История долготы описывает многовековые усилия астрономов, картографов и мореплавателей по открытию способа определения долготы любого места на Земле. Измерение долготы важно как для картографии , так и для навигации . В частности, для безопасной навигации в океане требуется знание как широты, так и долготы, однако широту можно определить с хорошей точностью с помощью местных астрономических наблюдений.
Поиск точного и практичного метода определения долготы занял столетия исследований и изобретений некоторых из величайших ученых и инженеров. Определение долготы относительно меридиана через некоторое фиксированное местоположение требует, чтобы наблюдения были привязаны к шкале времени, которая одинакова в обоих местоположениях, поэтому проблема долготы сводится к поиску способа координации часов в отдаленных местах. Ранние подходы использовали астрономические события, которые можно было предсказать с большой точностью, такие как затмения, и строительство часов, известных как хронометры , которые могли показывать время с достаточной точностью при транспортировке на большие расстояния на корабле. Изобретение Джоном Харрисоном хронометра, который мог показывать время в море с достаточной точностью, чтобы быть практичным для определения долготы, было признано в 1773 году первым, позволившим определить долготу в море. Более поздние методы использовали телеграф , а затем радио для синхронизации часов. Сегодня проблема долготы решена с точностью до сантиметра с помощью спутниковой навигации .
Эратосфен в 3 веке до н. э. первым предложил систему широты и долготы для карты мира. Его главный 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 в ущерб тому, чтобы быть прямыми линиями. [1] Ко 2 веку до н. э. Гиппарх использовал систематическую систему координат, основанную на делении окружности на 360°, чтобы однозначно указывать места на Земле. [2] : 31 Таким образом, долготы можно было выражать в градусах к востоку или западу от основного меридиана, как это делается сегодня (хотя основной меридиан другой). Он также предложил метод определения долготы путем сравнения местного времени лунного затмения в двух разных местах, чтобы получить разницу в долготе между ними. [2] : 11 Этот метод был не очень точным, учитывая ограничения доступных часов, и применялся редко — возможно, только один раз, с использованием затмения Арбела в 330 году до нашей эры. [3] Но метод надежный, и это первое признание того, что долготу можно определить с помощью точного знания времени.
Птолемей во 2 веке нашей эры основал свою картографическую систему на предполагаемых расстояниях и направлениях, сообщенных путешественниками. До этого все карты использовали прямоугольную сетку с широтой и долготой в виде прямых линий, пересекающихся под прямым углом. [4] : 543 [5] : 90 Для больших территорий это приводит к неприемлемому искажению, и для своей карты обитаемого мира Птолемей использовал проекции (если использовать современный термин) с изогнутыми параллелями, которые уменьшали искажение. Не существует карт (или рукописей его работы), которые были бы старше 13 века, но в своей Географии 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 имеют очень разное качество, что приводит к множеству неточностей и искажений. [6] [4] : 551–553 [7] Помимо трудностей в оценке прямолинейных расстояний и направлений, наиболее важной из них является систематическая переоценка различий в долготе. Таким образом, из таблиц Птолемея, разница в долготе между Гибралтаром и Сидоном составляет 59° 40' 0', по сравнению с современным значением 40° 23'0', примерно на 48% больше. Руссо (2013) проанализировал эти расхождения и пришел к выводу, что большая часть ошибки возникает из-за недооценки Птолемеем размера Земли по сравнению с более точной оценкой Эратосфена – эквивалент 500 стадий в градусе, а не 700. Учитывая трудности астрономических измерений долготы в классические времена, большинство, если не все, значений Птолемея были бы получены из измерений расстояния и преобразованы в долготу с использованием значения 500. [8]
Древние индуистские астрономы знали о методе определения долготы по лунным затмениям, предполагая, что Земля сферическая. Метод описан в « Сурья-сиддханте» , санскритском трактате по индийской астрономии, который, как полагают, датируется концом IV или началом V века нашей эры. [9] Долготы относились к нулевому меридиану, проходящему через Аванти, современный Удджайн . Положения относительно этого меридиана выражались в терминах разницы длины или времени, но градусы в то время в Индии не использовались. Неясно, был ли этот метод применен на практике.
Исламские ученые знали труды Птолемея по крайней мере с IX века н. э., когда был сделан первый перевод его «Географии» на арабский язык. Он пользовался большим уважением, хотя его ошибки были известны. [10] Одним из их достижений было добавление большего количества мест в географические таблицы Птолемея с широтами и долготами, а в некоторых случаях и повышение точности. [11] Методы, используемые для определения большинства долгот, не приводятся, но несколько отчетов содержат подробности. Одновременные наблюдения двух лунных затмений в двух местах были записаны аль-Баттани в 901 году, сравнивая Антакью с Раккой , определяя разницу в долготе между двумя городами с погрешностью менее 1°. Это считается лучшим, чего можно было достичь с помощью доступных тогда методов — наблюдения затмения невооруженным глазом и определения местного времени с помощью астролябии для измерения высоты подходящей «звезды часов». [12] [13] Аль-Бируни , в начале 11-го века нашей эры, также использовал данные затмений, но разработал альтернативный метод, включающий раннюю форму триангуляции. Для двух мест, различающихся как по долготе, так и по широте, если широта и расстояние между ними известны, а также размер Земли, можно вычислить разницу в долготе. С помощью этого метода аль-Бируни оценил разницу долготы между Багдадом и Газни, используя оценки расстояний от путешественников по двум разным маршрутам (и с несколько произвольной поправкой на кривизну дорог). Его результат для разницы долготы между двумя городами отличается примерно на 1° от современного значения. [14] Мерсье (1992) отмечает, что это существенное улучшение по сравнению с Птолемеем, и что сопоставимое дальнейшее улучшение точности не произойдет до 17-го века в Европе. [14] : 188
В то время как знания Птолемея (и в более общем плане греческой науки и философии) росли в исламском мире, они приходили в упадок в Европе. Резюме Джона Киртланда Райта (1925) мрачно: «Мы можем пропустить математическую географию христианского периода [в Европе] до 1100 года; не было сделано никаких открытий, и не было никаких попыток применить результаты более старых открытий. ... Птолемей был забыт, а труды арабов в этой области были еще неизвестны». [15] : 65 Не все было потеряно или забыто; Беда в своем De natura rerum утверждает шарообразность Земли. Но его аргументы являются аргументами Аристотеля , взятыми у Плиния . Беда не добавляет ничего оригинального. [16] [17]
В более позднем средневековом периоде есть еще примечательное. Райт (1923) цитирует описание Уолчером из Малверна лунного затмения в Италии (19 октября 1094 года), которое произошло незадолго до рассвета. По возвращении в Англию он сравнил записи с записями других монахов, чтобы установить время их наблюдения, которое было до полуночи. Сравнение было слишком поверхностным, чтобы позволить измерить разницу долготы, но отчет показывает, что принцип все еще понимался. [18] : 81 В XII веке астрономические таблицы были подготовлены для ряда европейских городов на основе работы аль-Заркали в Толедо . Их нужно было адаптировать к меридиану каждого города, и записано, что лунное затмение 12 сентября 1178 года использовалось для установления разницы долготы между Толедо, Марселем и Херефордом . [18] : 85 Таблицы Херефорда также добавили список из более чем 70 мест, многие из которых находятся в исламском мире, с их долготами и широтами. Они представляют собой значительное улучшение по сравнению с аналогичными таблицами Птолемея. Например, долготы Сеуты и Тира указаны как 8° и 57° (к востоку от меридиана Канарских островов), разница в 49° по сравнению с современным значением 40,5°, завышение менее чем на 20%. [18] : 87–88 В целом, поздний средневековый период показал растущий интерес к географии и готовность делать наблюдения, стимулированные увеличением путешествий (включая паломничества и крестовые походы ) и доступностью исламских источников из Испании и Северной Африки [19] [20] В конце средневекового периода работа Птолемея стала напрямую доступна с переводами, сделанными во Флоренции в конце 14-го и начале 15-го века. [21]
XV и XVI века были временем португальских и испанских путешествий с целью открытия и завоевания . В частности, прибытие европейцев в Новый Свет привело к вопросам о том, где они на самом деле находятся. Христофор Колумб предпринял две попытки определить свою долготу, наблюдая лунные затмения. Первая была на острове Саона , который сейчас находится в Доминиканской Республике , во время его второго путешествия. Он писал: «В 1494 году, когда я был на острове Саона, который находится на восточной оконечности острова Эспаньола [т. е. Эспаньолы ], 14 сентября было лунное затмение, и мы заметили, что между ним [Саоной] и мысом Сан-Винсенте в Португалии была разница более чем в пять с половиной часов». [22] Он не мог сравнить свои наблюдения с наблюдениями в Европе, и предполагается, что он использовал астрономические таблицы для справки. Вторая попытка была на северном побережье Ямайки 29 февраля 1504 года во время его четвертого путешествия. Его результаты были крайне неточными, с ошибками долготы 13 и 38° W соответственно. [23] Рэндлс (1985) документирует измерения долготы португальцами и испанцами между 1514 и 1627 годами как в Америке, так и в Азии, с ошибками от 2° до 25°. [24]
В 1608 году правительству Нидерландов был подан патент на рефракторный телескоп. Идею подхватил, среди прочих, Галилей , который в следующем году создал свой первый телескоп и начал серию астрономических открытий, включавших спутники Юпитера, фазы Венеры и разделение Млечного Пути на отдельные звезды. В течение следующих полувека усовершенствования оптики и использование калиброванных креплений, оптических сеток и микрометров для регулировки положений превратили телескоп из наблюдательного прибора в точный измерительный инструмент. [26] [27] [28] [29] Он также значительно увеличил диапазон событий, которые можно было наблюдать для определения долготы.
Вторым важным техническим достижением для определения долготы стали маятниковые часы , запатентованные Христианом Гюйгенсом в 1657 году. [30] Это дало увеличение точности примерно в 30 раз по сравнению с предыдущими механическими часами — лучшие маятниковые часы имели точность около 10 секунд в день. [31] С самого начала Гюйгенс намеревался использовать свои часы для определения долготы в море. [32] [33] Однако маятниковые часы недостаточно хорошо переносили движение корабля, и после серии испытаний был сделан вывод, что потребуются другие подходы. Будущее маятниковых часов будет на суше. Вместе с телескопическими инструментами они произведут революцию в наблюдательной астрономии и картографии в ближайшие годы. [34] Гюйгенс также был первым, кто использовал пружину баланса в качестве осциллятора 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 . [35]
Развитие телескопа и точных часов увеличило диапазон методов, которые можно было использовать для определения долготы. За одним исключением ( магнитное склонение ), все они основаны на общем принципе, который заключается в определении абсолютного времени по событию или измерению и сравнении соответствующего местного времени в двух разных местах. (Здесь абсолютным называется время, которое одинаково для наблюдателя в любой точке Земли.) Каждый час разницы местного времени соответствует изменению долготы на 15 градусов (360 градусов, деленные на 24 часа).
Местный полдень определяется как время, в которое Солнце находится в самой высокой точке неба. Это трудно определить напрямую, так как видимое движение Солнца в полдень почти горизонтально. Обычный подход заключался в том, чтобы взять среднюю точку между двумя моментами времени, в которые Солнце находилось на одной и той же высоте. При свободном горизонте можно было использовать среднюю точку между восходом и закатом. [36] Ночью местное время можно было получить из видимого вращения звезд вокруг небесного полюса, либо измеряя высоту подходящей звезды с помощью секстанта , либо прохождение звезды через меридиан с помощью транзитного инструмента. [37]
Для определения меры абсолютного времени продолжали использовать лунные затмения. Другие предложенные методы включали:
Это самое раннее предложение, впервые предложенное в письме Америго Веспуччи, ссылающимся на наблюдения, которые он сделал в 1499 году. [38] [ 39] Метод был опубликован Иоганнесом Вернером в 1514 году, [40] и подробно обсужден Петрусом Апианусом в 1524 году. [41] Метод зависит от движения Луны относительно «неподвижных» звезд, которое завершает круг в 360° в среднем за 27,3 дня (лунный месяц), давая наблюдаемое движение чуть более 0,5°/час. Таким образом, требуется точное измерение угла, поскольку разница в 2 угловых минуты (1/30°) в угле между Луной и выбранной звездой соответствует разнице в 1°.0' в долготе: 60 морских миль (110 км) на экваторе. [42] Метод также требовал точных таблиц, которые было сложно построить, поскольку они должны были учитывать параллакс и различные источники нерегулярности в орбите Луны. Ни измерительные приборы, ни астрономические таблицы не были достаточно точными в начале 16 века. Попытка Веспуччи использовать метод поместила его в 82° к западу от Кадиса , когда он фактически находился менее чем в 40° к западу от Кадиса, на северном побережье Бразилии. [38]
Галилей открыл четыре самых ярких спутника Юпитера: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто в 1610 году. Определив их орбитальные периоды, он в 1612 году предположил, что при достаточно точных знаниях их орбит можно использовать их положения в качестве универсальных часов, что сделало бы возможным определение долготы. Галилей подал заявку на получение выгодной премии Испании за решение проблемы долготы в 1616 году. Он работал над этой проблемой время от времени, но не смог убедить испанский суд. Позже он подал заявку в Голландию на их премию, но к тому времени его уже судила за ересь римская инквизиция и приговорила к домашнему аресту на всю оставшуюся жизнь. [43] : 15–16
Метод Галилея требовал телескопа, поскольку луны не видны невооруженным глазом. Для использования в морской навигации Галилей предложил целатон , устройство в форме шлема с телескопом, установленным таким образом, чтобы приспосабливаться к движению наблюдателя на корабле. [44] Позднее это было заменено идеей пары вложенных полусферических оболочек, разделенных ванной с маслом. Это обеспечило бы платформу, которая позволила бы наблюдателю оставаться неподвижным, пока корабль катился под ним, на манер карданной платформы. Чтобы обеспечить определение времени по наблюдаемым положениям лун, была предложена ховилаба ; это был аналоговый компьютер, который вычислял время по положениям и который получил свое название из-за своего сходства с астролябией . [45] Практические проблемы были серьезными, и этот метод никогда не использовался в море.
На суше этот метод оказался полезным и точным. В 1668 году Джованни Доменико Кассини опубликовал подробные таблицы спутников Юпитера. [43] : 21 Ранним применением было измерение долготы места бывшей обсерватории Тихо Браге на острове Вен . Жан Пикар на острове Вен и Кассини в Париже проводили наблюдения в 1671 и 1672 годах и получили значение 42 минуты 10 секунд (время) к востоку от Парижа, что соответствует 10° 32' 30", примерно на 12 угловых минут (1/5°) выше современного значения. [46]
Спутники Юпитера предоставили временную информацию для проекта Французской академии наук по исследованию Франции, в результате которого в 1744 году была создана новая карта, на которой береговая линия была значительно восточнее, чем на предыдущих картах. [47] ( )
Два предложенных метода зависят от относительных движений Луны и звезды или планеты. Аппульс — это наименьшее видимое расстояние между двумя объектами, затмение происходит, когда звезда или планета проходит позади Луны — по сути, тип затмения. Время любого из этих событий может быть использовано в качестве меры абсолютного времени таким же образом, как и в случае лунного затмения. Эдмонд Галлей описал использование этого метода для определения долготы Баласора в Индии, используя наблюдения за звездой Альдебаран («Бычий глаз», самая яркая звезда в созвездии Тельца ) в 1680 году с ошибкой чуть более половины градуса. [48] Он опубликовал более подробный отчет о методе в 1717 году. [49] Определение долготы с использованием покрытия планеты Юпитер было описано Джеймсом Паундом в 1714 году . [50] Прохождение Венеры в 1769 году предоставило возможность определить точную долготу более 100 морских портов по всему миру. [43] : 73
Первым, кто предложил путешествовать с часами для определения долготы, в 1530 году был Джемма Фризиус , врач, математик, картограф, философ и изготовитель инструментов из Нидерландов. Часы устанавливались на местное время отправной точки, долгота которой была известна, а долгота любого другого места могла быть определена путем сравнения его местного времени с часовым временем: [51] существует четырехминутная разница между локально наблюдаемым полднем и часовым полуднем для каждого градуса долготы к востоку или западу от начального меридиана. [52] : 259 Хотя метод математически обоснован и отчасти был стимулирован недавними улучшениями в точности механических часов, он все еще требует гораздо более точного хронометража, чем было доступно во времена Фризиуса. Термин хронометр не использовался до следующего столетия; [53] Прошло более двух столетий, прежде чем этот метод стал стандартным для определения долготы в море, а Джон Харрисон получил награду в 1773 году за решение проблемы определения долготы в море с помощью изобретения хронометра. [54]
Этот метод основан на наблюдении, что стрелка компаса в общем случае не указывает точно на север. Угол между истинным севером и направлением стрелки компаса (магнитный север) называется магнитным склонением или вариацией, и его значение меняется от места к месту. Несколько авторов предположили, что величина магнитного склонения может быть использована для определения долготы. Меркатор предположил, что магнитный северный полюс был островом на долготе Азорских островов, где магнитное склонение было в то время близко к нулю. Эти идеи были поддержаны Мишелем Куанье в его «Наставлении по мореходству» . [52]
Галлей провел обширные исследования магнитного склонения во время своих путешествий на розовом Paramour . Он опубликовал первую карту, показывающую изогоны — линии равного магнитного склонения — в 1701 году. [ 55] Одной из целей карты была помощь в определении долготы, но метод в конечном итоге потерпел неудачу, поскольку изменения магнитного склонения с течением времени оказались слишком большими и слишком ненадежными, чтобы служить основой для навигации.
Измерения долготы на суше и на море дополняли друг друга. Как указал Эдмонд Галлей в 1717 году, «Но поскольку было бы бесполезно выяснять, на какой именно долготе находится корабль, когда долгота порта, в который он направляется, еще неизвестна, было бы желательно, чтобы правители земли провели такие наблюдения в портах и на главных мысах своих владений, каждый для себя, которые могли бы раз и навсегда установить истинные границы суши и моря». [49] Но определения долготы на суше и на море не развивались параллельно.
На суше период от развития телескопов и маятниковых часов до середины XVIII века ознаменовался устойчивым ростом числа 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 постоянно составляли менее 1°. [56]
В море в тот же период ситуация была совсем иной. Две проблемы оказались неразрешимыми. Первой была необходимость немедленных результатов. На суше астроном, скажем, в Кембридже, штат Массачусетс, мог дождаться следующего лунного затмения, которое было бы видно и в Кембридже, и в Лондоне; установить маятниковые часы на местное время за несколько дней до затмения; засечь события затмения; отправить данные через Атлантику и подождать недели или месяцы, чтобы сравнить результаты с лондонским коллегой, который сделал похожие наблюдения; вычислить долготу Кембриджа; затем отправить результаты для публикации, которая могла быть через год или два после затмения. [57] А если в Кембридже или Лондоне не было видимости из-за облаков, ждать следующего затмения. Морскому штурману нужны были результаты быстро. Второй проблемой была морская среда. Проведение точных наблюдений в условиях океанской зыби намного сложнее, чем на суше, и маятниковые часы плохо работают в таких условиях. Таким образом, долготу на море можно было оценить только методом счисления (DR) — используя оценки скорости и курса относительно известной начальной позиции — в то время как определение долготы на суше становилось все более точным.
Чтобы компенсировать неопределенность долготы, мореплаватели иногда полагались на свои точные знания широты. Они плыли к широте своего пункта назначения, затем плыли к нему вдоль линии постоянной широты, известной как движение вниз по западу (если на запад, в противном случае на восток ). [58] Однако линия широты обычно была медленнее, чем самый прямой или самый благоприятный маршрут, удлиняя путешествие на дни или недели и увеличивая риск нехватки продовольствия, цинги и голода. [59]
Знаменитая катастрофа из-за ошибки долготы произошла в апреле 1741 года. Джордж Энсон , командующий HMS Centurion , огибал мыс Горн с востока на запад. Полагая, что он прошел мыс, он повернул на север, но вскоре обнаружил, что направляется прямо к земле. Особенно сильное восточное течение унесло его далеко на восток от его позиции счисления пути, и ему пришлось возобновить свой западный курс на несколько дней. Когда он наконец миновал мыс Горн, он направился на север к островам Хуан-Фернандес , чтобы пополнить запасы для своей команды, многие из которых были больны цингой. Достигнув широты Хуан-Фернандеса, он не знал, находятся ли острова на востоке или на западе, и провел 10 дней, плывя сначала на восток, а затем на запад, прежде чем, наконец, достиг островов. За это время более половины команды корабля умерло от цинги. [35] [60]
В ответ на проблемы навигации ряд европейских морских держав предложили призы за метод определения долготы в море. Филипп II Испанский был первым, предложив награду за решение в 1567 году; его сын Филипп III увеличил награду в 1598 году до 6000 золотых дукатов плюс постоянную пенсию в размере 2000 золотых дукатов в год. [43] : 15 Голландия предложила 30 000 флоринов в начале 17 века. Ни один из этих призов не дал решения, [61] : 9 хотя Галилей подал заявку на оба. [43] : 16
Во второй половине XVII века в Париже и Лондоне были основаны официальные обсерватории. Парижская обсерватория была основана в 1667 году под эгидой Французской академии наук. Здание обсерватории к югу от Парижа было завершено в 1672 году. [62] Среди первых астрономов были Жан Пикар , Христиан Гюйгенс и Доминик Кассини . [63] : 165–177 Она не была предназначена для какого-либо конкретного проекта, но вскоре стала участвовать в обследовании Франции, которое привело (после многих задержек из-за войн и несимпатичных министерств) к первой карте Франции Академии в 1744 году. В обследовании использовалась комбинация триангуляции и астрономических наблюдений, а для определения долготы использовались спутники Юпитера. К 1684 году было получено достаточно данных, чтобы показать, что предыдущие карты Франции имели большую ошибку долготы, показывая Атлантическое побережье слишком далеко на западе. На самом деле Франция оказалась значительно меньше, чем считалось ранее. [64] [65] ( Людовик XIV заметил, что они отняли у Франции больше территорий, чем он сам приобрел во всех своих войнах.)
Королевская обсерватория в Гринвиче к востоку от Лондона, основанная в 1675 году, через несколько лет после Парижской обсерватории, была создана специально для решения проблемы долготы. [66] Джон Флемстид , первый королевский астроном, получил указание «приложить все усилия и усердие к исправлению таблиц движения небес и мест неподвижных звезд, чтобы выяснить столь желанную долготу мест для совершенствования искусства навигации». [67] : 268 [29] Первоначальная работа заключалась в каталогизации звезд и их положения, и Флемстид создал каталог из 3310 звезд, который лег в основу будущей работы. [67] : 277
Хотя каталог Флемстида был важен, сам по себе он не давал решения. В 1714 году британский парламент принял « Акт о предоставлении публичной награды такому лицу или лицам, которые откроют долготу в море » ( 13 Ann. c. 14), и создал совет для управления наградой. Выплата зависела от точности метода: от 10 000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 1 826 000 фунтов стерлингов в 2023 году) [68] за точность в пределах одного градуса долготы (60 морских миль (110 км) на экваторе) до 20 000 фунтов стерлингов (что эквивалентно 3 652 000 фунтов стерлингов в 2023 году) [68] за точность в пределах половины градуса. [61] : 9
Эта премия в свое время дала два рабочих решения. Первое — лунные расстояния, которые требовали тщательного наблюдения, точных таблиц и довольно длинных расчетов. Тобиас Майер составил таблицы, основанные на его собственных наблюдениях за Луной, и представил их Совету в 1755 году. Было обнаружено, что эти наблюдения дают требуемую точность, хотя требуемые длительные расчеты (до четырех часов) были препятствием для повседневного использования. Вдова Майера в свое время получила награду от Совета. [69] Невил Маскелин , недавно назначенный королевский астроном , который был в Совете по долготе, начал с таблиц Майера и после своих собственных экспериментов в море, опробовав метод лунного расстояния, предложил ежегодную публикацию предварительно рассчитанных прогнозов лунного расстояния в официальном навигационном альманахе с целью определения долготы в море. Будучи очень увлеченными методом лунных расстояний, Маскелин 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, дающие расстояние Луны от Солнца и девяти звезд, подходящих для лунных наблюдений (десяти звезд в течение первых нескольких лет). [70] [71] [72] Это издание позже стало стандартным альманахом для моряков во всем мире. Поскольку оно было основано на Королевской обсерватории, оно помогло привести столетие спустя к международному принятию Гринвичского меридиана в качестве международного стандарта.
Вторым методом было использование хронометра . Многие, включая Исаака Ньютона , были пессимистичны в отношении того, что часы требуемой точности когда-либо могут быть разработаны. Земля поворачивается на один градус долготы за четыре минуты, [73] поэтому максимально допустимая погрешность измерения времени составляет несколько секунд в день. В то время не было часов, которые могли бы приблизиться к такой точности в условиях движущегося корабля. Джон Харрисон , плотник и часовщик из Йоркшира, потратил более трех десятилетий на доказательство того, что это возможно. [61] : 14–27
Харрисон построил пять хронометров, два из которых были испытаны в море. Его первый, H-1, был отправлен на предварительное испытание Адмиралтейством , рейс в Лиссабон и обратно. Он значительно потерял время на пути туда, но отлично показал себя на обратном пути, который не был частью официального испытания. Перфекционист в Харрисоне помешал ему отправить его на официальный испытательный рейс Совета по долготе в Вест-Индию (и в любом случае он был сочтен слишком большим и непрактичным для служебного использования). Вместо этого он приступил к строительству H-2 , за которым сразу же последовал H-3. Во время строительства H-3 Харрисон понял, что потеря времени H-1 на пути из Лиссабона была вызвана тем, что механизм терял время всякий раз, когда судно собиралось лавировать по Ла-Маншу. Вдохновленный этим открытием, Харрисон создал H-4 с совершенно другим механизмом. Испытание H-4 в море в 1762 году удовлетворило всем требованиям для премии Longitude Prize. Однако совет отклонил премию, и Гаррисон был вынужден бороться за свою награду, наконец получив оплату в 1773 году после вмешательства парламента. [61] : 26
Французы также очень интересовались проблемой долготы, и Французская академия рассматривала предложения и также предлагала призовые деньги, особенно после 1748 года. [74] : 160 Первоначально среди оценщиков доминировал астроном Пьер Буге , который был против идеи хронометров, но после его смерти в 1758 году рассматривались как астрономический, так и механический подходы. Доминировали два часовщика, Фердинанд Берту и Пьер Ле Руа . Четыре морских испытания состоялись между 1767 и 1772 годами, оценивая лунные расстояния, а также различные хронометристы. Результаты для обоих подходов постоянно улучшались по мере продолжения испытаний, и оба метода были признаны пригодными для использования в навигации. [74] : 163–174
Хотя и хронометры, и лунные расстояния были показаны как практичные методы определения долготы, прошло некоторое время, прежде чем они стали широко использоваться. В первые годы хронометры были очень дорогими, а расчеты, необходимые для лунных расстояний, все еще были сложными и трудоемкими, несмотря на работу Маскелайна по их упрощению. Оба метода изначально использовались в основном в специализированных научных и геодезических экспедициях. По свидетельству судовых журналов и навигационных руководств, лунные расстояния начали использоваться обычными штурманами в 1780-х годах и стали общепринятыми после 1790 года. [75]
В 1714 году Хамфри Диттон и Уильям Уистон критиковали как астрономические методы, так и использование хронометров. Они писали: [76]
Часы настолько подвержены влиянию жары и холода, влажности и засухи; а их маленькие пружины, колеса и оси настолько неспособны к той степени точности, которая здесь требуется, что мы думаем, что все мудрецы отказались от своих надежд на них в этом вопросе. Часы, управляемые длинными маятниками, идут гораздо точнее: но тогда разница в силе тяжести на разных широтах, удлинение стержня маятника под действием тепла и укорачивание его под действием холода; вместе с различной влажностью воздуха и качкой корабля, все вместе взятое, являются обстоятельствами столь малообещающими, что мы думаем, что мудрецы почти потеряли надежду на успех и с помощью этого метода.
В то время как хронометры могли работать в условиях корабля в море, они могли быть уязвимы к более суровым внешним условиям наземной разведки и съемки, например, на американском северо-западе, и лунные расстояния были основным методом, используемым такими геодезистами, как Дэвид Томпсон . [77] В период с января по май 1793 года он провел 34 наблюдения в Камберленд-Хаусе, Саскачеван , получив среднее значение 102° 12' з.д., примерно на 2' (2,2 км) к востоку от современного значения. [78] Каждое из 34 наблюдений потребовало бы около 3 часов вычислений. Эти вычисления лунных расстояний стали существенно проще в 1805 году с публикацией таблиц с использованием формулы гаверсина Хосефом де Мендосой и Риосом . [79]
Преимущество использования хронометров состояло в том, что хотя астрономические наблюдения все еще были необходимы для установления местного времени, наблюдения были проще и менее требовательны к точности. После того, как местное время было установлено, и любые необходимые поправки были сделаны во время хронометра, расчет для получения долготы был простым. Современное руководство по методу было опубликовано Уильямом Уэйлсом в 1794 году. [80] Недостаток стоимости постепенно стал меньше, поскольку хронометры начали производиться в больших количествах. Используемые хронометры не были хронометрами Харрисона. Другие производители, такие как Томас Эрншоу , который разработал пружинный стопорный спуск, [81] упростили конструкцию и производство хронометров. С 1800 по 1850 год, по мере того как хронометры становились более доступными и надежными, они все больше вытесняли метод лунного расстояния.
Хронометры необходимо было проверять и переустанавливать через определенные интервалы. Во время коротких путешествий между местами с известной долготой это не было проблемой. Для более длительных путешествий, особенно для обследования и разведки, астрономические методы продолжали оставаться важными. Примером того, как хронометры и лунные приборы дополняли друг друга в геодезических работах, является кругосветное плавание Мэтью Флиндерса вокруг Австралии в 1801–1803 годах. Обследуя южное побережье, Флиндерс начал с пролива Кинг-Джордж , известного места по более раннему обследованию Джорджа Ванкувера . Он двинулся вдоль южного побережья, используя хронометры для определения долготы объектов по пути. Прибыв в залив, который он назвал Порт-Линкольн , он основал береговую обсерваторию и определил долготу по тридцати наборам лунных расстояний. Затем он определил погрешность хронометра и пересчитал все долготы промежуточных мест. [82]
На кораблях часто было больше одного хронометра. Два давали двойную модульную избыточность , позволяя использовать резервный, если один перестанет работать, но не позволяя исправлять ошибки , если два показывали разное время, поскольку было бы невозможно узнать, какой из них был неправильным: полученное обнаружение ошибки было бы таким же, как если бы был только один хронометр и проверялся периодически: каждый день в полдень по навигационному счислению . Три хронометра обеспечивали тройную модульную избыточность , позволяя исправлять ошибки , если один из трех был неправильным, поэтому пилот брал среднее из двух с более близкими показаниями (средний точный голос). Это вдохновило поговорку: «Никогда не выходите в море с двумя хронометрами; возьмите один или три». [83] Некоторые суда несли более трех хронометров — например, HMS Beagle несла 22 хронометра . [84]
К 1850 году подавляющее большинство морских навигаторов по всему миру отказались от метода лунных расстояний. Тем не менее, опытные навигаторы продолжали изучать лунные расстояния вплоть до 1905 года, хотя для большинства это было всего лишь упражнением в учебнике, требуемым для получения определенных лицензий. Литтлхейлс отметил в 1909 году: «Таблицы лунных расстояний были исключены из Connaissance des Temps за 1905 год, после того как они сохраняли свое место во французских официальных эфемеридах в течение 131 года; и из British Nautical Almanac за 1907 год, после того как они ежегодно представлялись с 1767 года, когда были опубликованы таблицы Маскелина». [85]
Геодезия на суше продолжала использовать смесь триангуляции и астрономических методов, к которым было добавлено использование хронометров, как только они стали легкодоступными. Раннее использование хронометров в геодезии было сообщено Симеоном Борденом в его обследовании Массачусетса в 1846 году. Проверив значение Натаниэля Боудича для долготы Государственного дома в Бостоне, он определил долготу Первой конгрегационалистской церкви в Питтсфилде , перевозя 38 хронометров за 13 экскурсий между двумя местами. [86] Хронометры также перевозились на гораздо большие расстояния. Например, Береговая служба США организовала экспедиции в 1849 и 1855 годах, в которых в общей сложности более 200 хронометров были отправлены между Ливерпулем и Бостоном , не для навигации, а для получения более точного определения долготы обсерватории в Кембридже, Массачусетс , и, таким образом, для привязки Службы США к Гринвичскому меридиану. [87] : 5
Первые рабочие телеграфы были установлены в Британии Уитстоном и Куком в 1839 году, а в США Морзе в 1844 году. Идея использования телеграфа для передачи сигнала времени для определения долготы была предложена Франсуа Араго Морзе в 1837 году, [88] и первое испытание этой идеи было проведено капитаном ВМС США Уилксом в 1844 году по линии Морзе между Вашингтоном и Балтимором. Два хронометра были синхронизированы и доставлены в два телеграфных отделения для проверки точности передачи времени. [89]
Метод вскоре стал использоваться на практике для определения долготы, в частности, Береговой службой США, и на все больших и больших расстояниях, поскольку телеграфная сеть распространялась по Северной Америке. Было решено много технических проблем. Первоначально операторы посылали сигналы вручную и прослушивали щелчки на линии и сравнивали их с тиканьем часов, оценивая доли секунды. В 1849 году были введены прерывающие цепь часы и перьевые самописцы для автоматизации этого процесса, что привело к значительному улучшению как точности, так и производительности. [91] : 318–330 [92] : 98–107 С созданием обсерватории в Квебеке в 1850 году под руководством Эдварда Дэвида Эша была создана сеть телеграфных определений долготы для восточной Канады, связанная с сетью Гарварда и Чикаго. [93] [94]
.jpeg/1280px-Splicing_the_Alaska_telegraph_cable_at_Smith's_Cove,_Seattle_(CURTIS_736).jpeg)
Большое расширение «телеграфной сети долготы» произошло благодаря успешному завершению трансатлантического телеграфного кабеля между юго-западной Ирландией и Новой Шотландией в 1866 году. [87] Кабель от Бреста во Франции до Даксбери, Массачусетс, был завершен в 1870 году и дал возможность проверить результаты по другому маршруту. За это время наземные части сети улучшились, включая устранение ретрансляторов. Сравнения разницы между Гринвичем и Кембриджем, Массачусетс, показали разницу между измерениями в 0,01 секунды времени с вероятной ошибкой ±0,04 секунды, что эквивалентно 45 футам. [92] : 175 Подводя итоги работы сети в 1897 году, Чарльз Шотт представил таблицу основных мест по всем Соединенным Штатам, чьи местоположения были определены с помощью телеграфии, с датами и парами, а также вероятной ошибкой. [90] [95] Сеть была расширена на северо-запад Америки с телеграфной связью с Аляской и западной Канадой. Телеграфные связи между Доусон-Сити , Юконом, Форт-Эгбертом , Аляской, и Сиэтлом и Ванкувером использовались для обеспечения двойного определения положения 141-го меридиана, где он пересекал реку Юкон, и, таким образом, обеспечивали отправную точку для обследования границы между США и Канадой на севере и юге в 1906–1908 годах [96] [97] Уильям Боуи дал подробное описание телеграфного метода, который использовался Береговой и геодезической службой США . [98]
.jpg/1280px-Telegraphic_Determination_of_Longitude_of_Paita_from_Admiralty_Chart_No_1335,_Published_1841_(cropped).jpg)
Военно-морской флот США расширил сеть на Вест-Индию, Центральную и Южную Америку в четырех экспедициях в 1874–1890 годах. Одна серия наблюдений связала Ки-Уэст , Флорида, с Вест-Индией и Панама-Сити . [100] Вторая серия охватывала места в Бразилии и Аргентине , а также была связана с Гринвичем через Лиссабон . [101] Третья проходила от Галвестона, Техас , через Мексику и Центральную Америку, включая Панаму, и далее в Перу и Чили, соединяясь с Аргентиной через Кордову . [99] Четвертая серия добавила места в Мексике, Центральной Америке и Вест-Индии и расширила цепь до Кюрасао и Венесуэлы . [102]
К востоку от Гринвича были сделаны телеграфные определения долготы мест в Египте, включая Суэц, как часть наблюдений за прохождением Венеры в 1874 году под руководством сэра Джорджа Эйри , британского королевского астронома . [103] [104] Телеграфные наблюдения, сделанные в рамках Большого тригонометрического обследования Индии, включая Мадрас , были связаны с Аденом и Суэцем в 1877 году. [105] [104] В 1875 году долгота Владивостока в Восточной Сибири была определена телеграфной связью с Санкт-Петербургом . Военно-морской флот США использовал Суэц, Мадрас и Владивосток в качестве опорных точек для цепи определений, сделанных в 1881–1882 годах, которая простиралась через Японию , Китай , Филиппины и Сингапур . [106]
Телеграфная сеть охватила весь земной шар в 1902 году, соединив Австралию и Новую Зеландию с Канадой через All Red Line . Это позволило дважды определять долготы с востока и запада, которые совпадали в пределах одной секунды дуги (1/15 секунды времени). [107]
Телеграфная сеть долготы была менее важна в Западной Европе, которая уже в основном была детально обследована с использованием 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 было доступно ранее. [108]
Маркони получил патент на беспроводную телеграфию в 1897 году. [109] Потенциал использования беспроводных сигналов времени для определения долготы вскоре стал очевиден. [110]
Беспроводная телеграфия использовалась для расширения и уточнения телеграфной сети долготы, что давало потенциально большую точность и достигало мест, которые не были подключены к проводной телеграфной сети. Раннее определение было между Потсдамом и Брокеном в Германии, расстояние около 100 миль (160 км), в 1906 году. [111] В 1911 году французы определили разницу долготы между Парижем и Бизертой в Тунисе, расстояние 920 миль (1480 км), а в 1913–14 годах было сделано трансатлантическое определение между Парижем и Вашингтоном . [112]
Первые беспроводные сигналы времени для использования судами в море начались в 1907 году из Галифакса, Новая Шотландия . [113] Сигналы времени передавались с Эйфелевой башни в Париже, начиная с 1910 года. [114] Эти сигналы позволяли мореплавателям часто проверять и корректировать свои хронометры. [115] [116] Международная конференция в 1912 году выделила время для различных беспроводных станций по всему миру для передачи своих сигналов, что позволило обеспечить почти всемирное покрытие без помех между станциями. [114] Беспроводные сигналы времени также использовались наземными наблюдателями в полевых условиях, в частности геодезистами и исследователями. [117]
Радионавигационные системы стали широко использоваться после Второй мировой войны . Было разработано несколько систем, включая систему Decca Navigator , систему береговой охраны США LORAN-C , международную систему Omega и советские Alpha и CHAYKA . Все системы зависели от передач со стационарных навигационных маяков. Приемник на борту судна вычислял местоположение судна по этим передачам. [118] Эти системы были первыми, которые позволили осуществлять точную навигацию, когда астрономические наблюдения не могли быть сделаны из-за плохой видимости, и стали общепринятым методом для коммерческого судоходства до внедрения спутниковых навигационных систем в начале 1990-х годов.
В 1908 году Никола Тесла предсказал:
В самом густом тумане или в темноте ночи, без компаса или других инструментов ориентации, или часов, можно будет вести судно по кратчайшему или ортодромическому пути, мгновенно считывая широту и долготу, час, расстояние от любой точки, а также истинную скорость и направление движения. [119]
Его предсказание частично оправдалось благодаря радионавигационным системам и полностью благодаря компьютерным системам геопозиционирования на основе спутниковых маяков GPS .