Чтение онлайн

В этой книге мы рассказали о том, как три столетия назад, когда была основана Гринвичская обсерватория, с гринвичским временем соприкасались только один астроном и его помощник; как в 1760-х гг. издание «Морского альманаха» и изобретение морского хронометра предопределило то, что гринвичский меридиан и гринвичское время стали использоваться моряками всех стран. Далее мы узнали о том, как расширение применения часов на суше, когда каждая определенная территория имела свое местное время, привело к отмене истинного, или «солнечного», времени и замене его средним, или «часовым», временем; как несколько позднее развитие железнодорожного транспорта заставило отказаться от местного времени и перейти к национальному, или «железнодорожному», времени; как к 1884 г. расширение международных связей потребовало интернационального, или «всемирного», времени и именно гринвичское время было выбрано в качестве такового для использования на суше и на море, и, наконец, о том, как появление в 1940-х гг. кварцевых и в 1950-х гг. атомных часов (последние точнее маятниковых часов Флемстида фактически в 8 млн. раз) привело к введению атомного времени и отказу от использования неравномерно вращающейся Земли в качестве хранителя времени.

Ныне сигналы времени в Англии уже не рождаются в самом Гринвиче. Эталонное время теперь координируется Парижем (и называется всемирным). Сегодняшнее время поистине всемирно, так как оно основывается на показаниях часов, имеющихся в распоряжении двадцати четырех стран. Но тем не менее нулевой меридиан, по которому ведется отсчет долготы и времени на всем земном шаре, проходит через старую Гринвичскую обсерваторию. И хотя эталонные сигналы времени (а в некоторых странах и декретное время) основываются сегодня не на GMT, а на шкале UTC, последняя не должна уклоняться от GMT более чем на одну секунду.

Разность долгот любых пунктов на земной поверхности точно равняется разности значений местного времени в этих пунктах. Эта устойчивая связь и заставила нас дать книге, повествующей главным образом о времени, подзаголовок «определение долготы». Более того, до недавних пор многие из самых важных открытий, связанных с измерением времени, своим появлением были обязаны необходимости определять долготу в открытом море. Цель этого приложения, которое рекомендуется читать вместе с гл. 1, рассказывающей об истории вопроса, - наглядно показать эту связь времени и долготы.

В первой главе мы говорили о том, что географическое местонахождение характеризовалось широтой и долготой, по крайней мере, со времен Птолемея, жившего во II в. н.э. Определять широту люди умели еще в древние времена путем проведения определенных измерений высоты Солнца в полдень. Сначала с этой целью измеряли тень от гномона известной высоты, в дальнейшем применяли более сложные инструменты, используемые поначалу на суше, а с XV в. и в открытом море. Широту можно найти также, измеряя высоту Полярной звезды над горизонтом с учетом того, что эта звезда находится не точно в северном полюсе небесной сферы (который в северных широтах расположен выше горизонта на величину, точно равную искомой широте).

Практический метод определения долготы, однако, был найден всего лишь несколько столетий назад. Тем не менее теоретическое решение этой задачи довольно просто и было известно еще Гиппарху. Когда Солнце проходит через ваш меридиан над горизонтом, т.е. для вас - допустим, вы находитесь в пункте G, - наступает полдень, то для человека, находящегося в пункте А, отстоящего на 90° к западу от G, будет только 6 ч утра (в дни равноденствия это - восход Солнца), а для того, кто находится в пункте В, на 45° западнее G, будет 9 ч утра. Соответственно в пункте С, отстоящем на 45° к востоку, будет 15 ч, а в пункте D, расположенном на 90е к востоку, - 18 ч. Часом позже в G будет 13ч, в А - 7 ч, в В - 10 ч, в С - 16 ч и в D - 19 ч. Несмотря на то что время изменяется, разности значений времени остаются теми же и определяются разностями долгот в этих точках. Очевидно, Гиппарх выражал разность долгот в единицах времени, т.е. в количестве часов к востоку или западу; сегодня мы выражаем эту разность в единицах дуги, т. е. в определенном количестве угловых градусов, минут и секунд к западу или востоку. Время и градусы дуги в нашей книге полностью взаимосвязаны: 24 ч соответствует 360°, 12 ч - 180°, 1 ч - 15° и 4 мин - Г. Поэтому, если вы знаете, что у вас сейчас 9 ч, а у человека, находящегося в пункте Е, только 7 ч, значит, разность между этими точками будет 2 ч, или 30°, а так как в Е более ранний час, чем в G (и так как Солнце движется с востока на запад), это означает, что точка Е находится западнее G на 30°.

Но каким образом человек, находящийся в G, узнает время, скажем, в пункте Е, расположенном более чем за тысячу километров к западу от него. Для этого можно, например, перевезти из одного пункта в другой какой-либо хранитель времени, но этот метод получил распространение лишь в XVIII в. Другой метод заключается в регистрации момента наступления какого-нибудь явления, которое можно видеть из обоих пунктов одновременно и, сравнивая значения времени, зарегистрированные в двух пунктах, определить разность долгот. Тонкость этого способа заключается в том, что момент, в который должно произойти явление в некотором выбранном месте (скажем, в Гринвиче), должен быть предсказан; тогда разность долгот можно найти непосредственно, измеряя только местное время наблюдаемого явления и не ожидая сравнения точно измеренных значений времени в двух пунктах.

Как мы уже видели ранее, Гиппарх предложил использовать в качестве наблюдаемого явления затмения Луны. В это время Солнце, Земля и Луна располагаются точно на одной прямой, а тень Земли пересекает лунную поверхность, причем это явление наблюдается точно в один и тот же момент в любой точке на поверхности Земли. Птолемей рекомендовал этот метод для определения долготы на суше (хотя он привел только один пример такого определения), но не указал, каким образом можно определить местное время наблюдаемого явления. В это время Солнце должно быть ниже горизонта, поэтому нельзя непосредственно применить солнечные часы; необходимы другие хранители времени - такие, как водяные или песочные часы. Что при этом имел в виду Птоломей, остается загадкой. Считал ли он, что для этого нужно было воспользоваться положением звезд или измерением позиционного угла Большой или Малой Медведицы по отношению к Полярной звезде (что делалось при помощи пассажного инструмента, изобретенного более тысячи лет назад), или измерением высоты и определением времени с помощью некой плоскосферической астролябии, или использованием тени полной Луны так, чтобы в середине затмения Луна находилась точно против Солнца? Испанцы в 1582 г. для определения долготы в Вест-Индии предлагали устанавливать на суше вертикальный гномон высотой в треть ядра (~ 0,3 м); длина его тени от Солнца, когда накануне лунного затмения (или днем позже) она оказывается самой короткой, даст широту, а направление и длина лунной тени в начале или конце затмения укажет (после сложных расчетов, которые обычно выполнялись уже по возвращении в Испанию) долготу. Сохранилось несколько отчетов, содержащих результаты, полученные с помощью этого элегантного метода, примененного при наблюдении затмений 1584 г. Так, расчетное положение Каза Риал в Мехико получилось всего лишь на 21 км южнее и на 23 км западнее истинного-замечательный результат, даже если принять в расчет большой элемент случайности [1].

В истории определения долготы не происходило ничего примечательного вплоть до 1514 г., когда, как мы уже видели в гл. 1, Иоганн Вернер описал метод лунных расстояний, который впервые породил надежду, что удастся определить долготу в море. В течение месяца Луна совершает один полный оборот вокруг Земли с запада на восток - в направлении, противоположном движению звезд. Она проходит приблизительно 0,5°, или путь, равный ее диаметру, за 1 ч. Это относительно быстрое движение Луны и навело Вернера на мысль использовать Луну как гигантские небесные часы, где сама Луна будет служить часовой стрелкой, а зодиакальные звезды-цифрами циферблата. Наблюдатель, находящийся на Земле, каждую ночь видит, как звезды движутся по небесному своду с востока на запад со скоростью более чем 15° в час, тогда как Луна за то же время проходит около 14,5°. Таким образом, Луна отстает от звезд на 0,5° в час, поэтому зодиакальная звезда, опережающая Луну, скажем, на 40° в 22.00, в полночь будет находиться впереди нее на 41° (так как Луна пройдет за это время 29°, а звезда 30°). Вернер предположил, что в определенный момент «лунное расстояние» между зодиакальной звездой и Луной должно быть одинаковым для любого наблюдателя, в какой бы географической точке он ни находился, поэтому изменение лунного расстояния можно использовать для измерения времени на некотором данном, меридиане (впредь мы будем принимать за него, например, гринвичский). Этим же методом можно воспользоваться и для определения долготы, сравнивая предсказанные расстояния Луны по отношению к звездам, и действительные расстояния, измеренные навигатором с необходимой степенью точности.

Предположение Вернера о том, что положение Луны на небе не зависит от географического положения наблюдателя, ошибочно. Штурману обычно приходилось прибегать к довольно утомительным арифметическим вычислениям, чтобы учесть параллакс и различные рефракционные эффекты, влияющие на видимые положения двух небесных тел, имеющих разные высоты. Теоретически метод Вернера был обоснован, хотя для выполнения практической работы требовались следующие условия: знание точных положений звезд относительно друг друга; возможность заранее предсказывать положение Луны по отношению к звездам (эти предсказанные положения штурман должен иметь перед отправлением в плавание, которое может продолжаться несколько лет), а также инструмент для проведения наблюдений с требуемой степенью точности. Прошло 250 лет, прежде чем эти требования удалось удовлетворить.

Возможность практического применения метода лунных расстояний была получена в 1760-х гг., когда с публикацией «Морского альманаха» было обеспечено выполнение первых двух условий. В альманахе приводились таблицы расстояний от Луны до Солнца и некоторых зодиакальных звезд на каждые три часа для всего года. Третье условие было выполнено с изобретением секстанта. Короче говоря, при использовании метода лунных расстояний было необходимо произвести три одновременных или почти одновременных наблюдения: углового расстояния между Луной и звездой или Солнцем, высоты Луны и высоты звезды или Солнца; время при этом должно было отсчитываться по самым совершенным из имевшихся в то время часам. Этот метод успешно мог применяться при полностью видимом горизонте (в дневное время или в сумерки), но это условие было не столь существенно, так как при наблюдениях высот не требовалась слишком высокая точность - достаточно было просто хоть как-то видеть горизонт. Наблюдения и обработка результатов производились следующим образом.

А. Определение местного времени в наблюдательном пункте путем измерения высоты Солнца или звезды, лучше всего в тот же самый момент, когда измерялось лунное расстояние. Если же горизонт был закрыт, можно было воспользоваться значением высоты, определенной накануне вечером или на следующее утро, учитывая при этом сдвиг во времени. Местное время относительно просто определялось путем расчетов с применением сферической тригонометрии.

Б. Определение лунного расстояния с учетом эффектов параллакса и рефракции. Для этого существовали таблицы, но вычисления были довольно трудоемкими. В результате получали исправленное расстояние между центром Луны и центром Солнца или звезды, такое, каким его можно было бы видеть из центра Земли. Для получения этих данных и были составлены таблицы «Морского альманаха».