|
Szerokość łatwo wyznaczyć
Do określenia pozycji geograficznej obiektu na powierzchni Ziemi posługujemy się szerokością i długością geograficzną. W przypadku wyznaczania tej pierwszej zagadnienie jest stosunkowo proste. Z uwagi na ruch obrotowy Ziemi ciała niebieskie, jakie obserwujemy na niebie, przesuwają się (pozornie) ze wschodu na zachód, zataczając kręgi. Im bliżej bieguna północnego, tym kręgi te stają się mniejsze. Dla obserwatora zaś gwiazda biegunowa pozostaje w prawie całkowitym bezruchu. Gdyby znalazł się on na biegunie północnym, gwiazda ta byłaby dokładnie nad nim, z kolei z równika widziałby ją tuż nad horyzontem. Aby określić szerokość geograficzną, wystarczy zatem zmierzyć kąt pomiędzy widnokręgiem a gwiazdą biegunową (dla uproszczenia zakładamy, że nie uwzględniamy przy tym wpływu refrakcji i obniżenia horyzontu).
„Astronom”, drzeworyt Albrechta Dürrera
Sprawa trochę się komplikuje, jeśli pomiaru chcemy dokonać w ciągu dnia. Słońce, w przeciwieństwie do gwiazdy biegunowej, nie pozostaje w jednym miejscu, lecz przesuwa się po ekliptyce, nachylonej do orbity Ziemi, w związku z tym odległość kątowa Słońca od równika (deklinacja) zmienia się każdego dnia. Tylko dwa razy w roku (w dniach równonocy wiosennej i jesiennej – zwykle 20/21 marca i 22/23 września), gdy Słońce znajduje się nad równikiem i deklinacja jest równa zero, można by zastosować metodę podobną do poprzedniej i zmierzyć „bezpośrednio” szerokość geograficzną. Aby dokonać tego w inne dni, trzeba np. skorzystać z tablic, z których można wyinterpolować zaobserwowaną odległość kątową z wyliczonych deklinacji. Tablice takie ułożyli już w 1253 r. Arabowie.
Kolumb, Vasco da Gama i Magellan w czasie swych podróży wyznaczali szerokość geograficzną właśnie z kulminacji Słońca lub wysokości Gwiazdy Polarnej.
Długość trudniej
O wiele trudniej było wyznaczyć długość geograficzną. Najpierw określano ją w sposób orientacyjny, zliczając przebytą drogę i posiłkując się doświadczeniem żeglarzy. Od XVI wieku w zliczaniu pomagały mapy wykonane na siatce Mercatora, w których południki są do siebie równoległe, a kierunek kursu można wyznaczyć za pomocą linii prostej.
Mapa świata Mercatora
W dalszym ciągu nie rozwiązywało to jednak problemu wyznaczenia długości geograficznej.
Już wówczas pojawiały się inne sugestie. W 1530 r. niderlandzki astronom Gemma Frisius (1508-55) zaproponował, by do pomiaru długości używać wskazań z dwóch zegarów, pierwszego – mierzącego czas absolutny i drugiego – wskazującego czas lokalny uzyskany na podstawie obserwacji astronomicznych w interesującym nas miejscu. Niestety, z uwagi na niewielką precyzję ówczesnych chronometrów rozwiązanie to nie znalazło praktycznego zastosowania przez ponad dwa wieki.
Abbe Jean Picard (1620-82) określał długość geograficzną, obserwując księżyce Jowisza i korzystając z dwóch kilkumetrowej wysokości zegarów wahadłowych. Precyzyjne astronomiczne metody pomiaru były jednak zupełnie nieprzydatne w nawigacji morskiej lub w powszechnym zastosowaniu. Na lądzie niby nie byłoby z tym większego problemu, ale w XVI czy XVII wieku teleskop był urządzeniem równie rzadkim, jak dzisiaj obserwatorium astronomiczne, a bez wiedzy astronomicznej i matematycznej trudno sobie wyobrazić uzyskanie poprawnych wyników. I jeszcze te wahadłowe zegary, zupełnie nieprzydatne na morzu.
Gemma Frisius
Zagadnienie nie było bowiem takie proste. Wyznaczenie długości geograficznej wiąże się bezpośrednio z określeniem czasu obserwacji. Długość geograficzna to po prostu różnica pomiędzy czasami lokalnymi zarejestrowanymi w dwóch różnych punktach. Obrót Ziemi dookoła własnej osi trwa 24 godziny – czas gwiazdowy (23 godz. 56 min 4,1 s – czas słoneczny). Glob podzielony jest na 360 stopni, więc 15 stopniom odpowiada jedna godzina. Kiedy więc na leżącym na południku zerowym Greenwich jest południe, w oddalonym od niego dokładnie o 15° stopni na wschód Golczewie (Zachodniopomorskie) jest 13.00. W swoim pozornym ruchu wokół Ziemi Słońce w każdej chwili góruje nad jakimś południkiem. Na każdym południku czas lokalny jest oczywiście inny. Do wyznaczenia długości geograficznej wystarczy tylko znać różnicę pomiędzy czasem lokalnym (lokalny średni czas słoneczny) i czasem Greenwich (czas uniwersalny). Tylko jak to zrobić na morzu, gdy do dyspozycji nie ma się telefonu komórkowego, radia lub telewizji?
Już w 1567 r. król Hiszpanii Filip II wyznaczył nagrodę za rozwiązanie tego problemu. Jego syn Filip III Hiszpański w 1598 r. wyznaczył kolejną: 6 tys. dukatów, 2000 dożywotniej pensji i 1000 dukatów na pokrycie kosztów. Jedną z propozycji złożył sam Galileusz, sugerując wykorzystanie do tego ruchu księżyców Jowisza. W 1636 r. z podobną nagrodą wystąpiło królestwo Holandii.
Można zaryzykować stwierdzenie, że miarka przebrała się w październiku 1707 r., kiedy to z liczącej 21 statków floty brytyjskiej pod dowództwem admirała Shovella płynącej z Gibraltaru do Anglii 4 statki zatonęły w czasie sztormowej pogody, rozbijając się o skały leżących u wejścia do kanału La Manche wysp Scilly.
Mapa Wysp Scilly wg Thomasa Kitchina, 1753 r.
Obranie błędnego kursu pochłonęło życie prawie 2000 ludzi, w tym samego admirała. Przyczyną tragedii była niewystarczająca wiedza o faktycznej pozycji okrętów. W 1714 r. parlament brytyjski ogłosił, że dla tego, kto rozwiąże problem wyznaczania długości geograficznej na morzu z dokładnością 1° (60 mil), 40’ lub 30’ otrzyma nagrodę w wysokości odpowiednio 10, 15 lub 20 tys. funtów (te 20 tys. to mniej więcej dzisiejsze 12 milionów dolarów).
Zagadnienie sprowadzało się do zbudowania odpowiedniego zegara. Problemem tym zainteresował się w 1727 r. zegarmistrz John Harrison (1693-1776), który swój pierwszy drewniany zegar skonstruował mając zaledwie 20 lat. Wykonanie prototypu „morskiego” chronometru (H1) zajęło mu 10 lat, ale dopiero model H4 zbudowany w 1759 r. spełniał wszystkie stawiane mu wymagania. Ciekawostką jest, że Harrison miał spore kłopoty z odebraniem wspomnianej nagrody. Otrzymał ją (10 tys. funtów) dopiero w 1765 r. po interwencji króla Jerzego III.
Opracowanie Jerzy Przywara, 2006
| 
