История долготы - History of longitude

Памятники определения международной долготы в обсерватории Шешан в Шанхае

История долготы является запись усилий, астрономами, картографов и мореплавателей на протяжении веков, чтобы обнаружить средства определения долготы .

Измерение долготы важно как для картографии, так и для навигации , в частности для обеспечения безопасной навигации в океане. Требовалось знание широты и долготы. Поиск точного и надежного метода определения долготы занял века исследований, в которых участвовали некоторые из величайших научных умов в истории человечества. Сегодня проблема долготы решена с точностью до сантиметра с помощью спутниковой навигации .

Долгота до телескопа

Эратосфен в 3 веке до н.э. впервые предложил систему широты и долготы для карты мира. Его нулевой меридиан (линия долготы) проходил через Александрию и Родос , в то время как его параллели (линии широты) не были равномерно распределены, а проходили через известные места, часто за счет того, что они были прямыми линиями. Ко II веку до нашей эры Гиппарх использовал систематическую систему координат, основанную на делении круга на 360 °, чтобы однозначно указать места на Земле. Таким образом, долготы можно выразить в градусах к востоку или западу от главного меридиана, как мы это делаем сегодня (хотя первичный меридиан отличается). Он также предложил метод определения долготы путем сравнения местного времени лунного затмения в двух разных местах, чтобы получить разницу долготы между ними. Этот метод был не очень точным, учитывая ограничения доступных часов, и его редко использовали - возможно, только один раз, используя затмение Арбелы 330 г. до н. Э. Но это надежный метод, и это первое признание того, что долготу можно определить с помощью точного знания времени.

Карта Средиземного моря Птолемея, наложенная на современную карту, с Гринвичем в качестве опорной долготы.

Птолемей во 2 веке нашей эры основал свою систему карт на оценках расстояний и направлений, сообщаемых путешественниками. До этого на всех картах использовалась прямоугольная сетка с широтой и долготой в виде прямых линий, пересекающихся под прямым углом. Для большой площади это приводит к недопустимому искажению, и для своей карты обитаемого мира Птолемей использовал проекции (если использовать современный термин) с изогнутыми параллелями, которые уменьшили искажение. Не существует карт (или рукописей его работ) старше 13 века, но в своей книге «География» он дал подробные инструкции и координаты широты и долготы для сотен мест, которых достаточно для воссоздания карт. Хотя система Птолемея хорошо обоснована, фактические используемые данные очень разного качества, что приводит к множеству неточностей и искажений. Помимо трудностей с оценкой прямолинейных расстояний и направлений, наиболее важным из них является систематическая переоценка разницы в долготе. Таким образом, согласно таблицам Птолемея, разница в долготе между Гибралтаром и Сидоном составляет 59 ° 40 'по сравнению с современным значением 40 ° 23', что примерно на 48% больше. Луччо (2013) проанализировал эти несоответствия и пришел к выводу, что большая часть ошибки возникает из-за того, что Птолемей использовал гораздо меньшую оценку размера Земли, чем та, что дана Эратосфеном - 500 стадий, а не 700 (хотя Эратосфен не сделал этого). использовали степени). Учитывая трудности астрономических измерений долготы в классические времена, большинство, если не все значения Птолемея были бы получены из измерений расстояний и преобразованы в долготу с использованием значения 500. Результат Эратосфена ближе к истинному значению, чем результат Птолемея.

Древние индуистские астрономы знали о методе определения долготы по лунным затмениям, считая Землю сферической. Этот метод описан в Sûrya Siddhânta , санскритском трактате по индийской астрономии, который, как считается, датируется концом 4-го или началом 5-го века нашей эры. Долготы относились к нулевому меридиану, проходящему через Аванти, современный Удджайн . Положения относительно этого меридиана были выражены в единицах разницы в длине или времени, но не в градусах, которые в то время не использовались в Индии. Неясно, применялся ли этот метод на практике.

Исламские ученые знали работы Птолемея по крайней мере с IX века нашей эры, когда был сделан первый перевод его Географии на арабский язык. К нему относились с большим уважением, хотя его ошибки были известны. Одним из их достижений было создание таблиц географических положений с указанием широты и долготы, которые дополняли материал, предоставленный Птолемеем, а в некоторых случаях улучшали его. В большинстве случаев методы, используемые для определения долготы, не приводятся, но есть несколько отчетов, в которых приводятся подробности. Одновременные наблюдения двух лунных затмений в двух местах были записаны аль-Баттани в 901 году, сравнивая Антакью с Раккой . Это позволило определить разницу долготы между двумя городами с погрешностью менее 1 °. Это считается лучшим, что может быть достигнуто с помощью доступных тогда методов - наблюдения затмения невооруженным глазом и определения местного времени с помощью астролябии для измерения высоты подходящей «часовой звезды». Аль-Бируни в начале XI века н.э. также использовал данные о затмениях, но разработал альтернативный метод, включающий раннюю форму триангуляции. Для двух местоположений, различающихся как по долготе, так и по широте, если известны широта и расстояние между ними, а также размер Земли, можно вычислить разницу в долготе. С помощью этого метода аль-Бируни оценил разницу долготы между Багдадом и Газни, используя оценки расстояния от путешественников по двум разным маршрутам (и с несколько произвольной поправкой на изгиб дороги). Его результат для разницы долготы между двумя городами примерно на 1 ° отличается от современного значения. Мерсье (1992) отмечает, что это существенное улучшение по сравнению с Птолемеем, и что сопоставимое дальнейшее улучшение точности не произойдет до 17 века в Европе.

В то время как знание Птолемея (и в целом греческой науки и философии) росло в исламском мире, оно уменьшалось в Европе. Резюме Джона Киртланда Райта (1925) мрачно: «Мы можем пройти мимо математической географии христианского периода [в Европе] до 1100 года; никаких открытий сделано не было и не было никаких попыток применить результаты более ранних открытий. .. Птолемей был забыт, и труды арабов в этой области были еще неизвестны ». Не все было потеряно или забыто; Беде в своей книге «De naturum rerum» утверждает сферичность Земли. Но его аргументы - аргументы Аристотеля , взятые у Плиния . Беда ничего оригинального не добавляет. В более поздний средневековый период есть еще примечательные моменты. Райт (1923) цитирует описание Уолхером из Малверна лунного затмения в Италии (19 октября 1094 г.), которое произошло незадолго до рассвета. По возвращении в Англию он сравнил записи с другими монахами, чтобы установить время их наблюдения, которое было до полуночи. Сравнение было слишком случайным, чтобы можно было измерить разницу долгот, но отчет показывает, что принцип все же был понят. В XII веке были составлены астрономические таблицы для ряда европейских городов, основанные на работе аз-Заркали в Толедо . Их нужно было адаптировать к меридиану каждого города, и записано, что лунное затмение 12 сентября 1178 года использовалось для определения разницы долготы между Толедо, Марселем и Херефордом . В таблицы Херефорда также добавлен список из более чем 70 населенных пунктов, многие из которых находятся в исламском мире, с указанием их долготы и широты. Они представляют собой большое улучшение аналогичных таблиц Птолемея. Например, долгота Сеуты и Тира составляет 8 ° и 57 ° (к востоку от меридиана Канарских островов), разница в 49 ° по сравнению с современным значением 40,5 °, завышенная оценка менее чем на 20%. . В целом, период позднего средневековья отмечен ростом интереса к географии и готовности проводить наблюдения, стимулированным как увеличением количества путешествий (включая паломничество и крестовые походы ), так и доступностью исламских источников от контактов с Испанией и Северная Африка В конце средневекового периода работы Птолемея стали напрямую доступны благодаря переводам, сделанным во Флоренции в конце XIV - начале XV веков.

15 и 16 века были временем путешествий португальцев и испанцев, ведущих к открытиям и завоеваниям . В частности, прибытие европейцев в Новый Свет вызвало вопросы о том, где они на самом деле находились. Христофор Колумб сделал две попытки использовать лунные затмения, чтобы определить свою долготу. Первый был на острове Саона , теперь в Доминиканской Республике , во время своего второго плавания. Он писал: «В 1494 году, когда я был на острове Саона, который находится на восточной оконечности острова Эспаньола (то есть Эспаньола ), 14 сентября произошло лунное затмение, и мы заметили, что разница была больше. более пяти с половиной часов между этим местом [Саона] и мысом Сан-Винсенте в Португалии ". Он не мог сравнить свои наблюдения с европейскими, и предполагается, что он использовал астрономические таблицы для справки. Второй был на северном побережье Ямайки 29 февраля 1504 г. (во время своего четвертого плавания). Его определения долготы показали большие ошибки в 13 и 38 ° з.д. соответственно. Randles (1985) документирует измерение долготы португальцами и испанцами между 1514 и 1627 годами как в Северной и Южной Америке, так и в Азии. Погрешности составляли от 2 до 25 °.

Телескопы и часы

Флемстид «s настенная дуга . Телескоп был установлен на раме радиусом около 2 метров. Он был прикреплен к стене, выровненной по меридиану. Были стеллажи и микрометр, которые не показаны.

В 1608 году в правительство Нидерландов был подан патент на рефракторный телескоп. Идея была подхвачена, среди прочего, Галилеем, который сделал свой первый телескоп в следующем году и начал серию своих астрономических открытий, которые включали спутники Юпитера, фазы Венеры и разделение Млечного Пути на отдельные звезды. За следующие полвека усовершенствования оптики и использование калиброванных опор, оптических сеток и микрометров для регулировки положения превратили телескоп из устройства наблюдения в инструмент точных измерений. Это также значительно увеличило диапазон событий, которые можно было наблюдать для определения долготы.

Вторым важным техническим достижением для определения долготы были маятниковые часы , запатентованные Христианом Гюйгенсом в 1657 году. Это дало повышение точности примерно в 30 раз по сравнению с предыдущими механическими часами - лучшие маятниковые часы были точны примерно до 10 секунд в день. С самого начала Гюйгенс намеревался использовать свои часы для определения долготы в море. Однако маятниковые часы недостаточно хорошо переносили движение корабля, и после серии испытаний был сделан вывод о необходимости других подходов. Будущее маятниковых часов будет на суше. Вместе с телескопами они в ближайшие годы произведут революцию в наблюдательной астрономии и картографии. Гюйгенс также был первым, кто использовал пружину баланса в качестве генератора в рабочих часах, и это позволило изготавливать точные портативные часы. Но только благодаря работе Джона Харрисона такие часы стали достаточно точными, чтобы их можно было использовать в качестве морских хронометров .

Способы определения долготы

Относительная долгота позиции (например, по Гринвичу ) может быть рассчитана с помощью положения солнца и опорного времени (например, UTC / GMT).

Развитие телескопа и точных часов расширило диапазон методов, которые можно было использовать для определения долготы. За одним исключением (магнитное склонение) все они зависят от общего принципа, который заключался в определении абсолютного времени по событию или измерению и сравнению соответствующего местного времени в двух разных местах. (Абсолютное здесь означает время, одинаковое для наблюдателя в любой точке Земли.) Каждый час разницы местного времени соответствует изменению долготы на 15 градусов (360 градусов, разделенные на 24 часа).

Местный полдень определяется как время, когда солнце находится в самой высокой точке неба. Это трудно определить напрямую, поскольку в полдень видимое движение Солнца почти горизонтально. Обычный подход заключался в том, чтобы взять середину между двумя временами, когда солнце находилось на одной и той же высоте. При открытом горизонте можно использовать середину между восходом и заходом солнца. Ночью местное время можно было получить по видимому вращению звезд вокруг полюса мира, измеряя высоту подходящей звезды с помощью секстанта или проходя звезды по меридиану с помощью транзитного прибора.

Для определения абсолютного времени продолжали использоваться лунные затмения. Другие предложенные методы включали:

Лунные расстояния

Лунное расстояние угла между подходящей звезды и луной. Пунктирными линиями показаны расстояния от Альдебарана до Луны с интервалом в 5 часов. Луна не в масштабе.

Это самое раннее предложение будучи первым предложил в письме Америго Веспуччи , ссылаясь на замечания , которые он сделал в 1499 году метод был опубликован Johannes Вернер в 1514 году , и подробно обсуждается в Петер Апиан в 1524 году метод зависит от движения Луна относительно «неподвижных» звезд, которая совершает полный оборот на 360 ° в среднем за 27,3 дня (лунный месяц), что дает наблюдаемое движение чуть более 0,5 ° / час. Таким образом, требуется точное измерение угла, поскольку разница в 2 угловые минуты (1/30 °) угла между луной и выбранной звездой соответствует разнице в долготе в 1 ° - 60 морских миль (110 км) при экватор. Для этого метода также требовались точные таблицы, которые было сложно построить, поскольку они должны были учитывать параллакс и различные источники неравномерности орбиты Луны. В начале 16 века ни измерительные приборы, ни астрономические таблицы не были достаточно точными. Попытка Веспуччи использовать этот метод поместила его на 82 ° к западу от Кадиса , тогда как на самом деле он находился менее чем в 40 ° к западу от Кадиса, на северном побережье Бразилии.

Спутники Юпитера

В 1612 году, определив орбитальные периоды четырех самых ярких спутников Юпитера ( Ио, Европа, Ганимед и Каллисто ), Галилей предположил, что с достаточно точным знанием их орбит можно было бы использовать их положение в качестве универсальных часов, что сделало бы возможным определение долгота. Он работал над этой проблемой время от времени до конца своей жизни.

Латунный телескоп, прикрепленный к прямоугольным очкам, соединенным с подсвечником, и несколько замысловатых прицелов, через которые можно смотреть.
Целатон Галилея (реплика 2013 г.).

Для этого метода потребовался телескоп, так как луны не видны невооруженным глазом. Для использования в морской навигации Галилей предложил Celatone , устройство в виде шлема с телескопом, установленным так, чтобы приспособиться к движению наблюдателя на корабле. Позже это было заменено идеей пары вложенных полусферических раковин, разделенных масляной ванной. Это обеспечит платформу, которая позволит наблюдателю оставаться в неподвижном состоянии, когда корабль катится под ним, как платформа на шарнире . Чтобы обеспечить определение времени по положениям наблюдаемых лун, был предложен Jovilabe ; Это был аналоговый компьютер, который вычислял время по координатам и получил свое название от сходства с астролябией . Практические проблемы были серьезными, и этот метод никогда не использовался в море.

На суше этот метод оказался полезным и точным. Ранним примером было измерение долготы места бывшей обсерватории Тихо Браге на острове Хвен . Жан Пикар на Хвене и Кассини в Париже проводил наблюдения в 1671 и 1672 годах и получил значение 42 минуты 10 секунд (время) к востоку от Парижа, что соответствует 10 ° 32 '30 дюймов, примерно 12 угловым минутам (1/5 °). ) выше современного значения.

Аппульсы и затмения

Два предложенных метода зависят от относительного движения Луны и звезды или планеты. Парад планет является наименее очевидным , расстоянием между двумя объектами, затенение происходит , когда звезда или планета проходит позади Луны - по существу типа затмения. Время любого из этих событий можно использовать в качестве меры абсолютного времени так же, как и в случае лунного затмения. Эдмонд Галлей описал использование этого метода для определения долготы Баласора в Индии, используя наблюдения звезды Альдебаран («Бычий глаз», являющейся самой яркой звездой в созвездии Тельца ) в 1680 году с ошибкой чуть более половины степень. Он опубликовал более подробное описание этого метода в 1717 году. Определение долготы с использованием покрытия планеты Юпитер было описано Джеймсом Паундом в 1714 году.

Хронометры

Первой, кто предложил путешествовать с часами для определения долготы, в 1530 году была Гемма Фризиус , врач, математик, картограф, философ и приборостроитель из Нидерландов. Часы будут установлены на местное время отправной точки, долгота которой известна, а долгота любого другого места может быть определена путем сравнения его местного времени с временем на часах. Хотя этот метод совершенно надежен и частично был стимулирован недавними улучшениями в точности механических часов, он по-прежнему требует гораздо более точного хронометража, чем был во времена Фризиуса. Термин « хронометр» не использовался до следующего столетия, и прошло более двух столетий, прежде чем он стал стандартным методом определения долготы в море.

Магнитное склонение

Этот метод основан на наблюдении, что стрелка компаса обычно не указывает точно на север. Угол между истинным севером и направлением стрелки компаса (магнитный север) называется магнитным склонением или вариацией, и его значение варьируется от места к месту. Некоторые авторы предложили использовать величину магнитного склонения для определения долготы. Меркатор предположил, что северный магнитный полюс был островом на долготе Азорских островов, где магнитное склонение в то время было близко к нулю. Эти идеи были поддержаны Мишелем Куанье в его Морской инструкции .

Галлей провел обширные исследования магнитного склонения во время своих путешествий на розовом Paramour . Он опубликовал первую карту, показывающую изогонические линии - линии равного магнитного склонения - в 1701 году. Одна из целей карты состояла в том, чтобы помочь в определении долготы, но в конечном итоге метод потерпел неудачу, поскольку изменения магнитного склонения с течением времени оказались слишком большими и слишком ненадежен, чтобы служить основой для навигации.

Земля и море

Современная контурная карта (синяя) наложена на карту мира Германа Молля 1719 года. Южная часть Южной Америки на карте Молла намного западнее, но западное побережье Америки обычно находится в пределах 3 ° долготы.

Измерения долготы на суше и на море дополняли друг друга. Как указывал Эдмонд Галлей в 1717 году: «Но поскольку нет нужды спрашивать, на какой именно долготе находится корабль, то когда время порта, к которому он направлен, еще неизвестно, было бы желательно, чтобы князья земли заставляют проводить такие наблюдения в портах и ​​на основных головах их владений, каждый для своего, чтобы раз и навсегда уладить истинные границы суши и моря ". Но определение долготы на суше и на море не развивалось параллельно.

На суше в период от развития телескопов и маятниковых часов до середины 18 века наблюдалось неуклонное увеличение количества мест, долгота которых была определена с разумной точностью, часто с ошибками менее градуса и почти всегда в пределах 2–3 °. К 1720-м годам ошибки стабильно составляли менее 1 °.

На море в тот же период ситуация была совсем другой. Две проблемы оказались неразрешимыми. Во-первых, необходимость немедленных результатов. На суше астроном, скажем, в Кембридже, штат Массачусетс, может дождаться следующего лунного затмения, которое будет видно как в Кембридже, так и в Лондоне; установить маятниковые часы на местное время за несколько дней до затмения; время событий затмения; отправить детали через Атлантику и ждать недели или месяцы, чтобы сравнить результаты с результатами лондонского коллеги, сделавшего аналогичные наблюдения; рассчитать долготу Кембриджа; затем отправьте результаты для публикации, что может произойти через год или два после затмения. А если в Кембридже или Лондоне не будет видимости из-за облаков, дождитесь следующего затмения. Морскому штурману нужны были результаты быстро. Вторая проблема - это морская среда. Провести точные наблюдения на волнах океана намного сложнее, чем на суше, и маятниковые часы в этих условиях не работают. Таким образом, долготу в море можно было оценить только с помощью точного счисления (DR) - с использованием оценок скорости и курса из известной исходной позиции - в то время, когда определение долготы на суше становилось все более точным.

Во избежание проблем, связанных с отсутствием точного определения своего местоположения, навигаторы по возможности полагались на свои знания о широте. Они будут плыть до широты пункта назначения, повернуть к пункту назначения и следовать по линии постоянной широты. Это было известно как работает вниз Вестинг (если в западном направлении, пищеблок в противном случае). Это мешало кораблю выбрать самый прямой маршрут ( большой круг ) или маршрут с наиболее благоприятными ветрами и течениями, что увеличивало плавание на дни или даже недели. Это увеличивало вероятность нехватки пайков, что могло привести к ухудшению здоровья или даже смерти членов экипажа из-за цинги или голода, что, в свою очередь, могло привести к риску для корабля.

В апреле 1741 года произошла известная ошибка определения долготы, имевшая катастрофические последствия. Джордж Энсон , командующий кораблем HMS  Centurion , огибал мыс Горн с востока на запад. Полагая, что миновал мыс, он направился на север только для того, чтобы найти землю прямо впереди. Особенно сильное восточное течение поставило его далеко на восток от его исходной позиции, и ему пришлось вернуться на западный курс в течение нескольких дней. Когда, наконец, миновав Рог, он направился на север к островам Хуана Фернандеса , чтобы взять припасы и помочь своей команде, многие из которых были больны цингой. Достигнув широты Хуана Фернандеса, он не знал, находятся ли острова на востоке или западе, и провел 10 дней в плавании сначала на восток, а затем на запад, прежде чем наконец достиг островов. За это время от цинги умерло более половины экипажа корабля.

Государственные инициативы

В ответ на проблемы навигации ряд европейских морских держав предложили призы за метод определения долготы в море. Испания была первой, предложившей награду за решение в 1567 году, а в 1598 году она была увеличена до постоянной пенсии. В начале 17 века Голландия предложила 30 000 флоринов. Ни один из этих призов не дал решения.

Карта Франции, представленная Академии в 1684 году, показывает контур предыдущей карты (Sanson, светлый контур) по сравнению с новым обзором (более жирный, затемненный контур).

Во второй половине 17 века были основаны две обсерватории, одна в Париже, а другая в Лондоне. Париж обсерватории был первым, учреждаемого как ответвление французского Академии наук в 1667 здание обсерватории, к югу от Парижа, был завершен в 1672 году ранних астрономов включены Жан Пикар , Христиана Гюйгенса , и Доминик Кассини . Обсерватория не была создана для какого-либо конкретного проекта, но вскоре была вовлечена в исследование Франции, которое привело (после многих задержек из-за войн и недоброжелательных министерств) к первой карте Франции Академии в 1744 году. В исследовании использовалась комбинация триангуляции. и астрономические наблюдения со спутниками Юпитера, используемыми для определения долготы. К 1684 году было получено достаточно данных, чтобы показать, что предыдущие карты Франции имели большую ошибку долготы, показывающую Атлантическое побережье слишком далеко к западу. На самом деле Франция оказалась значительно меньше, чем считалось ранее.

Королевская обсерватория, Гринвич , к востоку от Лондона, была создана несколько лет спустя в 1675 году, и была создана явно для решения проблемы долготы. Джон Флэмстид , первый королевский астроном, получил указание «с величайшей осторожностью и усердием исправлять таблицы движений небес и положения неподвижных звезд, чтобы определить столь желанную долготу». мест для совершенствования искусства мореплавания ». Первоначальная работа заключалась в каталогизации звезд и их положения, и Флемстид создал каталог из 3310 звезд, который лег в основу будущей работы.

Каталог Флемстида был важен, но сам по себе не предлагал решения. В 1714 году британский парламент принял «Акт о предоставлении публичной награды для такого человека или лиц, которые откроют долготу в море», и учредил Правление для управления наградой. Награды зависели от точности метода: от 10 000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 1 456 000 фунтов стерлингов в 2019 году) за точность в пределах одного градуса широты (60 морских миль (110 км) на экваторе) до 20 000 фунтов стерлингов (эквивалент 2 912 000 фунтов стерлингов в 2019) с точностью до половины градуса.

Этот приз со временем привел к двум работоспособным решениям. Во-первых, это лунные расстояния, которые требовали внимательного наблюдения, точных таблиц и довольно объемных вычислений. Тобиас Майер составил таблицы, основанные на его собственных наблюдениях за Луной, и представил их Правлению в 1755 году. Было обнаружено, что эти наблюдения дают требуемую точность, хотя требуемые длительные вычисления (до четырех часов) были препятствием для повседневного использования. . Вдова Майера в свое время получила награду от Совета. Невил Маскелайн , недавно назначенный Королевским астрономом, входивший в Совет по долготе, начал с таблиц Майера и после своих собственных экспериментов в море, опробовавших метод лунного расстояния, предложил ежегодную публикацию предварительно рассчитанных прогнозов лунного расстояния в официальном морском альманахе для цель определения долготы в море. С большим энтузиазмом относясь к методу лунного расстояния, Маскелайн и его команда компьютеров лихорадочно работали в течение 1766 года, готовя таблицы для нового морского альманаха и астрономических эфемерид. Впервые опубликованный с данными за 1767 год, он включал ежедневные таблицы положений Солнца, Луны и планет и другие астрономические данные, а также таблицы лунных расстояний с указанием расстояния Луны от Солнца и девяти звезд, подходящих для лунные наблюдения (десять звезд за первые несколько лет). Позже это издание стало стандартным альманахом для моряков всего мира. Поскольку он был основан на Королевской обсерватории, столетие спустя он помог международному принятию Гринвичского меридиана в качестве международного стандарта.

Хронометр Джереми Такера

Второй метод - использование хронометра . Многие, в том числе Исаак Ньютон , были пессимистичны по поводу того, что часы требуемой точности когда-либо могут быть созданы. Градус долготы эквивалентен четырем минутам времени, поэтому требуемая точность составляет несколько секунд в день. В то время не было часов, которые могли бы приблизиться к такому точному времени в условиях движущегося корабля. Джон Харрисон , плотник и часовщик из Йоркшира, верил, что это возможно, и потратил более трех десятилетий, доказывая это.

Харрисон построил пять хронометров, два из которых были испытаны в море. Его первый, H-1, не проходил испытания в условиях, требуемых Советом по долготе. Вместо этого Адмиралтейство потребовало, чтобы он поехал в Лиссабон и обратно. Он потерял значительное время на обратном пути, но отлично показал себя на обратном пути, что не входило в официальные испытания. Перфекционист из Харрисона помешал ему отправить его на требуемое испытание в Вест-Индию (и в любом случае он считался слишком большим и непрактичным для использования в служебных целях). Вместо этого он приступил к постройке H-2. Этот хронометр никогда не выходил в море, за ним сразу же последовал H-3. Во время постройки H-3 Харрисон понял, что потеря времени H-1 во время путешествия по Лиссабону была вызвана тем, что механизм терял время каждый раз, когда корабль появлялся во время лавирования Ла-Манша. Харрисон произвел H-4 с совершенно другим механизмом, который прошел морские испытания и удовлетворял всем требованиям для получения премии Longitude Prize. Однако он не был награжден премией Правлением и был вынужден бороться за свою награду, наконец, получив выплату в 1773 году после вмешательства парламента.

Французы также очень интересовались проблемой долготы, и Академия изучила предложения и также предложила денежные призы, особенно после 1748 года. Первоначально среди экспертов по оценке преобладал астроном Пьер Бугер, который был против идеи хронометров, но после его смерти в 1758 г. рассматривались как астрономический, так и механический подходы. Доминировали два часовщика: Фердинанд Берту и Пьер Ле Руа . Между 1767 и 1772 годами состоялись четыре ходовых испытания, в ходе которых оценивались расстояния до Луны, а также различные хронометры. Результаты для обоих подходов неуклонно улучшались по мере продолжения испытаний, и оба метода были сочтены подходящими для использования в навигации.

Лунные расстояния против хронометров

Хотя и хронометры, и лунные расстояния оказались практичными методами определения долготы, прошло некоторое время, прежде чем они стали широко использоваться. В первые годы хронометры были очень дорогими, а вычисления лунных расстояний по-прежнему были сложными и требовали много времени, несмотря на работу Маскелайна по их упрощению. Оба метода изначально использовались в основном в специализированных научных и изыскательских рейсах. Судя по судовым журналам и руководствам по навигации, обычные мореплаватели начали использовать расстояние до Луны в 1780-х годах, а после 1790 года стали обычным явлением.

Хотя хронометры могут работать в условиях корабля в море, они могут быть уязвимы в более суровых условиях наземной разведки и съемки, например, на северо-западе Америки, а лунные расстояния были основным методом, используемым геодезистами, такими как Дэвид Томпсон . В период с января по май 1793 года он провел 34 наблюдения в Камберленд-Хаус, Саскачеван , получив среднее значение 102 ° 12 'з.д., примерно в 2' (2,2 км) к востоку от современного значения. Для каждого из 34 наблюдений потребовалось бы около 3 часов вычислений. Эти вычисления лунных расстояний стали значительно проще в 1805 году с публикацией таблиц с использованием метода Хаверсина Йозефом де Мендоса-и-Риос .

Преимущество использования хронометров состояло в том, что, хотя астрономические наблюдения все еще были необходимы для установления местного времени, наблюдения были более простыми и менее требовательными к точности. После того, как было установлено местное время и внесены все необходимые поправки в хронометр, вычисление долготы стало несложным. Недостаток стоимости постепенно уменьшался, поскольку хронометры стали производиться в большом количестве. Используемые хронометры не принадлежали Харрисону. Другие производители, в частности Томас Эрншоу , разработавший пружинный спусковой механизм, упростили конструкцию и производство хронометров. С 1800 по 1850 год, когда хронометры стали более доступными и надежными, они все больше вытесняли метод измерения расстояния до Луны.

Карта 1814 года, показывающая часть Южной Австралии, включая Порт-Линкольн. На основе обзора Флиндерса 1801-1802 гг.

Хронометры нужно было периодически проверять и сбрасывать. Во время коротких путешествий между местами с известной долготой это не было проблемой. Для более длительных путешествий, особенно для разведки и исследования, астрономические методы продолжали иметь значение. Примером того, как хронометры и луны дополняли друг друга в геодезической работе, является кругосветное плавание Мэтью Флиндерса над Австралией в 1801-1803 годах. Изучая южное побережье, Флиндерс начал с пролива Кинг-Джордж , известного места из более ранней разведки Джорджа Ванкувера . Он проследовал вдоль южного побережья, используя хронометры для определения долготы объектов по пути. Прибыв в залив, он назвал Порт-Линкольн , он основал береговую обсерваторию и определил долготу на основе тридцати наборов лунных расстояний. Затем он определил ошибку хронометра и пересчитал все долготы промежуточных местоположений.

Корабли часто имели более одного хронометра. Два из них обеспечивали двойное модульное резервирование , позволяя выполнять резервное копирование, если один из них перестал работать, но не позволяли исправлять ошибки, если два отображали разное время, поскольку в случае противоречия между двумя хронометрами было бы невозможно узнать, какой из них был неправильным. ( обнаружение ошибок будет таким же, как при наличии только одного хронометра и периодической его проверки: каждый день в полдень против точного счета ). Три хронометра обеспечивали тройное модульное резервирование , позволяя исправлять ошибки, если один из трех был неправильным, поэтому пилот брал среднее из двух с более близкими показаниями (средняя точность голосования). На этот счет есть старая пословица: «Никогда не выходите в море с двумя хронометрами; возьмите один или три». На некоторых судах было более трех хронометров - например, на HMS Beagle было 22 хронометра .

К 1850 году подавляющее большинство океанских мореплавателей во всем мире перестали использовать метод лунных расстояний. Тем не менее, опытные навигаторы продолжали изучать Луны вплоть до 1905 года, хотя для большинства это было учебным упражнением, поскольку они требовались для получения определенных лицензий. Литтлхейлз отмечал в 1909 году: «Таблицы лунных расстояний были исключены из Connaissance des Temps за 1905 год, поскольку они сохраняли свое место во французских официальных эфемеридах в течение 131 года; и из Британского морского альманаха за 1907 год, после того, как они были представлены. ежегодно, начиная с 1767 года, когда были опубликованы таблицы Маскелина ».

Землеустройство и телеграфия

При съемке на суше по-прежнему использовались триангуляционные и астрономические методы, к которым было добавлено использование хронометров, как только они стали доступны. Раннее использование хронометров в землеустроительных сообщил Симеон Борден в своем исследовании Массачусетс в 1846. Проверив Боудич значение «s для долготы State House в Бостоне он определил долготу первой Конгрегационалистской церкви в Питсфилде , транспортирование 38 хронометров на 13 экскурсиях между двумя локациями. Хронометры также перевозили на гораздо большие расстояния. Например, Служба береговой службы США организовала экспедиции в 1849 и 1855 годах, в ходе которых между Ливерпулем и Бостоном было отправлено в общей сложности более 200 хронометров не для навигации, а для получения более точного определения долготы обсерватории в Кембридже, штат Массачусетс , и таким образом, чтобы привязать Обзор США к гринвичскому меридиану.

Первые рабочие телеграфы были созданы в Великобритании Уитстоном и Куком в 1839 году, а в США - Морсом в 1844 году. Идея использования телеграфа для передачи сигнала времени для определения долготы была предложена Морсу Франсуа Араго в 1837 году, а Первая проверка этой идеи была сделана капитаном ВМС США Уилксом в 1844 году над линией Морса между Вашингтоном и Балтимором. Два хронометра были синхронизированы и доставлены в два телеграфа для проверки и проверки точности передачи времени.

Вскоре этот метод стал применяться на практике для определения долготы, в частности, в Службе береговой службы США, а также на все большие и большие расстояния, поскольку телеграфная сеть распространилась по Северной Америке. Было решено множество технических проблем. Первоначально операторы отправляли сигналы вручную и отслеживали щелчки на линии и сравнивали их с тактами часов, оценивая доли секунды. В 1849 году для автоматизации этого процесса были введены часы с размыканием цепи и ручные самописцы, что привело к значительному повышению как точности, так и производительности. С созданием обсерватории в Квебеке в 1850 году под руководством Эдварда Дэвида Эша была проведена сеть телеграфных определений долготы для восточной Канады, связанная с сетью Гарварда и Чикаго.

Телеграфная сеть долготы в США, 1896 г. Данные Schott (1897 г.). Пунктирными линиями показаны два трансатлантических телеграфных соединения с Европой, одно - через Канаду.

Большое расширение "телеграфной сети долготы" было связано с успешным завершением трансатлантического телеграфного кабеля между юго-западом Ирландии и Новой Шотландией в 1866 году. Кабель из Бреста во Франции в Даксбери, штат Массачусетс, был завершен в 1870 году и дал возможность проверить результаты другим маршрутом. За это время были улучшены наземные части сети, включая устранение повторителей. Сравнение разницы между Гринвичем и Кембриджем, штат Массачусетс, показало разницу между измерением времени 0,01 секунды с вероятной ошибкой ± 0,04 секунды, что эквивалентно 45 футам. Подводя итоги сети в 1897 году, Чарльз Шотт представил таблицу основных местоположений по всей территории Соединенных Штатов, чьи местоположения были определены телеграфом, с датами, парами и вероятной ошибкой. Сеть была расширена на северо-запад Америки с телеграфной связью с Аляской и западной Канадой. Телеграфные связи между Доусон-Сити , Юконом, Форт-Эгберт , Аляской, Сиэтлом и Ванкувером использовались для двойного определения положения 141-го меридиана, где он пересекал реку Юкон, и, таким образом, обеспечения отправной точки для обзора границы. между США и Канадой на север и юг в 1906–1908 гг.

Деталь морской карты Пайты , Перу, с указанием телеграфной долготы, сделанной в 1884 году.

Военно-морской флот США расширил сеть на Вест-Индию, а также в Центральную и Южную Америку в четырех экспедициях в 1874-90 гг. Одна серия наблюдений связала Ки-Уэст , Флорида, с Вест-Индией и Панама-Сити . Второй крытый объект находится в Бразилии и Аргентине , а также связан с Гринвичем через Лиссабон . Третий пролегал из Галвестона, штат Техас , через Мексику и Центральную Америку, включая Панаму, и далее в Перу и Чили, соединяясь с Аргентиной через Кордову . Четвертый добавил точки в Мексике, Центральной Америке и Вест-Индии, а также расширил сеть до Кюрасао и Венесуэлы .

К востоку от Гринвича телеграфные определения долготы были сделаны для местоположений в Египте, включая Суэц, в рамках наблюдений за прохождением Венеры 1874 года под руководством сэра Джорджа Эйри , британского королевского астронома . Телеграфные наблюдения, сделанные в рамках Великой тригонометрической съемки Индии, включая Мадрас , были связаны с Аденом и Суэцем в 1877 году. В 1875 году долгота Владивостока в Восточной Сибири была определена посредством телеграфной связи с Санкт-Петербургом . Военно-морской флот США использовал Суэц, Мадрас и Владивосток в качестве опорных пунктов для цепочки определений, сделанных в 1881–1882 годах, которая простиралась через Японию , Китай , Филиппины и Сингапур .

Телеграфная сеть обошла земной шар в 1902 году, соединив Австралию и Новую Зеландию с Канадой через All Red Line . Это позволило дважды определить долготы с востока и запада, которые согласовывались в пределах одной угловой секунды (1/15 секунды времени).

Телеграфная сеть долготы была менее важна в Западной Европе, которая уже в основном была подробно исследована с помощью триангуляции и астрономических наблюдений. Но «американский метод» использовался в Европе, например, в серии измерений для определения разницы долготы между обсерваториями Гринвича и Парижа с большей точностью, чем это было возможно ранее.

Беспроводные методы

В 1897 году Маркони получил патент на беспроводной телеграф . Вскоре стала очевидна возможность использования беспроводных сигналов времени для определения долготы.

Беспроводная телеграфия использовалась для расширения и уточнения телеграфной сети долготы, обеспечивая потенциально большую точность и достигая мест, которые не были подключены к проводной телеграфной сети. Первым делом было установлено, что между Потсдамом и Брокеном в Германии, на расстоянии около 100 миль (160 км), в 1906 году. В 1911 году французы определили разницу долготы между Парижем и Бизертой в Тунисе, на расстоянии 920 миль (1480 миль). км), а в 1913-14 годах между Парижем и Вашингтоном было принято трансатлантическое сообщение .

Первые беспроводные сигналы времени для использования кораблями в море начались в 1907 году из Галифакса, Новая Шотландия . Сигналы времени передавались с Эйфелевой башни в Париже, начиная с 1910 года. Эти сигналы позволяли мореплавателям часто проверять и настраивать свои хронометры. На международной конференции 1912 года различным беспроводным станциям по всему миру было выделено время для передачи своих сигналов, что обеспечило практически всемирное покрытие без помех между станциями. Беспроводные сигналы времени также использовались наземными наблюдателями в полевых условиях, в частности геодезистами и исследователями.

Радионавигационные системы стали широко использоваться после Второй мировой войны . Было разработано несколько систем, включая систему Decca Navigator , береговую охрану США LORAN-C , международную систему Omega , а также советские Alpha и CHAYKA . Все системы зависели от передач от стационарных навигационных маяков. Судовой приемник рассчитал местоположение судна по этим сообщениям. Эти системы были первыми, которые обеспечивали точную навигацию, когда астрономические наблюдения не могли проводиться из-за плохой видимости, и стали общепринятым методом коммерческого судоходства до появления спутниковых навигационных систем в начале 1990-х годов.

В 1908 году Никола Тесла предсказал:

В густом тумане или темноте ночи без компаса или других инструментов ориентации или часов можно будет направить судно по кратчайшему или ортодромическому пути, чтобы мгновенно определить широту и долготу, час, расстояние. из любой точки, а также истинную скорость и направление движения.

Его предсказание было выполнено частично с помощью радионавигационных систем и полностью с помощью современных компьютерных систем, основанных на GPS .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки