Гринвичское время и открытие долготы

Хауз Дерек

Морской альманах

Задача об определении долготы в море астрономическим методом, возникнув из необходимости определять и сохранять гринвичское (или парижское, или кадисское) время, решалась поэтапно. В свое время Флемстид понял, что для практических целей навигации вполне достаточно принять, что Земля вращается с постоянной скоростью. Метод определения времени по наблюдениям спутников Юпитера в море оказался непригодным. В конечном счете для этой цели более всего подходил хронометрический метод, но его использованию препятствовало отсутствие часов, которые были бы способны в любом климате хранить точное время непрерывно на протяжении месяцев, несмотря на движение корабля. Однако уже появились признаки того, что изобретение таких часов не за горами. Метод измерения лунных расстояний, табличные данные для которого должна была давать Гринвичская обсерватория, побудил Флемстида составить соответствующий каталог положений звезд, а зеркальный квадрант Хэдли позволил добиться необходимой точности измерения лунных

расстояний. Но этого было недостаточно. По-прежнему существовала необходимость в разработке соответствующей теории очень сложного движения Луны, на основании которой можно было бы предсказать положение Луны среди звезд на несколько лет вперед. И все эти сведения нужно было предоставить навигатору в таком виде, чтобы он мог легко, без больших затрат времени произвести определение долготы своего местонахождения.

Особое место в истории определения времени и долготы занимают поиски теории, которая описывала бы движение Луны с необходимой для навигаторов точностью. Теория движения Луны довольно сложна, и мы не будем приводить ее здесь в деталях, а просто напомним некоторые основные положения.

В своем труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophical Naturalis Principia Mathematical изданном в 1687 г., Ньютон разработал теорию тяготения, с помощью которой были сделаны первые попытки объяснить нерегулярности в движении Луны. Тем не менее, как было замечено позднее, «... при более продолжительных и непрерывных сериях наблюдений Луны, чем те, которые провел Флемстид, видна разница между движением, вытекающим из теории Исаака Ньютона, и истинным движением [Луны], и эта разница достигает иногда пяти минут [дуги]» [31], что при определении долготы дает ошибку в 2,5°. В последующие пятьдесят лет в связи с необходимостью решения задачи «нахождения долготы» сильнейшие математики мира обратились к разработке теории, а самые известные астрономы, в частности астрономы Гринвича, занялись накоплением данных, позволяющих предсказывать движение Луны. В 1720 г. преемником Флемстида на посту королевского астронома в Гринвиче стал Эдмунд Галлей. В отличие от Флемстида, наблюдавшего в основном звезды, Галлей сосредоточил свое внимание на Луне.

Каждые 18 лет и 11,3 сут, составляющие цикл, называемый саросом, содержащий 223 синодических месяца, или интервала между новолуниями, движение Луны относительно Солнца повторяется. Галлей заметил, что для более уверенного предсказания положения Луны на данный момент необходимо знать ее положения за 223 предшествующих синодических месяца. Поэтому в 1722 г., в возрасте 66 лет, он приступил к наблюдениям положений Луны, пользуясь любой возможностью наблюдать Луну в момент пересечения ею меридиана (такая возможность исключалась в период новолуния и в ночи с облачной погодой). Галлей рассчитывал закончить эту работу через 18 лет - к тому времени ему должно было исполниться 84 года. Об этом в 1731 г. он сообщил в журнале «Философикэл Транзэкшнз». В то время еще не было инструмента, позволявшего с достаточной точностью измерять лунные расстояния в море, и Галлей первым посоветовал штурманам воспользоваться для измерения лунных расстояний такими ситуациями, когда Луна проходит перед звездой или достаточно близка к этому положению (говоря иначе, покрывает ее), так как для наблюдения покрытий достаточно было только телескопа. В постскриптуме к своей статье Галлей заметил, что его коллега вице-президент Королевского общества Джон Хэдли «рад сообщить о своем самом искусном изобретении, инструменте для измерения с большой точностью углов при помощи отражения... более чем вероятно, что такой инструмент можно применять для измерения углов с желаемой точностью в море» [32].

Галлей умер в 1742 г. в возрасте 86 лет. Несмотря на отсутствие постоянных помощников, он очень близко подошел к завершению поставленной перед собой задачи по наблюдению Луны в течение 18-летнего цикла. К сожалению, точность его наблюдений (когда он начал эту работу, ему было за 60) оставляла желать лучшего; наблюдения, проведенные вскоре после публикации его лунных таблиц, показали ошибочность его предвычислений. Между тем математики и астрономы континента - Лемонье, Кассини де Тюри, Эйлер, Д'Аламбер и Клеро - занялись решением этой задачи (особенно после того, как Петербургская Академия наук в 1750 и 1752 гг. также установила награды за решение проблемы). Благодаря этому появились новые теории движения Луны и лунные таблицы; однако все они-очевидно, вследствие недостаточности наблюдательного материала, на котором они основывались, - предсказывали положения Луны с ошибками до 3-5 мин дуги [33].

В конце концов нашелся астроном, который создал лунные таблицы требуемой точности. Это был Тобиас Майер (1723-1762) из Гёттингена, изобретатель повторного круга. Используя уравнения Эйлера и основываясь как на собственных наблюдениях, так и на наблюдениях Джеймса Брадлея (1693-1762), заменившего в 1742 г. Галлея на посту королевского астронома в Гринвиче, Майер составил таблицы движения Солнца и Луны. В 1755 г. он выслал адмиралу Ансону, первому лорду адмиралтейства, подробные заметки со своими таблицами. 6 марта 1756 г. они были представлены Совету по долготе с рекомендацией Брадлея опробовать их в открытом море; там, в частности, говорилось, что «наблюдения с борта корабля необходимо производить соответствующими инструментами; квадрант Хэдли, по его [Майера] мнению, не нужен, хотя он и подходил

для этой цели» [34]. Семилетняя война, разразившаяся в 1756 г., затруднила морские испытания, проводимые капитаном Кэмпбеллом в 1757-1758 гг.; поэтому они не дали в отношении лунных таблиц Майера сколько-нибудь убедительных результатов. Тем не менее эти испытания оказались очень важными в связи с тем, что измерения лунных расстояний в море производились при помощи латунного круга Майера с малой шкалой - предшественника современного морского секстанта.

Только в 1761 г. таблицы Майера были должным образом опробованы Невилом Маскелайном (1732-1811), будущим королевским астрономом, во время его путешествия на остров Св. Елены и обратно, куда он был направлен Королевским обществом для наблюдения прохождения Венеры. Применив квадрант Хэдли (не секстант) и первые таблицы Майера, Маскелайн провел несколько очень удачных наблюдений лунных расстояний, достигнув в большинстве случаев при определении долготы точности выше 1°. Сразу же по возвращении с острова Св. Елены Маскелайн опубликовал свой «Британский морской путеводитель», в котором просто и наглядно излагался способ определения лунных расстояний в море [35]. На самом деле Маскелайн не был первым наблюдателем, сумевшим точно определить лунные расстояния в море. В 1753-1754 гг. Никола-Луи де Лакайль осуществил такие наблюдения по пути во Францию с мыса Доброй Надежды через о-ва Маврикий и Реюньон, хотя его лунные таблицы были менее точны, чем таблицы Майера. Именно способ Лакайля и был рекомендован в книге Маскелайна. В 1760 г. датский ученый Карстен Нибур провел подобные наблюдения по просьбе самого Майера, тогда как Александр - Ги Пингре последовал примеру Лакайля при поездке на остров Родригес и обратно, куда он отправился для наблюдений прохождения Венеры [36].

Незадолго до своей смерти в 1762 г. Тобиас Майер подготовил новый более точный сборник таблиц Солнца и Луны; рукопись была отправлена в Англию женой Майера и 4 августа 1763 г. рассматривалась Советом по долготе; было решено, что новые таблицы опробует «человек, который поедет на Ямайку для наблюдений спутников Юпитера» [37]. Случайно этим человеком оказался сам Маскелайн, и поехал он не на Ямайку, а к острову Барбадос, главным образом в связи с испытанием четвертого хранителя времени Гаррисона. По пути Маскелайн проверил новые таблицы Майера, используя для наблюдений недавно изобретенный секстант. С помощью этого инструмента он ухитрился определить долготу острова Уайт с точностью в 16 угловых минут [38].

После смерти Брадлея в 1762 г. директором Гринвичской обсерватории был назначен Натаниэл Блисс, скончавшийся спустя два года. 19 января 1765 г. граф Сэндвич сообщил Совету по долготе, что король Георг III согласен назначить королевским астрономом (а следовательно, фактически и членом Совета) Маскелайна, несколько месяцев назад вернувшегося с острова Барбадос. 9 февраля Маскелайн представил Совету подробный доклад об успешных измерениях лунных расстояний, осуществленных с целью определения долготы во время его путешествия к островам Св. Елены и Барбадос, и предложил Совету опубликовать в помощь морякам морские эфемериды, представив отзывы об испытании этого метода от четырех офицеров Ост-Индской компании [39].

Маскелайн с присущей ему энергией (ему было только 33 года) задумал и подготовил издание «Морской альманах и астрономические эфемериды на 1767 г.», опубликованное в 1766 г. Это замечательное ежегодное издание продолжается и по сей день.

Наибольшую практическую ценность в новом альманахе представляли таблицы лунных расстояний на весь год, предсказывающие через каждые три часа угловые расстояния от центра лунного диска до избранных зодиакальных звезд или до центра солнечного диска. Такие таблицы, по предположению Лакайля, должны были сократить объем арифметических расчетов, производимых штурманами; действительно, с их помощью время, затраченное на наблюдение и определение долготы в море, сократилось до 30 мин, тогда как раньше на эти же процедуры затрачивалось более 4 ч.

В 1675 г. Карл II поручил королевскому астроному «заняться исправлением таблиц движений небесных тел и положений неподвижных звезд...». В 1725 г. Флемстид опубликовал «Британскую историю неба», содержащую положения опорных звезд. А спустя 21 год после этого указа короля пятый королевский астроном Невил Маскелайн выпустил таблицы движений небесных тел в удобном для навигаторов виде, позволяющие находить столь желанные долготы местоположений для усовершенствования искусства навигации» [41]. Итак, королевский указ был выполнен. Что же касается истории гринвичского времени, то здесь уместно заметить, что альманах Маскелайна базировался именно на гринвичском меридиане. До этого моряки обычно выражали долготу в определенном количестве градусов и минут (или в лигах) к востоку или западу от пункта отправления или назначения, например: 3° 47' к западу от Лизарда. Теперь же штурман, используя «Морской альманах» Маскелайна при определении долготы из астрономических наблюдений - значительная часть штурманов дальнего плавания именно так и начала поступать с 1767 г., - должен был производить свои расчеты, основываясь на гринвичском меридиане. В период 1774-1788 гг. это новшество повлияло даже на тех, кто пользовался официальным французским ежегодником «Конесанс де тампс» («Знание времен»), в котором с согласия и при содействии Маскелайна были перепечатаны британские таблицы лунных расстояний, основанные на меридиане Гринвича, хотя все другие таблицы в ежегоднике основывались на меридиане Парижа.