Долгота ( / ˈ l ɒ n dʒ ɪ tj uː d / , AU и UK также / ˈ l ɒ ŋ ɡ ɪ -/ ) [1] [2] — это географическая координата , определяющая положение точки с востока на запад на поверхность Земли или другого небесного тела. Это угловое измерение , обычно выражаемое в градусах и обозначаемое греческой буквой лямбда (λ). Меридианы — это воображаемые полукруглые линии, идущие от полюса к полюсу, соединяющие точки одинаковой долготы. Нулевой меридиан определяет долготу 0°; по соглашению международный эталонный меридиан Земли проходит вблизи Королевской обсерватории в Гринвиче , к юго-востоку от Лондона на острове Великобритания . Положительные долготы находятся к востоку от нулевого меридиана, отрицательные — к западу.
Из-за вращения Земли существует тесная связь между измерением долготы и времени . С научной точки зрения точное местное время меняется в зависимости от долготы: разница в 15 ° долготы соответствует разнице в один час местного времени из-за разного положения по отношению к Солнцу. Сравнение местного времени с абсолютной мерой времени позволяет определить долготу. В зависимости от эпохи абсолютное время можно было получить на основе небесного события, видимого из обоих мест, например лунного затмения, или на основе сигнала времени, передаваемого по телеграфу или радио. Принцип прост, но на практике поиск надежного метода определения долготы занял столетия и потребовал усилий некоторых из величайших научных умов.
Положение местоположения с севера на юг вдоль меридиана определяется его широтой , которая примерно равна углу между экваториальной плоскостью и нормалью к земле в этом месте.
Долгота обычно задается с использованием геодезической нормали или направления силы тяжести . Астрономическая долгота может немного отличаться от обычной долготы из-за вертикального отклонения , небольших изменений гравитационного поля Земли (см. астрономическую широту ).
Понятие долготы было впервые разработано древнегреческими астрономами. Гиппарх (2 век до н.э.) использовал систему координат, предполагавшую сферическую Землю, и разделил ее на 360°, как мы это делаем и сегодня. Его нулевой меридиан проходил через Александрию . [3] : 31 Он также предложил метод определения долготы путем сравнения местного времени лунного затмения в двух разных местах, продемонстрировав тем самым понимание взаимосвязи между долготой и временем. [3] : 11 [4] Клавдий Птолемей (2 век н. э.) разработал систему картографирования с использованием изогнутых параллелей, что уменьшало искажения. Он также собрал данные по многим местам, от Великобритании до Ближнего Востока. Он использовал нулевой меридиан, проходящий через Канарские острова, чтобы все значения долготы были положительными. Хотя система Птолемея была надежной, данные, которые он использовал, часто были плохими, что приводило к значительному завышению оценки (примерно на 70%) длины Средиземноморья. [5] [6] : 551–553 [7]
После падения Римской империи интерес к географии в Европе сильно упал. [8] : 65 Индуистские и мусульманские астрономы продолжали развивать эти идеи, добавляя множество новых мест и часто улучшая данные Птолемея. [9] [10] Например, аль-Баттани использовал одновременные наблюдения двух лунных затмений, чтобы определить разницу в долготе между Антакьей и Раккой с ошибкой менее 1 °. Это считается лучшим, чего можно было достичь с помощью доступных на тот момент методов: наблюдения затмения невооруженным глазом и определения местного времени с помощью астролябии для измерения высоты подходящей «часовой звезды». [11] [12]
В позднем Средневековье интерес к географии возродился на западе, поскольку количество путешествий увеличилось, а арабская наука стала известна благодаря контактам с Испанией и Северной Африкой. В XII веке астрономические таблицы были составлены для ряда европейских городов на основе работ аз-Заркали в Толедо . Лунное затмение 12 сентября 1178 года было использовано для установления разницы в долготе между Толедо, Марселем и Херефордом . [13] : 85
Христофор Колумб предпринял две попытки использовать лунные затмения для определения своей долготы: первую на острове Саона 14 сентября 1494 года (второе путешествие) и вторую на Ямайке 29 февраля 1504 года (четвертое путешествие). Предполагается, что для справки он использовал астрономические таблицы. Его определения долготы показали большие ошибки - 13° и 38° з.д. соответственно. [14] Рэндлс (1985) документирует измерения долготы португальцами и испанцами между 1514 и 1627 годами как в Америке, так и в Азии. Погрешности составляли от 2° до 25°. [15]
Телескоп был изобретен в начале 17 века. Первоначально это был прибор наблюдения, но в течение следующих полувека он превратился в точный измерительный инструмент. [16] [17] Часы с маятником были запатентованы Христианом Гюйгенсом в 1657 году [18] и дали увеличение точности примерно в 30 раз по сравнению с предыдущими механическими часами. [19] Эти два изобретения произведут революцию в наблюдательной астрономии и картографии. [20]
На суше в период от развития телескопов и маятниковых часов до середины XVIII века наблюдался устойчивый рост числа мест, долгота которых определялась с достаточной точностью, часто с ошибками менее градуса и почти всегда в пределах 2°-3°. К 1720-м годам ошибки постоянно составляли менее 1°. [21] На море в тот же период ситуация была совсем иной. Две проблемы оказались неразрешимыми. Первым была потребность в навигаторе для немедленных результатов. Вторым была морская среда. Проводить точные наблюдения при волнах океана гораздо сложнее, чем на суше, и маятниковые часы в таких условиях работают плохо.
В ответ на проблемы мореплавания ряд европейских морских держав предложили премии за метод определения долготы на море. Самым известным из них является Закон о долготе , принятый британским парламентом в 1714 году. [22] : 8 Он предлагал два уровня вознаграждений: за решения в пределах 1° и 0,5°. Награды были вручены за два решения: лунные расстояния, которые стали практически осуществимыми благодаря таблицам Тобиаса Майера [23], преобразованным в морской альманах королевским астрономом Невилом Маскелайном ; и для хронометров, разработанных йоркширским плотником и часовщиком Джоном Харрисоном . Харрисон построил пять хронометров за более чем три десятилетия. Эта работа была поддержана и вознаграждена тысячами фунтов от Совета долготы, [24] но он боролся за получение денег до высшей награды в 20 000 фунтов стерлингов, наконец, получив дополнительную выплату в 1773 году после вмешательства парламента [22] : 26 . Прошло некоторое время, прежде чем тот или иной метод стал широко использоваться в навигации. В первые годы хронометры были очень дорогими, а расчеты лунных расстояний все еще были сложными и трудоемкими. Лунные расстояния вошли в общее употребление после 1790 года. [25] Преимущество хронометров заключалось в том, что и наблюдения, и расчеты были проще, и, когда они стали дешевле в начале 19 века, они начали заменять лунные, которые редко использовались после 1850 года. [ 26]
Первые рабочие телеграфы были созданы в Великобритании Уитстоном и Куком в 1839 году и в США Морсом в 1844 году. Быстро стало понятно, что телеграф можно использовать для передачи сигнала времени для определения долготы. [27] Вскоре этот метод стал использоваться на практике для определения долготы, особенно в Северной Америке, а также на все более и более длинных расстояниях по мере расширения телеграфной сети, включая Западную Европу с завершением прокладки трансатлантических кабелей. Служба береговой службы США, переименованная в 1878 году в Береговую и геодезическую службу США , принимала особенно активное участие в этом развитии, и не только в Соединенных Штатах. В ходе исследования были установлены цепочки нанесенных на карту мест через Центральную и Южную Америку, Вест-Индию, а также до Японии и Китая в 1874–1890 годах. Это во многом способствовало точному картографированию этих территорий. [28] [29]
Хотя мореплаватели пользовались точными картами, они не могли принимать телеграфные сигналы во время пути и поэтому не могли использовать этот метод для навигации. Ситуация изменилась, когда в начале 20 века стал доступен беспроводной телеграф (радио). [30] Беспроводные сигналы времени для использования кораблей передавались из Галифакса, Новая Шотландия , начиная с 1907 года [31] и с Эйфелевой башни в Париже с 1910 года . [32] Эти сигналы позволяли мореплавателям часто проверять и корректировать свои хронометры. [33]
Радионавигационные системы получили широкое распространение после Второй мировой войны . Все системы зависели от передач стационарных навигационных маяков. Судовой приемник рассчитал положение судна на основе этих передач. [34] Они обеспечивали точную навигацию, когда плохая видимость мешала астрономическим наблюдениям, и стали общепринятым методом коммерческого судоходства, пока в начале 1990-х годов его не заменила GPS .
Ниже перечислены основные методы определения долготы. За одним исключением (магнитное склонение), все они основаны на общем принципе, который заключался в определении абсолютного времени по событию или измерению и сравнении соответствующего местного времени в двух разных местах.
За исключением магнитного склонения, все методы оказались практичными. Однако события на суше и на море были совершенно разными.
Долгота в точке может быть определена путем расчета разницы во времени между ее местоположением и универсальным координированным временем (UTC). Поскольку в сутках 24 часа, а в круге 360 градусов, то солнце движется по небу со скоростью 15 градусов в час (360° ÷ 24 часа = 15° в час). Таким образом, если часовой пояс местоположения на три часа опережает время UTC, то это местоположение находится около 45° долготы (3 часа × 15° в час = 45°). Слово « рядом» используется потому, что точка может находиться не в центре часового пояса; Кроме того, часовые пояса определяются политически, поэтому их центры и границы часто не лежат на меридианах, кратных 15 °. Однако для выполнения этого расчета необходим хронометр (часы), установленный на время UTC, и необходимо определить местное время с помощью солнечных или астрономических наблюдений. Детали более сложны, чем описано здесь: более подробную информацию см. в статьях о всемирном времени и об уравнении времени .
Долгота задается как угловое измерение с 0 ° на нулевом меридиане в диапазоне от -180 ° на запад до + 180 ° на восток. Греческая буква λ (лямбда) [35] [36] используется для обозначения местоположения места на Земле к востоку или западу от нулевого меридиана.
Каждый градус долготы делится на 60 минут , каждая из которых делится на 60 секунд . Таким образом, долгота указывается в шестидесятеричной системе счисления, например, 23°27′30″ восточной долготы. Для большей точности секунды указываются с десятичной дробью . В альтернативном представлении используются градусы и минуты, а части минуты выражаются в десятичной системе счисления, например: 23°27,5′ восточной долготы. Градусы также могут быть выражены десятичной дробью: 23,45833° восточной долготы. Для вычислений угловая мера может быть преобразована в радианы , поэтому долгота также может быть выражена таким образом как знаковая дробь π ( pi ) или беззнаковая дробь 2 π .
Для расчетов суффикс Запад/Восток заменяется на отрицательный знак в западном полушарии . Международное стандартное соглашение ( ISO 6709 ) — что Восток положителен — соответствует правосторонней декартовой системе координат с северным полюсом вверх. Затем конкретную долготу можно объединить с определенной широтой (положительной в северном полушарии ), чтобы получить точное положение на поверхности Земли. Как ни странно, иногда также встречается условное обозначение Востока, чаще всего в Соединенных Штатах ; Лаборатория исследования системы Земли использовала его в старой версии одной из своих страниц, чтобы «сделать ввод координат менее неудобным» для приложений, ограниченных Западным полушарием . С тех пор они перешли к стандартному подходу. [37]
Долгота на полюсах является единственной , и расчеты, достаточно точные для других положений, могут быть неточными на полюсах или вблизи них. Кроме того, при расчетах необходимо осторожно учитывать разрыв на меридиане ± 180 ° . Примером может служить расчет смещения на восток путем вычитания двух долгот, что дает неправильный ответ, если две позиции находятся по обе стороны от этого меридиана. Чтобы избежать этих сложностей, некоторые приложения используют другое представление горизонтального положения .
Длина градуса долготы (расстояние восток-запад) зависит только от радиуса широтного круга. Для сферы радиуса а этот радиус на широте φ равен cos φ , а длина сферы в один градус (илиπ/180 радиан ) дуга по окружности широты равна
Когда Земля моделируется эллипсоидом, эта длина дуги становится [38] [39]
где e , эксцентриситет эллипсоида, связан с большой и малой осями (экваториальным и полярным радиусами соответственно) соотношением
Альтернативная формула:
cos φ уменьшается от 1 на экваторе до 0 на полюсах, что измеряет, как круги широты сжимаются от экватора до точки на полюсе, поэтому длина градуса долготы уменьшается аналогичным образом. Это контрастирует с небольшим (1%) увеличением длины градуса широты (расстояние с севера на юг) от экватора до полюса. В таблице показаны оба для эллипсоида WGS84 с =6 378 137,0 м и b =6 356 752 , 3142 м . Расстояние между двумя точками, находящимися на расстоянии 1 градуса друг от друга на одном и том же круге широты, измеренное вдоль этого круга широты, немного больше, чем кратчайшее ( геодезическое ) расстояние между этими точками (кроме экватора, где они равны); разница составляет менее 0,6 м (2 фута).
Географическая миля определяется как длина одной минуты дуги вдоль экватора (одна экваториальная минута долготы), поэтому градус долготы вдоль экватора составляет ровно 60 географических миль или 111,3 километра, поскольку в градусе 60 минут. Длина 1 минуты долготы вдоль экватора составляет 1 географическую милю или 1,855 км или 1,153 мили, а длина 1 секунды — 0,016 географической мили или 30,916 м или 101,43 фута.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)