Historia długości geograficznej
Historia długości geograficznej opisuje wielowiekowe wysiłki astronomów, kartografów i nawigatorów mające na celu odkrycie sposobu określania długości geograficznej dowolnego miejsca na Ziemi. Pomiar długości geograficznej jest ważny zarówno dla kartografii , jak i nawigacji . W szczególności do bezpiecznej nawigacji oceanicznej wymagana jest znajomość zarówno szerokości , jak i długości geograficznej, jednak szerokość geograficzną można określić z dużą dokładnością za pomocą lokalnych obserwacji astronomicznych.
Znalezienie dokładnej i praktycznej metody określania długości geograficznej wymagało stuleci badań i wynalazczości niektórych największych naukowców i inżynierów. Określenie długości geograficznej względem południka przez pewną stałą lokalizację wymaga powiązania obserwacji ze skalą czasu, która jest taka sama w obu lokalizacjach, więc problem długości geograficznej ogranicza się do znalezienia sposobu na koordynację zegarów w odległych miejscach. Wczesne podejścia wykorzystywały zdarzenia astronomiczne, które można było przewidzieć z dużą dokładnością, takie jak zaćmienia i budowanie zegarów, zwanych chronometrami które mogłyby odmierzać czas z wystarczającą dokładnością podczas transportu statkiem na duże odległości. Późniejsze metody wykorzystywały telegraf , a następnie radio do synchronizacji zegarów. Obecnie problem długości geograficznej został rozwiązany z dokładnością do centymetra dzięki nawigacji satelitarnej .
Długość geograficzna przed teleskopem
Eratostenes w III wieku pne po raz pierwszy zaproponował system szerokości i długości geograficznej dla mapy świata. Jego główny południk (linia długości geograficznej) przebiegał przez Aleksandrię i Rodos , podczas gdy jego równoleżniki (linie szerokości geograficznej) nie były rozmieszczone w regularnych odstępach, ale przechodziły przez znane miejsca, często kosztem bycia liniami prostymi. Do II wieku pne Hipparch używał systematycznego układu współrzędnych, opartego na podziale koła na 360°, w celu jednoznacznego określenia miejsc na Ziemi. Tak więc długości geograficzne można wyrazić jako stopnie na wschód lub zachód od głównego południka, tak jak robimy to dzisiaj (chociaż główny południk jest inny). Zaproponował również metodę określania długości geograficznej poprzez porównanie lokalnego czasu zaćmienia Księżyca w dwóch różnych miejscach, aby uzyskać różnicę długości geograficznej między nimi. Ta metoda nie była zbyt dokładna, biorąc pod uwagę ograniczenia dostępnych zegarów, i rzadko ją stosowano - prawdopodobnie tylko raz, wykorzystując zaćmienie Arbeli w 330 roku pne. Ale metoda jest dobra i jest to pierwsze rozpoznanie, że długość geograficzną można określić na podstawie dokładnej znajomości czasu.
Ptolemeusz w II wieku n.e. oparł swój system mapowania na szacunkowych odległościach i kierunkach zgłaszanych przez podróżników. Do tego czasu wszystkie mapy wykorzystywały prostokątną siatkę z szerokością i długością geograficzną jako liniami prostymi przecinającymi się pod kątem prostym. W przypadku dużych obszarów prowadzi to do niedopuszczalnych zniekształceń, a dla swojej mapy zamieszkałego świata Ptolemeusz zastosował projekcje (używając współczesnego terminu) z zakrzywionymi równoleżnikami, które zmniejszyły zniekształcenia. Nie istnieją żadne mapy (ani rękopisy jego prac) starsze niż XIII wiek, ale w jego Geografii podał szczegółowe instrukcje oraz współrzędne szerokości i długości geograficznej dla setek lokalizacji, które są wystarczające do odtworzenia map. Chociaż system Ptolemeusza jest dobrze uzasadniony, użyte dane są bardzo różnej jakości, co prowadzi do wielu nieścisłości i zniekształceń. Oprócz trudności w oszacowaniu prostoliniowych odległości i kierunków, najważniejszym z nich jest systematyczne przeszacowywanie różnic w długości geograficznej. Tak więc z tablic Ptolemeusza różnica długości geograficznej między Gibraltarem a Sydonem wynosi 59 ° 40' 0', w porównaniu do współczesnej wartości 40 ° 23'0', czyli o około 48% za dużo. Luccio (2013) przeanalizował te rozbieżności i doszedł do wniosku, że większość błędów wynika z niedoszacowania przez Ptolemeusza wielkości Ziemi w porównaniu z dokładniejszymi szacunkami Eratostenesa - odpowiednik 500 stadionów do stopnia, a nie 700. Biorąc pod uwagę trudności z astronomicznymi miarami długości geograficznej w czasach klasycznych, większość, jeśli nie wszystkie wartości Ptolemeusza zostałyby uzyskane z miar odległości i przeliczone na długość geograficzną przy użyciu wartości 500.
Starożytni hinduscy astronomowie znali metodę określania długości geograficznej na podstawie zaćmień Księżyca, przy założeniu kulistej Ziemi. Metoda została opisana w Sûrya Siddhânta , sanskryckim traktacie o astronomii indyjskiej, datowanym na koniec IV wieku lub początek V wieku n.e. Długości geograficzne odnosiły się do głównego południka przechodzącego przez Avantī, współczesnego Ujjain . Pozycje względem tego południka wyrażano w kategoriach długości lub różnic czasowych, ale stopni nie używano wówczas w Indiach. Nie jest jasne, czy metoda ta została zastosowana.
dokonano pierwszego tłumaczenia jego Geografii na arabski. Cieszył się wielkim szacunkiem, chociaż jego błędy były znane. Jednym z ich osiągnięć było dodanie większej liczby lokalizacji do tabel geograficznych Ptolemeusza z szerokościami i długościami geograficznymi, aw niektórych przypadkach poprawa dokładności. Nie podano metod stosowanych do określenia większości długości geograficznych, ale kilka relacji podaje szczegóły. Jednoczesne obserwacje dwóch zaćmień Księżyca w dwóch miejscach zostały zarejestrowane przez al-Battānī w 901 roku, porównując Antakyę z Rakką , wyznaczając różnicę długości geograficznej między dwoma miastami z błędem mniejszym niż 1°. Uważa się, że jest to najlepsze, co można osiągnąć za pomocą dostępnych wówczas metod - obserwacji zaćmienia gołym okiem i określenia czasu lokalnego za pomocą astrolabium do pomiaru wysokości odpowiedniej „gwiazdy zegarowej”. Al-Bīrūni , na początku XI wieku ne, również wykorzystywał dane dotyczące zaćmień, ale opracował alternatywną metodę obejmującą wczesną formę triangulacji. Dla dwóch miejsc różniących się zarówno długością, jak i szerokością geograficzną, jeśli znane są szerokości geograficzne i odległość między nimi, a także rozmiar Ziemi, można obliczyć różnicę długości. Za pomocą tej metody al-Bīrūnī oszacował różnicę długości geograficznej między Bagdadem a Ghazni używając szacunków odległości od podróżnych na dwóch różnych trasach (i z nieco arbitralną korektą krzywizny dróg). Jego wynik dla różnicy długości geograficznej między dwoma miastami różni się o około 1 ° od wartości współczesnej. Mercier (1992) zauważa, że jest to znaczna poprawa w porównaniu z Ptolemeuszem i że porównywalna dalsza poprawa dokładności nastąpiła dopiero w XVII wieku w Europie.
Podczas gdy wiedza o Ptolemeuszu (i bardziej ogólnie o greckiej nauce i filozofii) rosła w świecie islamu, spadała w Europie. Streszczenie Johna Kirtlanda Wrighta (1925) jest ponure: „Możemy pominąć geografię matematyczną okresu chrześcijańskiego [w Europie] przed rokiem 1100; nie dokonano żadnych odkryć ani nie było żadnych prób zastosowania wyników starszych odkryć. . .. Ptolemeusz został zapomniany, a praca Arabów na tym polu była dotychczas nieznana”. Nie wszystko zostało utracone lub zapomniane; Bede w swoim De naturum rerum potwierdza sferyczność ziemi. Ale jego argumenty są takie Arystoteles , zaczerpnięty z Pliniusza . Bede nie dodaje nic oryginalnego.
W późniejszym okresie średniowiecza jest więcej godnych uwagi. Wright (1923) cytuje opis zaćmienia Księżyca we Włoszech (19 października 1094), dokonany przez Walchera z Malvern , na krótko przed świtem. Po powrocie do Anglii porównał notatki z innymi mnichami, aby ustalić czas ich obserwacji, czyli przed północą. Porównanie było zbyt przypadkowe, aby umożliwić pomiar różnic długości geograficznej, ale relacja pokazuje, że zasada była nadal rozumiana. W XII wieku sporządzono tablice astronomiczne dla wielu miast europejskich na podstawie prac al-Zarqālī w Toledo . Musiały one być dostosowane do południka każdego miasta i odnotowano, że zaćmienie Księżyca z 12 września 1178 r. Zostało wykorzystane do ustalenia różnic długości geograficznej między Toledo, Marsylią i Hereford . Tabele Hereford dodały również listę ponad 70 lokalizacji, wielu w świecie islamskim, wraz z ich długościami i szerokościami geograficznymi. Stanowią one wielki postęp w porównaniu z podobnymi tabelami Ptolemeusza. Na przykład długości geograficzne Ceuty i Tyru są podane jako 8 ° i 57 ° (na wschód od południka Wysp Kanaryjskich), różnica 49 ° w porównaniu do współczesnej wartości 40,5 °, przeszacowanie o mniej niż 20%. Ogólnie rzecz biorąc, późniejszy okres średniowiecza charakteryzował się rosnącym zainteresowaniem geografią, a chęć prowadzenia obserwacji była stymulowana wzrostem podróży (w tym pielgrzymek i wypraw krzyżowych ) oraz dostępnością źródeł islamskich z Hiszpanii i Afryki Północnej. okresu, dzieło Ptolemeusza stało się bezpośrednio dostępne wraz z tłumaczeniami wykonanymi we Florencji pod koniec XIV i na początku XV wieku.
Wiek XV i XVI to czas odkrywczych i podbojowych wypraw portugalskich i hiszpańskich . W szczególności przybycie Europejczyków do Nowego Świata doprowadziło do pytań o to, gdzie właściwie się znajdują. Krzysztof Kolumb dwukrotnie próbował odkryć swoją długość geograficzną, obserwując zaćmienia Księżyca. Pierwszy był na wyspie Saona , obecnie w Republice Dominikany , podczas jego drugiej podróży. Napisał: „W roku 1494, kiedy byłem na wyspie Saona, która stoi na wschodnim krańcu wyspy Española (tj. Hispaniola ), 14 września miało miejsce zaćmienie Księżyca i zauważyliśmy, że różnica między tam [Saona] a przylądkiem S. Vincente w Portugalii wynosiła ponad pięć i pół godziny”. Nie był w stanie porównać swoich obserwacji z tymi w Europie i zakłada się, że używał tablic astronomicznych jako odniesienia.Druga próba miała miejsce na północnym wybrzeżu Jamajki 29 lutego 1504 r. podczas czwartej podróży. Jego wyniki były bardzo niedokładne, z błędami długości geograficznej odpowiednio 13 i 38 ° W. Randles (1985) dokumentuje pomiary długości geograficznej przez Portugalczyków i Hiszpanów w latach 1514-1627, zarówno w obu Amerykach, jak iw Azji, z błędami w zakresie od 2 ° do 25 °.
Teleskopy i zegary
W 1608 r. rządowi holenderskiemu złożono patent na teleskop refrakcyjny. Pomysł podchwycił m.in. Galileo który w następnym roku wykonał swój pierwszy teleskop i rozpoczął serię odkryć astronomicznych, które obejmowały satelity Jowisza, fazy Wenus i rozdzielczość Drogi Mlecznej na pojedyncze gwiazdy. W ciągu następnego półwiecza ulepszenia optyki i wykorzystanie skalibrowanych mocowań, siatek optycznych i mikrometrów do regulacji pozycji przekształciły teleskop z urządzenia obserwacyjnego w dokładne narzędzie pomiarowe. Znacznie zwiększyło to również zakres zdarzeń, które można było zaobserwować w celu określenia długości geograficznej.
Drugim ważnym osiągnięciem technicznym do wyznaczania długości geograficznej był zegar wahadłowy , opatentowany przez Christiaana Huygensa w 1657 r. Dało to około 30-krotny wzrost dokładności w stosunku do poprzednich zegarów mechanicznych - najlepsze zegary wahadłowe były dokładne do około 10 sekund dziennie. Od samego początku Huygens zamierzał używać swoich zegarów do określania długości geograficznej na morzu. Jednak zegary wahadłowe nie tolerowały wystarczająco dobrze ruchu statku i po serii prób stwierdzono, że potrzebne będą inne podejścia. Przyszłość zegarów wahadłowych byłaby na lądzie. Wraz z instrumentami teleskopowymi zrewolucjonizują astronomię obserwacyjną i kartografię w nadchodzących latach. Huygens był również pierwszym, który zastosował sprężynę równoważącą jako oscylator w działającym zegarze, co pozwoliło na wykonanie dokładnych przenośnych zegarków. Ale dopiero dzięki pracy Johna Harrisona takie zegary stały się wystarczająco dokładne, aby można je było używać jako chronometry morskie .
Metody wyznaczania długości geograficznej
Rozwój teleskopu i dokładnych zegarów zwiększył zakres metod, które można było wykorzystać do określania długości geograficznej. Z jednym wyjątkiem ( deklinacja magnetyczna ) wszystkie opierają się na wspólnej zasadzie, która polegała na określeniu czasu bezwzględnego na podstawie zdarzenia lub pomiaru i porównaniu odpowiedniego czasu lokalnego w dwóch różnych miejscach. (Bezwzględny odnosi się tutaj do czasu, który jest taki sam dla obserwatora w dowolnym miejscu na ziemi). Każda godzina różnicy czasu lokalnego odpowiada zmianie długości geograficznej o 15 stopni (360 stopni podzielone przez 24 godziny).
Lokalne południe jest definiowane jako czas, w którym słońce znajduje się w najwyższym punkcie na niebie. Trudno to określić bezpośrednio, ponieważ pozorny ruch Słońca w południe jest prawie poziomy. Zwykłym podejściem było przyjęcie punktu środkowego między dwoma czasami, w których słońce znajdowało się na tej samej wysokości. Przy niezakłóconym horyzoncie można wykorzystać punkt środkowy między wschodem a zachodem słońca. W nocy czas lokalny można było uzyskać na podstawie pozornego obrotu gwiazd wokół bieguna niebieskiego, mierząc wysokość odpowiedniej gwiazdy sekstansem lub tranzyt gwiazdy przez południk za pomocą instrumentu tranzytowego.
Aby określić miarę czasu bezwzględnego, nadal używano zaćmień Księżyca. Inne proponowane metody obejmowały:
Odległości księżycowe
Jest to najwcześniejsza propozycja, która została po raz pierwszy zasugerowana w liście Amerigo Vespucciego , odnoszącym się do obserwacji, które poczynił w 1499 r. Metoda została opublikowana przez Johannesa Wernera w 1514 r., A szczegółowo omówiona przez Petrusa Apianusa w 1524 r. Metoda zależy od ruchu księżyc w stosunku do „stałych” gwiazd, które okrążają o 360° średnio w 27,3 dnia (miesiąc księżycowy), dając obserwowany ruch nieco ponad 0,5°/godz. Dlatego wymagany jest dokładny pomiar kąta, ponieważ różnica 2 minut kątowych (1/30°) kąta między księżycem a wybraną gwiazdą odpowiada różnicy 1°,0' w długości geograficznej: 60 mil morskich (110 km) na równiku. Metoda wymagała również dokładnych tabel, których skonstruowanie było skomplikowane, ponieważ musiały uwzględniać paralaksę i różne źródła nieregularności orbity Księżyca. Ani przyrządy pomiarowe, ani tablice astronomiczne nie były wystarczająco dokładne na początku XVI wieku. Próba zastosowania tej metody przez Vespucciego umieściła go na 82 ° na zachód od Kadyksu , kiedy faktycznie znajdował się mniej niż 40° na zachód od Kadyksu, na północnym wybrzeżu Brazylii.
Satelity Jowisza
Galileusz odkrył w 1610 r. cztery najjaśniejsze księżyce Jowisza, Io, Europy, Ganimedesa i Kallisto . Określiwszy okresy ich obiegu, w 1612 r. możliwe określenie długości geograficznej. Galileo ubiegał się o lukratywną nagrodę Hiszpanii za rozwiązanie problemu długości geograficznej w 1616 roku. Od czasu do czasu pracował nad tym problemem, ale nie był w stanie przekonać hiszpańskiego dworu. Później zwrócił się do Holandii o nagrodę, ale do tego czasu był już sądzony za herezję przez rzymską inkwizycję i skazany na areszt domowy do końca życia.
Metoda Galileusza wymagała teleskopu, ponieważ księżyce nie są widoczne gołym okiem. Do użytku w nawigacji morskiej Galileo zaproponował celaton , urządzenie w postaci hełmu z lunetą zamontowaną tak, aby dostosować się do ruchu obserwatora na statku. Zostało to później zastąpione ideą pary zagnieżdżonych półkulistych muszli oddzielonych kąpielą olejową. Zapewniłoby to platformę, która pozwoliłaby obserwatorowi pozostać nieruchomym, gdy statek toczyłby się pod nim, podobnie jak kardanowa . Aby zapewnić określenie czasu na podstawie obserwowanych pozycji księżyców, Jovilabe było zaoferowane; był to komputer analogowy, który obliczał czas na podstawie pozycji, a swoją nazwę zawdzięcza podobieństwu do astrolabium . Praktyczne problemy były poważne, a metoda nigdy nie była stosowana na morzu.
Na lądzie metoda ta okazała się użyteczna i dokładna. W 1668 roku Giovanni Domenico Cassini opublikował szczegółowe tabele księżyców Jowisza. Wczesnym zastosowaniem był pomiar długości geograficznej miejsca Tycho Brahe'a na wyspie Hven . Jean Picard na Hven i Cassini w Paryżu prowadził obserwacje w latach 1671 i 1672 i uzyskał wartość 42 minut 10 sekund (czasu) na wschód od Paryża, odpowiadającą 10° 32' 30", około 12 minutom łuku (1/5° ) wyższa niż współczesna wartość.
Księżyce Jowisza dostarczyły informacji o czasie dla projektu francuskiej Académie des Sciences, mającego na celu zbadanie Francji, który stworzył nową mapę w 1744 r., Która pokazała, że linia brzegowa jest znacznie dalej na wschód niż na poprzednich mapach. Zobacz inicjatywy rządowe poniżej.
Appulsy i okultacje
Dwie proponowane metody zależą od względnych ruchów księżyca i gwiazdy lub planety. Appulse to najmniej widoczna odległość między dwoma obiektami, okultacja występuje, gdy gwiazda lub planeta przechodzi za księżycem – zasadniczo rodzaj zaćmienia . Czas każdego z tych wydarzeń może być użyty jako miara czasu bezwzględnego w taki sam sposób, jak w przypadku zaćmienia Księżyca. Edmond Halley opisał zastosowanie tej metody do określenia długości geograficznej Balasore w Indiach, wykorzystując obserwacje gwiazdy Aldebaran („Bull's Eye”, będąc najjaśniejszą gwiazdą konstelacji Byka ) w 1680 r., z błędem nieco ponad pół stopnia. Opublikował bardziej szczegółowy opis tej metody w 1717 r. Wyznaczanie długości geograficznej za pomocą zakrycia planety Jowisza zostało opisane przez Jamesa Pounda w 1714 r. Tranzyt Wenus w 1769 r. Dał możliwość dokładnego określenia długości geograficznej ponad 100 portów morskich wokół świat.
Chronometry
Pierwszą osobą, która w 1530 roku zaproponowała podróżowanie z zegarem w celu określenia długości geograficznej, była Gemma Frisius , lekarka, matematyk, kartograf, filozof i wytwórca przyrządów z Holandii. Zegar byłby ustawiony na czas lokalny punktu początkowego, którego długość geograficzna była znana, a długość geograficzną dowolnego innego miejsca można by określić, porównując jego czas lokalny z czasem zegarowym. Chociaż metoda ta jest całkowicie rozsądna i została częściowo stymulowana niedawnymi ulepszeniami dokładności zegarów mechanicznych, nadal wymaga znacznie dokładniejszego pomiaru czasu niż było to dostępne w czasach Frisiusa. Termin chronometr nie był używany aż do następnego stulecia i minęły ponad dwa stulecia, zanim stała się standardową metodą określania długości geograficznej na morzu.
Deklinacja magnetyczna
Metoda ta opiera się na obserwacji, że igła kompasu generalnie nie wskazuje dokładnie północy. Kąt między północą rzeczywistą a kierunkiem igły kompasu (północ magnetyczna) nazywany jest deklinacją lub odchyleniem magnetycznym , a jego wartość zmienia się w zależności od miejsca. Kilku pisarzy zaproponowało, że wielkość deklinacji magnetycznej może być wykorzystana do określenia długości geograficznej. Mercator zasugerował, że północny biegun magnetyczny był wyspą na Azorach, gdzie deklinacja magnetyczna była wówczas bliska zeru. Idee te zostały poparte przez Michiela Coigneta w jego Instrukcji żeglarskiej .
Halley przeprowadził szeroko zakrojone badania zmienności magnetycznej podczas swoich podróży na różowym Paramour . W 1701 roku opublikował pierwszy wykres przedstawiający linie izogoniczne – linie o równej deklinacji magnetycznej. Jednym z celów wykresu była pomoc w określaniu długości geograficznej, ale metoda ta ostatecznie zawiodła, ponieważ zmiany deklinacji magnetycznej w czasie okazały się zbyt duże i zbyt niewiarygodne, aby stanowić podstawę nawigacji.
Ląd i morze
Pomiary długości geograficznej na lądzie i morzu wzajemnie się uzupełniały. Jak zauważył Edmond Halley w 1717 r.: „Ponieważ jednak nie ma potrzeby pytać dokładnie, na jakiej długości geograficznej znajduje się statek, gdy port, do którego zmierza, jest wciąż nieznany, byłoby życzeniem, aby książęta ziemi spowodować, aby w portach i na głównych przylądkach ich królestw poczyniono takie obserwacje, każdy dla siebie, które mogłyby raz na zawsze ustalić granice lądu i morza”. Ale określanie długości geograficznej na lądzie i morzu nie rozwijało się równolegle.
Na lądzie w okresie od wynalezienia teleskopów i zegarów wahadłowych do połowy XVIII wieku stale wzrastała liczba miejsc, których długość geograficzną określono z rozsądną dokładnością, często z błędami mniejszymi niż jeden stopień i prawie zawsze w granicach 2–3°. W latach dwudziestych XVIII wieku błędy były konsekwentnie mniejsze niż 1 °.
Na morzu w tym samym okresie sytuacja była zupełnie inna. Dwa problemy okazały się nie do rozwiązania. Pierwszą była potrzeba natychmiastowych rezultatów. Na lądzie astronom z, powiedzmy, Cambridge w stanie Massachusetts mógłby czekać na następne zaćmienie Księżyca, które byłoby widoczne zarówno w Cambridge, jak iw Londynie; ustawić zegar wahadłowy na czas lokalny na kilka dni przed zaćmieniem; określ czas wydarzeń związanych z zaćmieniem; prześlij szczegóły przez Atlantyk i poczekaj tygodnie lub miesiące, aby porównać wyniki z londyńskim kolegą, który poczynił podobne obserwacje; obliczyć długość geograficzną Cambridge; następnie wyślij wyniki do publikacji, co może nastąpić rok lub dwa po zaćmieniu. A jeśli Cambridge lub Londyn nie miały widoczności z powodu chmur, poczekaj na następne zaćmienie. Nawigator morski potrzebował szybko wyników. Drugim problemem było środowisko morskie. Dokonywanie dokładnych obserwacji we falowaniu oceanu jest znacznie trudniejsze niż na lądzie, a zegary wahadłowe nie sprawdzają się w takich warunkach. Zatem długość geograficzną na morzu można było oszacować jedynie na podstawie zliczanie martwe (DR) – na podstawie szacunków prędkości i kursu ze znanej pozycji startowej – w czasie, gdy określanie długości geograficznej na lądzie stawało się coraz dokładniejsze.
Aby niepewnie zrekompensować długość geograficzną, nawigatorzy czasami polegali na swojej dokładnej znajomości szerokości geograficznej. Popłynęliby na szerokość geograficzną miejsca docelowego, a następnie popłynęli w jej kierunku wzdłuż linii o stałej szerokości geograficznej, znanej jako biegnąca w kierunku zachodnim (jeśli w kierunku zachodnim, w przeciwnym razie na wschód ). Jednak linia szerokości geograficznej była zwykle wolniejsza niż najbardziej bezpośrednia lub najkorzystniejsza trasa, wydłużając podróż o dni lub tygodnie i zwiększając ryzyko krótkich racji żywnościowych, szkorbutu i głodu.
Słynna katastrofa spowodowana błędem długości geograficznej miała miejsce w kwietniu 1741 roku. George Anson , dowódca HMS Centurion , okrążał Przylądek Horn ze wschodu na zachód. Wierząc, że minął Przylądek, skierował się na północ prosto na ląd. Szczególnie silny prąd wschodni przesunął go daleko na wschód od jego martwej pozycji i przez kilka dni musiał wracać na zachodni kurs. Kiedy w końcu minął Horn, skierował się na północ, w kierunku wysp Juan Fernández wziąć zaopatrzenie dla swojej załogi, z których wielu było chorych na szkorbut. Po dotarciu do szerokości geograficznej Juan Fernández nie wiedział, czy wyspy znajdują się na wschodzie, czy na zachodzie, i spędził 10 dni żeglując najpierw na wschód, a potem na zachód, zanim w końcu dotarł do wysp. W tym czasie ponad połowa załogi statku zmarła na szkorbut.
Inicjatywy rządowe
W odpowiedzi na problemy żeglugi wiele europejskich potęg morskich przyznało nagrody za metodę wyznaczania długości geograficznej na morzu. Filip II z Hiszpanii był pierwszym, oferując nagrodę za rozwiązanie w 1567 roku; jego syn Filip III podwyższył nagrodę w 1598 r. do 6000 złotych dukatów plus stała emerytura w wysokości 2000 złotych dukatów rocznie. Holandia zaoferowała 30 000 florenów na początku XVII wieku. Żadna z tych nagród nie przyniosła rozwiązania, chociaż Galileo ubiegał się o obie.
W drugiej połowie XVII wieku powstały oficjalne obserwatoria w Paryżu i Londynie. Obserwatorium Paryskie zostało założone w 1667 roku pod auspicjami francuskiej Académie des Sciences. Budynek Obserwatorium na południe od Paryża został ukończony w 1672 roku. Do wczesnych astronomów należeli Jean Picard , Christiaan Huygens i Dominique Cassini . Nie był przeznaczony do żadnego konkretnego projektu, ale wkrótce zaangażował się w badanie Francji, które doprowadziło (po wielu opóźnieniach spowodowanych wojnami i nieprzychylnymi ministerstwami) do pierwszej mapy Francji Akademii w 1744 r. W badaniu wykorzystano połączenie triangulacji i astronomii obserwacje, z satelitami Jowisza używanymi do określania długości geograficznej. Do 1684 roku uzyskano wystarczające dane, aby wykazać, że poprzednie mapy Francji zawierały poważny błąd długości geograficznej, pokazując wybrzeże Atlantyku zbyt daleko na zachód. W rzeczywistości okazało się, że Francja jest znacznie mniejsza niż wcześniej sądzono. ( Ludwik XIV skomentował, że zabrali więcej terytorium Francji, niż zdobył we wszystkich swoich wojnach).
Królewskie Obserwatorium w Greenwich na wschód od Londynu, założone w 1675 roku, kilka lat po Obserwatorium Paryskim, i zostało założone specjalnie w celu rozwiązania problemu długości geograficznej. Johnowi Flamsteedowi , pierwszemu Królewskiemu Astronomowi , polecono „z najwyższą uwagą i starannością skorygować tablice ruchów niebios i miejsc gwiazd stałych, aby znaleźć tak bardzo pożądane długości geograficznej miejsc do doskonalenia sztuki nawigacji”. Początkowa praca polegała na skatalogowaniu gwiazd i ich pozycji, a Flamsteed stworzył katalog 3310 gwiazd, który stanowił podstawę do przyszłych prac.
Chociaż katalog Flamsteeda był ważny, sam w sobie nie zapewniał rozwiązania. W 1714 r. brytyjski parlament uchwalił „Ustawę o przyznaniu nagrody publicznej dla takiej osoby lub osób, które odkryją długość geograficzną na morzu” i powołał Radę do zarządzania nagrodą. Wypłata zależała od dokładności metody: od 10 000 GBP (równowartość 1 538 000 GBP w 2021 r.) Za dokładność w zakresie jednego stopnia szerokości geograficznej (60 mil morskich (110 km) na równiku) do 20 000 GBP (równowartość 3 076 000 GBP w 2021) z dokładnością do pół stopnia.
Nagroda ta w odpowiednim czasie zaowocowała dwoma praktycznymi rozwiązaniami. Pierwszym były odległości księżycowe, które wymagały uważnej obserwacji, dokładnych tabel i dość długich obliczeń. Tobias Mayer stworzył tabele na podstawie własnych obserwacji Księżyca i przedłożył je Radzie w 1755 r. Stwierdzono, że obserwacje te zapewniają wymaganą dokładność, chociaż wymagane długie obliczenia (do czterech godzin) stanowiły przeszkodę w rutynowym użytkowaniu . Wdowa po Mayerze w odpowiednim czasie otrzymała nagrodę od Zarządu. Nevila Maskelyne'a , nowo mianowany Astronom Królewski, który zasiadał w Radzie Długości Geograficznej, zaczął od tabel Mayera i po własnych eksperymentach na morzu, wypróbowując metodę odległości księżycowej, zaproponował coroczną publikację wstępnie obliczonych prognoz odległości księżycowej w oficjalnym almanachu żeglarskim w tym celu znajdowania długości geograficznej na morzu. Będąc bardzo entuzjastycznie nastawionym do metody odległości księżycowej, Maskelyne i jego zespół komputerowy pracował gorączkowo przez cały rok 1766, przygotowując tablice do nowego Almanachu Nautycznego i Efemeryd Astronomicznych. Opublikowany po raz pierwszy z danymi za rok 1767, zawierał dzienne tablice pozycji Słońca, Księżyca i planet oraz inne dane astronomiczne, a także tabele odległości Księżyca podające odległość Księżyca od Słońca oraz dziewięć gwiazd odpowiednich do obserwacje Księżyca (dziesięć gwiazd przez kilka pierwszych lat). Ta publikacja stała się później standardowym almanachem dla marynarzy na całym świecie. Ponieważ opierał się na Królewskim Obserwatorium, pomógł sto lat później doprowadzić do międzynarodowego przyjęcia południka Greenwich jako międzynarodowy standard.
Drugą metodą było użycie chronometru . Wielu, w tym Isaac Newton , było pesymistami, że kiedykolwiek uda się opracować zegar o wymaganej dokładności. Ziemia obraca się o jeden stopień długości geograficznej w ciągu czterech minut, więc maksymalny dopuszczalny błąd pomiaru czasu to kilka sekund dziennie. W tamtym czasie nie było zegarów, które mogłyby zbliżyć się do takiej dokładności w warunkach poruszającego się statku. John Harrison , stolarz i zegarmistrz z Yorkshire, przez ponad trzy dekady udowadniał, że jest to możliwe.
Harrison zbudował pięć chronometrów, z których dwa przetestowano na morzu. Jego pierwszy, H-1, został wysłany na wstępny test przez Admiralicję , w podróż do Lizbony iz powrotem. Stracił sporo czasu w podróży na zewnątrz, ale spisał się doskonale na odcinku powrotnym, który nie był częścią oficjalnej próby. Perfekcjonista w Harrison uniemożliwił mu wysłanie go w oficjalną podróż testową Board of Longitude do Indii Zachodnich (a w każdym razie uznano go za zbyt duży i niepraktyczny do użytku służbowego). Zamiast tego przystąpił do budowy H-2 , zaraz po nim H-3. Podczas budowy H-3 Harrison zdał sobie sprawę, że strata czasu H-1 w rejsie do Lizbony była spowodowana utratą czasu przez mechanizm za każdym razem, gdy statek zbliżał się do halsu na kanale La Manche. Zainspirowany tą realizacją, Harrison wyprodukował H-4 z zupełnie innym mechanizmem. Próba H-4 w 1762 roku spełniła wszystkie wymagania nagrody Longitude. Jednak Zarząd wstrzymał nagrodę, a Harrison został zmuszony do walki o swoją nagrodę, ostatecznie otrzymując zapłatę w 1773 r. Po interwencji parlamentu.
Problemem długości geograficznej interesowali się również Francuzi, a Akademia Francuska rozpatrywała propozycje i oferowała nagrody pieniężne, zwłaszcza po 1748 r. Początkowo asesorzy byli zdominowani przez astronoma Pierre'a Bouguera , który był przeciwny idei chronometrów, ale po jego śmierć w 1758 r. rozważano zarówno podejście astronomiczne, jak i mechaniczne. Dominowało dwóch zegarmistrzów, Ferdinand Berthoud i Pierre Le Roy . W latach 1767-1772 odbyły się cztery próby morskie, oceniające odległości księżycowe, a także różnych chronometrażystów. Wyniki dla obu podejść stale poprawiały się w miarę postępów prób, a obie metody uznano za odpowiednie do zastosowania w nawigacji.
Odległości księżycowe a chronometry
Chociaż wykazano, że zarówno chronometry, jak i odległości księżycowe są praktycznymi metodami określania długości geograficznej, minęło trochę czasu, zanim którykolwiek z nich stał się powszechnie stosowany. We wczesnych latach chronometry były bardzo drogie, a obliczenia odległości księżycowych były nadal złożone i czasochłonne, pomimo wysiłków Maskelyne'a zmierzających do ich uproszczenia. Obie metody były początkowo stosowane głównie w specjalistycznych wyprawach naukowych i geodezyjnych. Na podstawie dzienników okrętowych i podręczników żeglarskich odległości księżycowe zaczęły być używane przez zwykłych nawigatorów w latach osiemdziesiątych XVIII wieku i stały się powszechne po 1790 roku.
Podczas gdy chronometry radziły sobie z warunkami panującymi na statku na morzu, mogły być podatne na trudniejsze warunki zewnętrzne podczas eksploracji i pomiarów lądowych, na przykład na północnym zachodzie Ameryki, a odległości księżycowe były główną metodą stosowaną przez geodetów, takich jak jako David Thompson . Między styczniem a majem 1793 roku wykonał 34 obserwacje w Cumberland House w Saskatchewan , uzyskując średnią wartość 102° 12' W, około 2' (2,2 km) na wschód od współczesnej wartości. Każda z 34 obserwacji wymagałaby około 3 godzin obliczeń. Te obliczenia odległości księżycowej stały się znacznie prostsze w 1805 roku, wraz z publikacją tabel z wykorzystaniem Formuła Haversine autorstwa Josefa de Mendoza y Ríos .
Zaletą korzystania z chronometrów było to, że chociaż obserwacje astronomiczne były nadal potrzebne do ustalenia czasu lokalnego, obserwacje były prostsze i mniej wymagające pod względem dokładności. Po ustaleniu czasu lokalnego i wprowadzeniu wszelkich niezbędnych poprawek do czasu chronometru obliczenie długości geograficznej było proste. Współczesny przewodnik po metodzie został opublikowany przez Williama Walesa w 1794 r. Wada związana z kosztami stopniowo malała, gdy zaczęto produkować chronometry w dużych ilościach. Użyte chronometry nie były chronometrami Harrisona. Inni twórcy, tacy jak Thomas Earnshaw , który opracował wychwyt sprężyny, uprościł projektowanie i produkcję chronometru. Od 1800 do 1850 roku, gdy chronometry stały się bardziej przystępne cenowo i niezawodne, coraz bardziej wypierały metodę odległości księżycowej.
Chronometry musiały być sprawdzane i resetowane w odstępach czasu. Na krótkich rejsach między miejscami o znanej długości geograficznej nie stanowiło to problemu. W przypadku dłuższych podróży, zwłaszcza badań i eksploracji, nadal ważne były metody astronomiczne. Przykładem wzajemnego uzupełniania się chronometrów i księżyców w pracach geodezyjnych jest opłynięcie Australii przez Matthew Flindersa w latach 1801–183. Badając południowe wybrzeże, Flinders zaczął od King George Sound , miejsca znanego z George Vancouver wcześniejsza ankieta. Szedł wzdłuż południowego wybrzeża, używając chronometrów do określenia długości geograficznej obiektów po drodze. Przybywszy do zatoki, którą nazwał Port Lincoln , założył na brzegu obserwatorium i wyznaczył długość geograficzną na podstawie trzydziestu zestawów odległości księżycowych. Następnie określił błąd chronometru i ponownie przeliczył wszystkie długości geograficzne pośrednich lokalizacji.
Statki często przewoziły więcej niż jeden chronometr. Dwa dawałyby podwójną redundancję modułową , umożliwiając tworzenie kopii zapasowych, gdyby jeden przestał działać, ale nie pozwalając na korektę błędów , gdyby oba wyświetlały inny czas, ponieważ nie byłoby możliwe ustalenie, który z nich jest błędny: uzyskane wykrycie błędu byłoby to samo, co posiadanie tylko jednego chronometru i sprawdzanie go okresowo: codziennie w południe w stosunku do martwego rachunku . Trzy chronometry zapewniały potrójną redundancję modułową , umożliwiając korekcję błędów jeśli jeden z trzech był błędny, więc pilot wziąłby średnią z dwóch z bliższymi odczytami (głosowanie ze średnią precyzją). To zainspirowało powiedzenie: „Nigdy nie idź na morze z dwoma chronometrami; weź jeden lub trzy”. Niektóre statki miały więcej niż trzy chronometry – na przykład HMS Beagle miał 22 chronometry .
Do 1850 roku zdecydowana większość nawigatorów oceanicznych na całym świecie porzuciła metodę odległości księżycowych. Niemniej jednak doświadczeni nawigatorzy kontynuowali naukę księżyców aż do 1905 roku, chociaż dla większości było to tylko ćwiczenie z podręcznika wymagane do niektórych licencji. Littlehales zanotował w 1909 roku: „Tablice odległości księżycowych zostały pominięte w Connaissance des Temps za rok 1905, po tym jak zachowały swoje miejsce we francuskich oficjalnych efemerydach przez 131 lat; oraz w British Nautical Almanac za rok 1907, po przedstawieniu ich corocznie od roku 1767, kiedy opublikowano tablice Maskelyne'a”.
Geodezja i telegrafia
W pomiarach lądowych nadal wykorzystywano mieszankę metod triangulacyjnych i astronomicznych, do których dodano chronometry, gdy stały się one łatwo dostępne. Wczesne użycie chronometrów w geodezji zostało odnotowane przez Simeona Bordena podczas jego badania Massachusetts w 1846 r. Po sprawdzeniu wartości długości geograficznej State House w Bostonie podanej przez Nathaniela Bowditcha , określił długość geograficzną Pierwszego Kościoła Kongregacyjnego w Pittsfield , przewożąc 38 chronometrów na 13 trasach między dwoma lokalizacjami. Chronometry były też transportowane na znacznie większe odległości. Na przykład US Coast Survey zorganizowało ekspedycje w 1849 i 1855, podczas których wysłano łącznie ponad 200 chronometrów między Liverpoolem a Bostonem , nie w celu nawigacji, ale w celu uzyskania dokładniejszego określenia długości geograficznej Obserwatorium w Cambridge, Massachusetts , a tym samym zakotwiczenie US Survey na południku Greenwich.
Pierwsze działające telegrafy zostały założone w Wielkiej Brytanii przez Wheatstone'a i Cooke'a w 1839 r., a w Stanach Zjednoczonych przez Morse'a w 1844 r. Pomysł wykorzystania telegrafu do przesyłania sygnału czasu w celu określenia długości geograficznej podsunął Morse'owi w 1837 r. François Arago , a pierwszy test tego pomysłu został przeprowadzony przez kapitana Wilkesa z Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w 1844 r. nad linią Morse'a między Waszyngtonem a Baltimore. Zsynchronizowano dwa chronometry i zabrano je do dwóch urzędów telegraficznych, aby sprawdzić, czy czas jest dokładnie przekazywany.
Metoda ta znalazła wkrótce praktyczne zastosowanie do określania długości geograficznej, w szczególności przez US Coast Survey, oraz na coraz większe odległości, gdy sieć telegraficzna rozprzestrzeniła się w Ameryce Północnej. Poradzono sobie z wieloma wyzwaniami technicznymi. Początkowo operatorzy wysyłali sygnały ręcznie i nasłuchiwali kliknięć na linii, a następnie porównywali je z taktowaniem zegara, szacując ułamki sekundy. Zegary przerywające obwody i dyktafony zostały wprowadzone w 1849 roku w celu zautomatyzowania tych procesów, co doprowadziło do znacznej poprawy zarówno dokładności, jak i produktywności. Wraz z utworzeniem obserwatorium w Quebecu w 1850 r. pod kierunkiem Edwarda Davida Ashe'a przeprowadzono sieć telegraficznych pomiarów długości geograficznej dla wschodniej Kanady i powiązano ją z siecią z Harvardu i Chicago.
.jpeg)
Duża ekspansja „telegraficznej sieci długości geograficznej” była spowodowana pomyślnym ukończeniem transatlantyckiego kabla telegraficznego między południowo-zachodnią Irlandią a Nową Szkocją w 1866 r. Kabel z Brestu we Francji do Duxbury w stanie Massachusetts został ukończony w 1870 r. i dał możliwość sprawdź wyniki inną drogą. W międzyczasie ulepszono naziemne części sieci, w tym wyeliminowano repeatery. Porównania różnicy między Greenwich i Cambridge Massachusetts wykazały różnice między pomiarem 0,01 sekundy, z prawdopodobnym błędem ± 0,04 sekundy, co odpowiada 45 stopom. Podsumowując sieć w 1897 r., Charles Schott przedstawił tabelę głównych lokalizacji w Stanach Zjednoczonych, których lokalizacje zostały określone telegraficznie, z datami i parami oraz prawdopodobnym błędem. Sieć została rozszerzona na północno-zachodnią część Ameryki z połączeniem telegraficznym z Alaską i zachodnią Kanadą. Łącza telegraficzne między Dawson City , Yukon, Fort Egbert , Alaska oraz Seattle i Vancouver określenia położenia 141 . szczegółowy opis metody telegraficznej stosowanej przez USCoast and Geodetic Survey .
.jpg)
Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych rozszerzyła sieć na Indie Zachodnie oraz Amerykę Środkową i Południową w czterech wyprawach w latach 1874–90. Jedna seria obserwacji łączyła Key West na Florydzie z Indiami Zachodnimi i Panama City . Drugi obejmował lokalizacje w Brazylii i Argentynie , a także był połączony z Greenwich przez Lizbonę . Trzeci biegł z Galveston w Teksasie przez Meksyk i Amerykę Środkową, w tym Panamę, do Peru i Chile, łącząc się z Argentyną przez Kordobę . . Czwarty dodał lokalizacje w Meksyku, Ameryce Środkowej i Indiach Zachodnich oraz rozszerzył sieć na Curaçao i Wenezuelę .
Na wschód od Greenwich dokonano telegraficznych pomiarów długości geograficznej w Egipcie, w tym w Suezie, w ramach obserwacji tranzytu Wenus w 1874 r., kierowanych przez Sir George'a Airy'ego , brytyjskiego królewskiego astronoma . Obserwacje telegraficzne wykonane w ramach Wielkiego Badania Trygonometrycznego Indii, w tym Madrasu , zostały powiązane z Adenem i Suezem w 1877 r. W 1875 r. Długość geograficzna Władywostoku we wschodniej Syberii została określona na podstawie połączenia telegraficznego z Sankt Petersburgiem . Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych wykorzystała Suez, Madras i Władywostok jako punkty zaczepienia dla łańcucha ustaleń dokonanych w latach 1881-1882, który rozciągał się przez Japonię , Chiny , Filipiny i Singapur .
Sieć telegraficzna okrążyła świat w 1902 roku, łącząc Australię i Nową Zelandię z Kanadą przez All Red Line . Pozwoliło to na podwójne określenie długości geograficznej ze wschodu i zachodu, które zgadzały się w ciągu jednej sekundy łuku (1/15 sekundy czasu).
Sieć telegraficzna długości geograficznej była mniej ważna w Europie Zachodniej, która została już w większości szczegółowo zbadana za pomocą triangulacji i obserwacji astronomicznych. Ale „metoda amerykańska” została zastosowana w Europie, na przykład w serii pomiarów w celu określenia różnicy długości geograficznej między obserwatoriami w Greenwich i Paryżu z większą dokładnością niż wcześniej.
Metody bezprzewodowe
Marconi uzyskał patent na telegrafię bezprzewodową w 1897 roku. Wkrótce okazało się, że potencjał wykorzystania bezprzewodowych sygnałów czasu do określania długości geograficznej jest oczywisty.
Telegrafia bezprzewodowa została wykorzystana do rozszerzenia i udoskonalenia sieci telegraficznej długości geograficznej, dając potencjalnie większą dokładność i docierając do miejsc, które nie były podłączone do przewodowej sieci telegraficznej. Wczesne ustalenie dotyczyło odległości między Poczdamem a Brocken w Niemczech, odległości około 100 mil (160 km), w 1906 r. W 1911 r. Francuzi ustalili różnicę długości geograficznej między Paryżem a Bizertą w Tunezji, odległość 920 mil (1480 km), aw latach 1913-14 dokonano transatlantyckiego ustalenia między Paryżem a Waszyngtonem .
Pierwsze bezprzewodowe sygnały czasu do użytku na statkach na morzu rozpoczęły się w 1907 roku z Halifax w Nowej Szkocji . Sygnały czasu były nadawane z Wieży Eiffla w Paryżu począwszy od 1910 roku. Sygnały te pozwalały nawigatorom na częste sprawdzanie i korygowanie chronometrów. Międzynarodowa konferencja w 1912 r. przydzieliła czas różnym stacjom bezprzewodowym na całym świecie na nadawanie swoich sygnałów, umożliwiając zasięg niemal na całym świecie bez zakłóceń między stacjami. Bezprzewodowe sygnały czasu były również wykorzystywane przez naziemnych obserwatorów w terenie, w szczególności geodetów i odkrywców.
radionawigacyjne weszły do powszechnego użytku po II wojnie światowej . Opracowano kilka systemów, w tym Decca Navigator System , LORAN-C amerykańskiej straży przybrzeżnej , międzynarodowy system Omega oraz radziecki Alpha i CHAYKA . Wszystkie systemy opierały się na transmisjach ze stałych latarni nawigacyjnych. Odbiornik pokładowy obliczał pozycję statku na podstawie tych transmisji. Systemy te jako pierwsze umożliwiły dokładną nawigację, gdy obserwacje astronomiczne nie mogły być wykonane z powodu słabej widoczności, i stały się ustaloną metodą żeglugi handlowej aż do wprowadzenia systemów nawigacji satelitarnej na początku lat 90.
W 1908 roku Nikola Tesla przewidział:
W najgęstszej mgle lub ciemności nocy, bez kompasu, innych przyrządów orientacyjnych czy zegarka, będzie można poprowadzić statek najkrótszą lub ortodromiczną ścieżką, aby natychmiast odczytać szerokość i długość geograficzną, godzinę , odległość z dowolnego punktu oraz rzeczywistą prędkość i kierunek ruchu.
Jego przewidywania spełniły się częściowo dzięki systemom radionawigacyjnym, a całkowicie komputerowym systemom geopozycjonowania opartym na radiolatarniach satelitarnych GPS .
Zobacz też
- Biuro długości geograficznych
- Historia geodezji
- Historia szerokości geograficznej
- Historia południków zerowych
Linki zewnętrzne
- Board of Longitude Collection, Cambridge Digital Library
- Społeczność NavList: poświęcona historii, zachowaniu i praktyce tradycyjnych technik nawigacji
- PBS Nova Online: Zagubieni na morzu, w poszukiwaniu długości geograficznej
| Kluczowe idee |  |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Pomiary i standardy |
|
||||||||
| Filozofia czasu | |||||||||
|
|||||||||
|
Ludzkie doświadczenie i wykorzystanie czasu |
|||||||||
| Czas w nauce |
|
||||||||
| powiązane tematy | |||||||||
| Międzynarodowe standardy |
|
 
|
|---|---|---|
| Przestarzałe standardy | ||
| Czas w fizyce | ||
| Horologia | ||
| Kalendarz | ||
| Archeologia i geologia | ||
| Chronologia astronomiczna | ||
| Inne jednostki czasu | ||
| powiązane tematy | ||