взглянуть на нее сверху, похожа на мяч, сшитый из двенадцати кусков кожи и пестро расписанный разными цветами…»[1]