Historia

Maan muoto ja koko ovat aina askarruttaneet ihmiskuntaa. Tiettävästi ensimmäisiä mittauksia Maan koosta teki jo tuhansia vuosia sitten Antiikin Kreikassa Erastothenes (n. 276–194 eaa.). Erastotheneen kerrotaan pyrkineen määrittämään Maan kokoa tangon ja kaivon avulla. Maantieteen kannalta Erastohenes on merkittävä hahmo, sillä hän otti käyttöön leveys- ja pituuspiirit sekä määritti Maan kallistuskulman.

Kesikajalla Maan muodosta oli monenlaisia uskomuksia. Lopulta vakiintui käsitys, että Maa on pallo. Ei kuitenkaan tiedetty, miten iso pallo Maa oli. Ennen kolmiomittausten keksimistä ei ollut mitään menetelmää mitata pitkiä, useiden kymmenien kilometrien pituisia etäisyyksiä asian ratkaisemiseksi.

Astemittaukset ja Newtonin lait

Maan muodon ymmärtäminen teki aimo harppauksen, kun Sir Isaak Newton (1643–1727) julkaisi vuonna 1687 Principia-teoksen, jossa esitettiin Newtonin lakeina tunnetut lauseet ja yleinen painovoimalaki. 1500- ja 1600-luvuilla kehitettiin kolmiomittaustekniikka. Sen avulla pystyttiin mittaamaan pitkiä etäisyyksiä ja astemittauksia. Astemittauksilla voitiin määrittää Maan muoto.

Astemittauksessa kolmioketjun päätepisteiden välinen etäisyys mitataan Maan pinnalla kolmiomittauksin. Sitten samojen pisteiden leveysasteiden ero määritetään tähtitieteellisellä paikanmäärityksellä. Näiden mittausten avulla saadaan meridiaanikaaren (pituuspiiri) yhden asteen pituus eri leveysasteilla. Astemittaukset tehtiin siis aina etelä-pohjoissuunnassa. Jos Maa olisi täydellinen pallo, olisivat pituuspiirit aina samanpituisia.

Newton ennusti lakiensa mukaan, että Maa olisi navoiltaan hiukan litistynyt pyörähdysellipsoidi, ei täydellinen pallo. Se tarkoittaisi, että Maa olisi kaarevin päiväntasaajalla. Tällöin lähellä päiväntasaajaa sijaitsevat pituuspiirit olisivat pidempiä kuin vähemmän kaarevalla napa-alueella sijaitsevat pituuspiirit.

Kaikki eivät hyväksyneet tätä ”mandariini”-teoriaa, koska erityisesti Ranskassa vallitsi niin sanottu Jacques Cassinin (1677–1756) ”sitruunateoria”. Sen mukaan Maapallo olisi navoiltaan venynyt kuten sitruuna, eikä Newtonin mukainen mandariini. Tiedepiireissä kehkeytyikin mehevä kiista asiasta.

Lapin astemittaus

Maapallon muoto osoittautui navoiltaan liistyneeksi, kun vuosina 1736–1737 ranskalainen tiedemies Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698–1759) suoritti Tornionjokilaaksossa Lapin astemittaukseksi kutsutun kolmiomittauksen.

Lapin astemittauksen perusteella saatiin vahvistus, että pohjoisessa asteenmittainen pituuspiiri on Newtonin fysiikan lakien mukaisesti lyhyempi kuin etelämpänä Ranskassa mitatut vastaavat pituuspiirit. Mittaukset tehtiin melko alkeellisilla välineillä ja niihin sisältyi mittausvirhettä, joten tulokset sisälsivät vielä paljon epävarmuutta.

Lapin astemittaus on Struven ketjun ohella hyvin merkittävä historiallinen mittaus.

Astemittausten ansiosta Maan muoto tarkentui jatkuvasti. Maan kokoa ja muotoa kuvaaviksi parametreiksi määriteltiin ellipsoidin isoakselin puolikas (a) ja litistyssuhde (f). Nämä parametrit ovat Lapin astemittauksista lähtien tarkentuneet.

Kyseessä oli myös merenkulun kannalta tärkeä kehitys, sillä navigointiin tarvittiin jatkuvasti parempia karttoja kuvaamaan Maan kokoa ja muotoa. Myös kuninkaat ja muut hallitsijat ymmärsivät karttojen voiman maailmanvalloituksen ja politiikan työvälineenä. Sotajoukkoja oli helpompi ohjailla hyvien karttojen avulla.

Struven ketju

Saksalaissyntyinen tähtitieteen professori Georg Wilhelm von Struve (1793–1864) mittasi kolmioketjua nykyisen Viron ja Latvian alueilla vuodesta 1816 alkaen. Samaan aikaan Carl von Tenner (1783–1859) teki omia kolmiomittauksiaan Latviassa. Struven ehdotuksesta ketjut yhdistettiin vuonna 1828. Tennerin johdolla kolmioketjua laajennettiin vuosina 1835–1852 etelään Valko-Venäjän ja Ukrainan läpi Tonavan suistomaahan. Struven johdolla ketjua laajennettiin 1830–1844 Suomenlahden yli ja Suomen läpi aina Jäämerelle asti.

Struvea pidetään kolmioketjun pääarkkitehtina, vaikka käytännössä Tenner on suunnitellut ja mitannut puolet ketjusta.

Astemittaus on tieteellisessä mielessä hyvin dokumentoitu Struven laatimaan ranskankieliseen julkaisuun Arc du Méridien de 25° 20' entre le Danube et la mer glaciale, mesuré, dépuis 1816 jusq’en 1855, sous la direction de C. de Tenner, Chr. Hansteen, N. H. Selander, F. G. F. Struve.

Teos sisältää seikkaperäisen kuvauksen töiden kulusta, käytetyistä mittalaitteista, menettelytavoista ja mittauksen tulokset tasoituksineen. Lopputuloksina annettiin sivujen logaritmit ja kolmioiden kulmat.

Maantieteellisiä koordinaatteja ei ilmoitettu Struven julkaisussa. Kolmiopisteiden sijainnit kuvatiin hyvin yleismalkaisesti, joten kaikkien pisteiden sijaintia ei enää nykyään tiedetä.

Struven mittausten pituusmittana käytettiin toisea (1 toise = 1,949 metriä).

Mittaukset Suomessa

Suursaaresta Tornioon ulottuvan osuuden mittausvastuu annettiin alkuvaiheessa kahdelle suomalaiselle upseerille Åbergille ja Melanille, jotka saivat koulutuksen tehtävään Tarton tähtitornilla.

Vuodesta 1836 päävastuu Suomen osuuden mittauksista annettiin Helsingin observatorion amanuenssin F. Woldstedtin vastuulle.

Kaikilla Struven ketjun pisteillä on mitattu kulmahavainnot naapuripisteisin. Nykyisen Suomen alueella tähtitieteellinen paikanmääritys suoritettiin tiettävästi vain kolmella pisteellä: Kuopion Honkamäellä, Alatornion kirkolla sekä Enontekiön Sruor-oivilla (Stuorrahanoaivi).

Suomeen mitattiin myös kolme koko ketjun kymmenestä perusviivasta. Elimäen Rattulan perusviiva oli 2 629 metriä pitkä ja Oulun perusviiva 2 934 metrin pituinen. Molempien perusviivojen vaakatarkkuus oli 2 millimetriä. Myös Ylitornioon mitattiin 2 962 metriä pitkä perusviiva Aoavasaksan lähelle.

Suomen pisteet merkittiin poraamalla kallioon muutaman sentin reikä. Tiettävästi poranreikiin kiinnitettiin lyijyllä myös kuparilaatta, mutta ne ovat aikojen saatossa hävinneet kaikilta pisteiltä. Lyijy on saattanut päätyä paikallisten metsämiesten luodeiksi. Mittaukset Suursaaresta Tornioon tehtiin vuosina 1832–1844.

Ruotsi-Norja mukaan neuvottelemalla

Tornioon asti ketju kulki Venäjän valtakunnan alueella, mutta siitä pohjoiseen osa pisteistä sijaitsi Ruotsi-Norjan alueella. Norja kuului tuohon aikaan Ruotsiin, mutta Norjalla oli laaja hallinnollinen itsemääräämisoikeus.

Vuonna 1844 Pietarin tiedeakatemia kääntyi Struven johdolla Ruotsin tiedeakatemian puoleen, ja ehdotti ketjun jatkamista Torniosta aina Jäämerelle asti. Struvella oli haastava poliittinen tehtävä suostutella Ruotsi-Norjan edustajat mukaan mittauskampanjaan.

Struve onnistui neuvotteluissa ja mittausvastuu Torniosta pohjoiseen pitkin Torniojokilaaksoa tuli Ruotsin tiedeakatemian professorin Nils Haqvin Selanderille. Selander mittasi ketjun aina Hammerfestiin asti.

Tiedettä ja politiikkaa

Kolmioketju kattoi koko Venäjän keisarikunnan läntisen osan. Vuonna 1830 Tsaari Nikolai I myönsi 3000 hopearuplan vuosittaisen määrärahan suomalaisten avustajien palkkaamiseksi ketjun mittaamiseksi Suomen suuriruhtinaskunnan alueelle. Pelkkiin tieteellisiin töihin näin suurta panostusta tuskin olisi laitettu: kolmioketjulla oli myös sotilaallisia ja geopoliittisia tarkoitusperiä. Ketjun avulla Venäjä sitoi valtakunnan läntiset reuna-alueet emämaahan.

Ketjun tieteellisenä tavoitteena oli  määrittää Maan muoto entistä tarkemmin. Tiedolle oli tarvetta niin tähtitieteen kuin kartografian saralla. Tuloksia hyödynnettiin muodostettaessa tarkempia pienimittakaavaisia karttoja muun muassa navigointiin.

Saksalainen tiedemies F.W. Bessel hyödynsi Struven ketjun tuloksia määrittäessään Maan muotoa kuvaavan pyörähdysellipsoidin parametreja. C. F. Gauss hyödynsi tuloksia puolestaan määritellessään karttaprojektioita. Suomen sisällä Struven ketju yhdisti 1900-luvun puoliväliin asti Etelä- ja Pohjois-Suomen kolmioketjut toisiinsa.