У моряка, который хотел понять, где находится корабль, были две разные задачи: определить широту и определить долготу. Первую можно было оценить по высоте Солнца или Полярной звезды над горизонтом. Со второй возникала принципиальная трудность: для её вычисления требовалось знать время в другой точке Земли, а точные часы плохо переносили качку, сырость и перемены температуры. Поэтому история определения долготы — это не только история географических открытий, но и история попыток сохранить и сравнить время в открытом море.
- Широта и долгота: почему одна задача оказалась сложнее
- Как ориентировались до точного решения задачи
- Счисление пути и его ограничения
- Астрономические наблюдения
- Метод лунных расстояний: время из положения Луны
- Морской хронометр: перенос точного времени на корабль
- Сравнение двух способов определения долготы
- Как эти методы изменили мореплавание
- Краткий порядок расчёта долготы по времени
- Частые вопросы
- Почему нельзя было определить долготу просто по высоте Солнца?
- Что моряки использовали раньше — хронометр или лунные расстояния?
- Как переводили разницу времени в градусы?
- Когда Гринвич стал нулевым меридианом?
Широта и долгота: почему одна задача оказалась сложнее
Широта показывает, насколько место находится к северу или югу от экватора. Наблюдая за небесными светилами, мореплаватель мог измерить их высоту над горизонтом и сопоставить результат с астрономическими таблицами. Например, в Северном полушарии высота Полярной звезды приблизительно указывает широту наблюдателя. Это не было безошибочным способом: мешали облака, неточное измерение и особенности положения звезды, но наблюдение можно было провести непосредственно на корабле.
Долгота указывает положение к востоку или западу от выбранного нулевого меридиана. Для её определения нужно сравнить местное время с временем на меридиане, принятом за точку отсчёта. Земля совершает полный оборот примерно за 24 часа, то есть за один час разницы во времени соответствует 15 градусам долготы. На практике важно учитывать, что расстояние между меридианами на поверхности Земли уменьшается по мере приближения к полюсам; поэтому градус долготы не везде равен одинаковому расстоянию в километрах.
Если на корабле наступил местный солнечный полдень, а точные часы показывают время выбранного исходного меридиана, разницу можно перевести в угловое смещение. Местное время на востоке опережает время на западе: Солнце там достигает высшей точки раньше. Но такой расчёт полезен только при надёжном знании времени исходного меридиана. Именно этот источник времени долгое время оставался слабым звеном морской навигации.
Как ориентировались до точного решения задачи
Счисление пути и его ограничения
Положение корабля оценивали также счислением пути: учитывали направление движения, скорость и прошедшее время. Скорость могли определять с помощью специальных измерений, а курс — по компасу. Но счисление не давало независимой точной долготы: небольшие ошибки в скорости и курсе накапливались, а течение, ветер и волнение сносили судно в сторону. После долгого перехода предполагаемое положение могло заметно отличаться от действительного.
Поэтому моряки старались регулярно уточнять широту по наблюдениям за Солнцем или звёздами, а долготу оценивали с опорой на пройденный путь и доступные астрономические сведения. Чем дальше корабль уходил от знакомых берегов, тем опаснее становилась накопленная неопределённость. Ошибка в расчётах могла привести к тому, что судно ожидало увидеть сушу не там, где она находилась, или подходило к опасным берегам при недостаточном запасе времени для манёвра.
Астрономические наблюдения
Идея определять время и положение по небесным явлениям появилась задолго до точного морского хронометра. В принципе можно было наблюдать затмения и другие события, которые происходили в известное время. Однако многие такие явления редки, а наблюдать их с качающейся палубы трудно. Для части методов требовались телескопические наблюдения: инструмент приходилось удерживать направленным на объект, что на судне было значительно сложнее, чем на суше.
Более практически применимым астрономическим решением стал метод лунных расстояний. Наблюдатель измерял угловое расстояние между Луной и Солнцем либо одной из ярких звёзд. Поскольку Луна быстро меняет положение на фоне звёзд, измеренный угол можно было сравнить с заранее рассчитанными таблицами. Такие таблицы позволяли определить время на исходном меридиане, а затем сопоставить его с местным временем на корабле.
Метод лунных расстояний: время из положения Луны
Метод требовал не просто посмотреть на Луну. Моряк измерял угол между ней и выбранным небесным телом, после чего вносил необходимые поправки и обращался к таблицам для соответствующей даты и времени. Расчёт помогал установить время на меридиане, для которого были подготовлены таблицы. Сравнение с местным временем давало разницу, необходимую для вычисления долготы.
Метод был ценен тем, что не требовал везти с собой часы, которые непрерывно сохраняли бы точное время исходного меридиана. Но это не делало его лёгким. Наблюдения следовало проводить при подходящих условиях, точно измерять углы и выполнять расчёты; ошибки в любом из этих этапов сказывались на результате. Кроме того, облака или яркий дневной свет могли помешать наблюдению выбранных светил.
Важным этапом стало появление регулярных астрономических таблиц для навигации. Британский «Морской альманах» (Nautical Almanac) впервые вышел в 1767 году с расчётами на этот год. Табличные данные сделали метод лунных расстояний применимее в повседневной работе: моряку больше не нужно было самостоятельно получать все исходные астрономические предсказания. Однако подготовка и использование наблюдений по-прежнему требовали навыка.
Морской хронометр: перенос точного времени на корабль
Другой путь к долготе состоял в том, чтобы взять на борт часы, показывающие время исходного меридиана. Моряк определял местное время по Солнцу и сравнивал его с показаниями часов. Если часы сохраняли точность во время плавания, разницу можно было перевести в долготу. На суше механические часы уже существовали, но морская качка, температурные изменения и влажность нарушали ход обычного механизма.
В Англии задачу поддержать разработку практического способа определения долготы стимулировал закон 1714 года, учредивший награды за решение проблемы. За высокую точность в дальнем плавании предусматривалась значительная премия — до 20 тысяч фунтов стерлингов. Одним из тех, кто десятилетиями работал над морскими часами, был английский часовщик Джон Гаррисон. Его конструкции постепенно менялись: он искал способы уменьшить влияние качки и колебаний температуры на ход механизма.
Морские испытания часов Гаррисона показали, что перенос точного времени на корабль может дать практический результат. В 1761–1762 годах его часы H4 участвовали в испытательном путешествии на Ямайку. Путь от опытных механизмов к привычному навигационному инструменту, однако, не был мгновенным: имели значение точность, стоимость изготовления и обслуживания, а также доверие к новым приборам. Морской хронометр был полезен лишь при условии, что его исходное время известно, а ход можно проверять и учитывать.
Лунные расстояния и хронометр не следует представлять как методы, которые сразу вытеснили друг друга. Хронометр упрощал получение времени исходного меридиана, но требовал дорогого и точного прибора. Астрономический метод позволял вычислять его по наблюдениям и таблицам, однако отнимал время и требовал уверенной работы с инструментами. На практике оба подхода могли дополнять друг друга и помогать проверять результат.
Сравнение двух способов определения долготы
| Способ | Что нужно измерить или иметь | Главное преимущество | Основное ограничение |
|---|---|---|---|
| Счисление пути | Курс, скорость и время движения | Можно вести постоянно, без ожидания астрономического события | Ошибки накапливаются из-за течений, ветра и неточных измерений |
| Лунные расстояния | Угловое расстояние Луны от светила и навигационные таблицы | Позволяет получить время исходного меридиана по астрономическим данным | Нужны ясное небо, точное измерение и расчёты |
| Морской хронометр | Часы, сохраняющие время исходного меридиана, и местное время | Сравнение времени даёт прямой путь к вычислению долготы | Точный прибор дорог, чувствителен к условиям и требует обслуживания |
Как эти методы изменили мореплавание
Надёжное определение долготы позволило увереннее сопоставлять наблюдения с картой и рассчитывать положение корабля вдали от берегов. Это не отменило необходимости знать широту, учитывать ветер, течение и рельеф дна. Навигация оставалась сочетанием измерений, расчётов и практического опыта, а не одним универсальным прибором. Но возможность получать долготу с меньшей неопределённостью помогала планировать переходы и снижала зависимость от одного лишь счисления пути.
В дальнейшем распространение более точных часов сделало хронометры привычной частью морской навигации, тогда как лунные расстояния сохраняли значение как астрономический способ проверки и самостоятельного расчёта. Международное соглашение 1884 года приняло меридиан Гринвича за исходный для отсчёта долгот и времени. До этого на картах и в разных странах использовали и другие начальные меридианы, поэтому выбор точки отсчёта тоже был частью истории навигации.
Краткий порядок расчёта долготы по времени
- Определить местное солнечное время наблюдением за Солнцем.
- Установить время исходного меридиана по морскому хронометру или методом лунных расстояний.
- Найти разницу между местным временем и временем исходного меридиана.
- Перевести разницу: один час соответствует 15 градусам долготы, а четыре минуты — одному градусу.
- Указать, находится корабль к востоку или к западу от исходного меридиана, и сопоставить расчёт с другими навигационными данными.
Этот порядок описывает принцип, а не полную инструкцию для исторического навигационного расчёта: точные вычисления требовали поправок, таблиц и учёта особенностей наблюдений. В частности, при работе с Солнцем нужно было различать местное видимое время и время, используемое в таблицах. Поэтому практический результат зависел не только от формулы, но и от качества измерений и подготовки мореплавателя.
Частые вопросы
Почему нельзя было определить долготу просто по высоте Солнца?
Высота Солнца помогает определить широту, но сама по себе не сообщает, насколько далеко наблюдатель находится к востоку или западу. Для долготы нужно связать местное время с временем исходного меридиана. Поэтому одного измерения высоты светила недостаточно.
Что моряки использовали раньше — хронометр или лунные расстояния?
Методы развивались и применялись не как мгновенная последовательная замена одного другим. Лунные расстояния давали способ вычислить время по астрономическим наблюдениям, а хронометр переносил исходное время на корабль. Их преимущества и ограничения различались, поэтому оба подхода могли быть полезны.
Как переводили разницу времени в градусы?
Земля поворачивается на 360 градусов примерно за 24 часа. Следовательно, одному часу соответствует 15 градусов, а одной минуте времени — четверть градуса, или 15 угловых минут. Направление смещения определяли по тому, опережало или отставало местное время от времени исходного меридиана.
Когда Гринвич стал нулевым меридианом?
Международная конференция 1884 года приняла Гринвичский меридиан как исходный для отсчёта долгот и времени. До этого разные государства и картографические традиции могли использовать другие начальные меридианы. Поэтому соглашение стандартизировало точку отсчёта, но не означает, что все прежние карты и практики мгновенно исчезли.
