Geodetische Monumenten Nederland
Prof.dr.ir. L. Aardoom
Anno 2007 wordt bij de plaatsbepaling in de
landmeetkunde en, in groter verband, in de geodesie meer en meer gebruik
gemaakt van het Global Positioning System (GPS), een overal en altijd
beschikbaar ruimtelijk netwerk van satellieten. Tien à twintig jaar geleden
was dat nog anders. Toen diende een in de werkomgeving beschikbaar netwerk
van driehoekspunten als enig meetkundig houvast en dat was sinds
mensenheugenis zo geweest. Nederland kreeg al in het begin van de 19de eeuw
zo’n driehoeksnet, een
aaneenschakeling van driehoeken die, met zijdenlengten van enkele tientallen
kilometers, het hele land bedekte. De onderlinge ligging van de knooppunten
- de driehoekspunten - in dat net was bepaald door het meten van de hoeken
in die punten en de bepaling van één of meer zijdenlengten (een zogenaamde
basis, dan wel bases) in het net.
Na 1885 werd het Nederlandse driehoeksnet
onder leiding van de in 1879 ingestelde Rijkscommissie voor Graadmeting en
Waterpassing (RCGW) versterkt en opnieuw gemeten. Later werd de maaswijdte
van het net met het oog op praktisch gebruik verkleind, onder meer ten
behoeve van het Kadaster, de (Rijks)waterstaat en de gemeenten. Zo kwam in
1928 het net van de Rijksdriehoeksmeting (RD) beschikbaar, met het onderhoud
waarvan in 1930 het Kadaster werd belast. Om alle zijdenlengten in het net
en de rechthoekige coördinaten van de punten te kunnen berekenen was in
1913 langs de straatweg Amersfoort-Apeldoorn, ter hoogte van Stroe, met een
nauwkeurigheid van enkele millimeters een basis van ruim 4 km gemeten. Het
RD-net, in 1885 opgezet als Nederlandse bijdrage aan de Midden-Europese
graadmeting van die tijd, werd de grondslag voor de meeste kaarten die zich
over een groter gebied uitstrekken, de kadastrale, de topografische, die van
de waterstaat en de toeristische. De meeste RD-punten liggen op de omgangen
van kerktorens, waarvan de spitsen als richtpunten van ver zichtbaar zijn.
Ook de omringende landen in Europa hadden, en
hebben, een dergelijk driehoeksnet en al kort na de Tweede Wereldoorlog werd
de behoefte gevoeld die landelijke driehoeksnetten (nauwkeurig tot op 1
meter op 100 kilometer, dus 1:100.000 = 1:105; soms beter)
onderling te verbinden tot een inter-Europees net, één van de eerste
initiatieven tot Europese samenwerking. Een ander project in dit verband was
de koppeling van de hoogtesystemen van de verschillende landen, de meeste
overigens al sinds jaar en dag gebaseerd op het in Nederland als nulpunt
gekozen Normaal Amsterdams Peil (NAP). Voor de beoogde koppeling van de
driehoeksnetten behoefden de hoekmetingen doorgaans niet te worden
overgedaan en zou rekentechnisch met onderlinge aansluiting kunnen worden
volstaan. In vorm lagen de individuele netten wel vast maar de schalen
zouden onderling wel kunnen verschillen, mogelijk aanleiding gevend tot
ongewenste verwringingen langs de grenzen. Natuurlijk was destijds overal
gebruik gemaakt van de Parijse standaardmeter,
maar de verschillende landen hadden daarvan in principe enigszins
verschillende kopieën en dan was het nog maar de vraag hoe die landelijke
standaarden in het verleden waren gebruikt om de basis of bases te meten en
hoe de uitkomsten daarvan uiteindelijk aan het driehoeksnet waren
overgedragen.
Wetenschappelijke zorgen dus over mogelijke
schaalverschillen van de driehoeksnetten; zorgen uitgesproken op
internationale geodetische congressen. En niet alleen inzake Europa, maar
ook wereldwijd, want de bedoeling was uiteindelijk de gehele aarde
meetkundig sluitend in kaart te brengen. Zo werd in 1954 de aanbeveling
gedaan dat elk land op eigen grondgebied een ijkbasis
zou aanleggen, waarvan de precieze lengte op een afgesproken nauwkeurige
standaardmanier zou worden gemeten. Op die ijkbasis zou elk land zijn
lengtemeetapparatuur, zo vaak als nodig, kunnen ijken. De nauwkeurigste
lengtemeetapparatuur bestond in de meeste landen toen nog uit één of meer invardraden,
draden met een diameter van enkele millimeters, ter lengte van meestal 24 m
vervaardigd van invar, een staal-nikkel legering met minimale thermische
uitzettingscoëfficiënt; dit laatste met het oog op in de praktijk
onvermijdelijke temperatuurswisselingen tijdens het meten in het veld. De
bases zouden ook kunnen dienen voor de ijking van de opkomende elektro-optische
afstandmeters, zoals de inmiddels in Zweden in productie genomen
Geodimeter van E. Bergstrand. Voorstel was om de ijking te doen volgens de
al in 1923 door de Finse natuur- en sterrenkundige Y.
Väisälä (1891-1971) gepubliceerde lichtinterferentiemethode.
J. Babinet was in 1827 al op het idee gekomen
de meter, zoals die toen nog niet zolang geleden in opdracht van de Franse
Academie van Wetenschappen was bepaald (als één tienmiljoenste - 10-7
- deel van de omtrek van de Aarde, gemeten tussen evenaar en pool) uit te
drukken in een daarvoor geschikte golflengte
van licht. Het werd echter eind 19de eeuw voordat het A.A. Michelson en
A. Benoit gelukte dit te doen, te weten in die van de rode cadmiumlijn. Die
bleek toen een golflengte van 643,847 nanometer (1 nm = 10-9 m)
te hebben; omgekeerd : 1 meter = 1.553.164 golflengtes van de rode
cadmiumlijn. Door de meter uit te drukken in een universeel reproduceerbare
golflengte, zou de standaard overal toegankelijk zijn en zou die bij
onverhoopt verlies altijd weer kunnen worden gereconstrueerd. Een
belangrijke metrologische stap. Toch zou de standaardmeter pas in 1960
officieel als een veelvoud van een golflengte van licht worden gedefinieerd:
1.650.763,73 golflengtes in vacuüm van de oranje kryptonlijn.
Vergelijkingen als deze konden, en kunnen, alleen onder
laboratoriumomstandigheden worden uitgevoerd.
Professor Väisälä had nu een techniek
bedacht om, met gebruikmaking van wit licht, het interferentieverschijnsel
in het open veld te benutten voor het meten van afstanden tot enkele
honderden meters. Zijn methode zou dus voor de meting van de beoogde
ijkbases kunnen worden gebruikt. Hierbij werd uitgegaan van een kwartsstaaf
met 1 à 2 cm cirkelcilindrische diameter, voorzien van bolvormig (straal
ongeveer 1 m) afgeronde einden en in lengte vergeleken met een maatgevende
kopie van de standaardmeter. Door de staaf met één van de bolvormige
einden in nauw contact te brengen met een vlakke glasplaat ontstonden de
bekende Newtonringen en door die
aandachtig waar te nemen en te interpreteren kon de afstand tussen staaf en
plaat tot nul worden teruggebracht. Aldus kon, evenzo werkend aan het andere
einde van de kwartsstaaf, een tweede vlakke glasplaat ten opzichte van de
eerste worden geplaatst op een afstand gelijk aan de bekende lengte van de
kwartsstaaf. Hiermee waren twee, in de praktijk als planparallele
tweezijdige spiegels uitgevoerde, glasplaten geplaatst op de geijkte
meterafstand: de spiegels ‘0’ en ‘1’, respectievelijk aan het begin
(het ‘0’-punt) van de basis en op 1 m daarvandaan. Door nu twee
evenwijdige coherente (optisch identieke) lichtbundels te laten weerkaatsen
tussen spiegels ‘0’ en ‘1’, respectievelijk tussen spiegel ‘1’
en een volgende spiegel ‘2’, de beide lichtbundels convergerend samen te
brengen en de optredende interferentiepatronen
waar te nemen, werd de spiegelafstand verdubbeld tot 2 meter; en dat met
golflengte-tolerantie, dus globaal 0,001 mm. Nauwgezet werkend kon de
uitgezette afstand verder worden vermenigvuldigd,
totdat na enkele honderden meters - de stappen werden steeds groter - de
interferentiepatronen door atmosferische omstandigheden zouden vervagen en
de meting daardoor minder nauwkeurig werd. Väisälä en zijn medewerkers
pasten de techniek in Finland voor het eerst in 1926 over 192 meter toe op
een basis bij Turku en in 1947 met spiegels ‘0’, ‘1’, ‘6’,
‘24’, ‘72’, ‘216’, ‘432’ en ‘864’ te Nummela, de tot dan
langste gemeten interferentiebasis,
met stapsgewijze ‘vermenigvuldiging’ van de kwartsstaaf met
achtereenvolgens: 6, 4, 3, 3, 2 en 2, uiteindelijk 864 maal, dus tot 864
meter. Door de aantallen reflecties per stap te variëren konden, al naar de
omstandigheden of de behoeften, de vermenigvuldigingsfactoren worden
aangepast. In de uitvoering was het een precies werkje, waarvoor grote
kennis van zaken, accuratesse, geduld en ervaring vereisten waren.
Vooral gelet op dit laatste, maakte de
Rijkscommissie voor Geodesie (RCG) - sedert 1937 opvolgster van de RCGW - in
1955 gaarne gebruik van het aanbod van het Finse geodetisch instituut te
Helsinki om de specialistische metingen met de Väisälä-‘comparator’,
desgewenst, in Nederland te komen verzorgen. Als locatie daarvoor werd met
medewerking van de gemeente Apeldoorn een terrein gevonden in de
plaatselijke Loenermark. In dat
natuurgebied zou ongestoord kunnen worden gewerkt en de kans op latere
verstoringen door natuurlijke oorzaken of door menselijk toedoen was daar
minimaal. De natuurlijke stabiliteit werd verwacht op grond van daartoe
uitgevoerd geologisch onderzoek. Bij de keuze van dit terrein telden ook de
betrekkelijk geringe hoogteverschillen en algehele helling (naar Veluwse
maatstaven, slechts 2 m over 600 m), van praktisch belang bij de uit te
voeren metingen en latere ijkingen. In overleg met prof.dr. T.J. Kukkamäki,
verbonden aan het Finse geodetisch instituut, die de metingen, samen met
zijn collega T. Honkasalo, zou verzorgen werd besloten de spiegels te
plaatsen op 0, 1, 6, 24, 96, 288 en 576 m vanaf het begin van de basis,
zodat de kwartsstaaf van 1 meter achtereenvolgens met 6, 4, 4, 3 en 2 zou
worden ‘vermenigvuldigd’. Aldus zouden lijnstukken van 1, 4, 12 en 24 x
24 m - de gebruikelijke lengte van te ijken invardraden - beschikbaar komen.
Kukkamäki en Honkalaso hadden eerder elders ervaring met dit
specialistische werk opgedaan.
In 1956 werden de betonnen pijlers, nodig
voor de opstelling van de apparatuur en ter verzekering van de meetpunten
‘0’ (begin), ‘1’, ‘6’, ‘24’, ‘96’, ‘288’ en
‘576’ (einde), aangelegd. Bij het uitzetten van de basis en de verdere
voorbereiding van de metingen verleende de Landmeetkundige Afdeling van de
Dienst Gemeentewerken te Apeldoorn de plaatselijk onmisbare medewerking. Bij
het uitzetten was het essentieel dat de ondergronds te plaatsen eigenlijke
meetpunten in de basis met minimale tolerantie op 1, 6, 24, 96, 288
respectievelijk 576 m vanaf het nulpunt werden aangebracht. De
interferentiemetingen van de basis moesten tot oktober-november 1957 worden
uitgesteld. Zoals opgemerkt, moest hierbij de uiterste nauwgezetheid worden
betracht, vooral ook bij het ‘oploden’ vanaf de ondergronds verzekerde
meetpunten en bij het monitoren van de temperatuur en andere
omgevingsfactoren langs de basis. Terug in Helsinki, vonden Kukkamäki en
Honkasalo voor de totale lengte 576,09226 m met een statistische onzekerheid
van 0,03 mm, in de orde van enkele tientallen golflengtes. De nominale 576 m
waren dus gemeten met een proportionele precisie van ongeveer 1:107,
tien- tot honderdmaal zo nauwkeurig als de driehoeksnetten van die tijd. Bij
gebrek aan een dergelijke basis in het overige Noordwest-Europa, zou zij die
gehele regio de ijkmogelijkheid moeten bieden, die in 1954 was voorzien.
Toen de basis najaar 1969 door Honkasalo en zijn collega P. Gröhn nog eens
werd nagemeten, bleek zij significant, maar met het oog op de toepassingen
niet onrustbarend, 0,6 mm langer uit te vallen dan in 1957.
Intussen was de basis, zoals bedoeld,
gebruikt voor de ijking van de invardraden van de RCG, waarmee in 1960 de
Duitse, 7,2 km lange, basis bij Meppen - net over de grens bij Emmen - werd
gemeten en waarmee in 1965 langs de Afsluitdijk de lengte van een 24 km
lange nieuwe basis voor het RD-net werd bepaald. Om de ijking van de
invardraden te vergemakkelijken was in 1960, op 4,5 m evenwijdig aan de
primaire basis, een hulpbasis aangelegd, met kleine betonnen pijlers op 0,
288 en 576 m en daartussenin om de 24 m - de lengte van de draden - een
houten paaltje, waarin vóór de ijking de te gebruiken speciale bouten
konden worden geschroefd. Omstreeks 1970 overwogen de onderzoekers K.D.
Froome en R.H. Bradsel van het Engelse National Physical Laboratory hun
Mekometer - een nieuwbedachte elektro-optische afstandmeter - te ijken op de
Loenermark-basis. Bij die gelegenheid zouden zij ook, onder
veldomstandigheden, de lichtsnelheid in lucht bepalen, maar financiële
overwegingen stonden de uitvoering van het plan in de weg. Wel kwam het in
1980 tot een ijking van de elektro-optische afstandmeters die het Kadaster
had aangeschaft ten behoeve van de RD, een overeenkomst die nog datzelfde
jaar zou leiden tot de overdracht van het beheer van de basis aan die
instelling.
De opkomst van de elektro-optische, meer
algemeen, elektronische afstandmeting in de geodesie was de inleiding tot
het geleidelijk aan in onbruik raken van de ijkbasis op de Loenermark.
Elektronische afstandmeters, waarvan de ijking in hoofdzaak neerkomt op de
ijking in het laboratorium van ingebouwde oscillator/‘klok’-frequenties,
gingen in snel tempo meetbanden en invardraden voor de lengtemeting
vervangen. De uitvinding en ontwikkeling van de elektronische, in het
bijzonder, van de elektro-optische afstandmeters en de bepaling daarmee van
de lichtsnelheid c in vacuüm (299792458 m/s), leidde in 1983 zelfs tot een
herdefinitie van de lengte van de standaardmeter als 1/299792458
‘lichtseconde’: de afstand die licht in vacuüm aflegt in één seconde,
c en de seconde gekozen als de primaire grootheden. Bij deze ommekeer in de
geodesie kwamen nog de mogelijkheden die kunstmatige satellieten sedert 1957
zouden bieden, vanaf 1965 in het bijzonder de uiterst precieze meting van
afstanden met behulp van lasers, in feite elektro-optische afstandmeting via
de ruimte. Het lot zal ook de andere door toepassing van de methode-Väisälä
ingerichte interferentiebases hebben getroffen: onder meer die in Finland,
Argentinië (Buenos Aires, 1953) en Duitsland (bij München, 1958). Zoals
‘de Loenermark’ noordwest-Europa zou moeten bedienen, was de Duitse
basis - zij kreeg een lengte van 2 x 432 m = 864 m - bedoeld voor
grensoverschrijdend gebruik in midden-Europa.
Zijn interferentiebases in onbruik of niet,
professor Väisälä’s naam zou verbonden blijven met de stormachtige
20ste-eeuwse ontwikkelingen in de geodesie: met de door hem allang vóór
1957 beoefende methode van ‘stellaire triangulatie’ - het ruimtelijk
driehoeksmeten met behulp van hoge richtpunten, zoals ballonnen en raketten
- was hij, in 1946 (!) vooruitblikkend naar het tijdperk van de “small
moons”, een van de grondleggers van de satellietgeodesie.
Wie meer wil weten over de aanleg, de inrichting en de meting van de ijkbasis in de Loenermark en/of over 20ste-eeuwse geodetische basismetingen in Nederland in het algemeen kan in De Hollandse Cirkel terecht bij Frans Jansen:
*IJkbasis Loenermark, jrg. 5 (2003), p. 33-37 (een samenvatting van G.J. Bruins, red., Standard Base “Loenermark”, RCG Delft 1964) en:
*Basismetingen
in de 20e eeuw in Nederland, jrg. 9 (2007), p. 5-10.
september 2007