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海上经度的测定

时间:2022-01-31 百科知识 版权反馈
【摘要】:然而经度的测定却成了一个相当棘手的难题。已有的仪器不适合在海上作高精度观测。弗拉姆斯蒂德作为皇家天文学家,自动成为天文台第一任台长。为了推动海上经度问题的快速解决,1713年英国成立了经度局,并悬赏海上测定经度的实用方法。测定精度为1°,赏金为一万英镑。1731年一种现代六分仪的前身双反射象限仪问世,海员们得以在晃动的甲板上精确测定天体之间的角距离。1735年哈里森制作了第一架航海钟H1,经过两年的测试,效用被认可。
海上经度的测定_天文学史一部人

随着大航海时代的到来,探险、商业、军事等各种航海船只航行到地球上的各个角落。这些船只经常需要知道一个关键信息,即他们到底航行到了地球上的什么位置,也就是需要知道船只的经度和纬度。纬度的测定相对简单,古希腊人就已经知道北极星的出地高度就是当地的地理纬度。然而经度的测定却成了一个相当棘手的难题。

根据恒星时的定义不难得到,地球上A、B两点在同一瞬间的地方恒星时之差等于两地的经度差。即:

sA-sB=λA-λB

假设航海船只航行到了陌生的A地,要求A地经度λA,则需要知道:①已知地点B地的经度λB;②B地的地方恒星时sB;③A地的地方恒星时sA。在这三个未知量中,λB可以通过事先测定而获得。未知地点的地方恒星时sA不难通过天文手段实测获得。最难确定的是已知地点的地方恒星时sB,它是解决海上经度问题的关键所在,整个17世纪和18世纪的大部分时间,许许多多智慧的大脑都在为解决这个难题绞尽脑汁。

喜帕恰斯曾经指出月食是一种很好的时间信号。地球上两地把同一次月食发生的时间记录下来,就可以确定两地的时差,进而求得经度差。但月食太过罕见,对海上航行的船只来说没有实际意义。

1524年西班牙查理五世的朋友数学教授班内威兹(Peter Bennewitz,1495-1552)建议用月亮在恒星中的穿行来指示标准时间sB,这就是“月亮钟”的方法。但当时没有能力事先算好精确的月亮位置表,也没有精确的恒星星表,所以这种方法只停留在理论上。1530年荷兰的数学教授弗里修斯(Gemma Frisius,1508-1555)提出建议,用一具始终走本初子午线地方时的精确机械钟来给出标准时间sB,但当时还没有这样的机械钟,所以该方法也不能实行。

1598年西班牙国王高价悬赏解决经度问题,荷兰也高价征求这个问题的答案。1612年伽利略提出用木卫掩食来指示时间,他算出了一张木卫运行表送到了西班牙和荷兰,但是一方面这张表的精度有限;另一方面,当时的长焦距望远镜无法在摇晃的甲板上进行木卫的观测,所以伽利略没有得到这笔奖金。伽利略的设想后经卡西尼的完善,能比较精确地测定陆地上的经度,但在摇晃的甲板上,这种方法仍不实用。

一度人们希望利用磁偏角来确定经度,但希望落空。海难此起彼伏,航行仍旧非常危险。在17世纪下半叶,一位法国人到伦敦去宣传“月亮钟”定经度法,英国国王查理二世听了这个宣传后指定了一个委员会来研究这种方法的可行性。该委员会于1675年向剑桥大学的一位年青天文学家弗拉姆斯蒂德(John Flamsteed,1646-1719)征求意见。弗拉姆斯蒂德指出当时已有的恒星星表和月亮运行表都不够精确。

用月亮钟“读”时间需要知道:①足够精确和方便的测角仪器;②一个足够精确的恒星位置表;③足够精度的月亮运动表。但当时这三样东西一样也没有。已有的仪器不适合在海上作高精度观测。第谷和赫维留斯的恒星位置表是目视观测的结果。牛顿固然发表了万有引力定律,但月球的运动实在复杂。1713年版《原理》提供的月球理论导致的月球位置误差有好几分,海员据此判断船只的位置误差可达100英里。

查理二世听到弗拉姆斯蒂德的意见之后,决定组织力量重新测定恒星和月亮的位置,制订新的星表,以供航海之用。1675年他任命弗拉姆斯蒂德为皇家天文学家,要求他“以最谨慎和最勤奋的态度全身心地投入订正天体运行表、恒星位置表等项工作之中,以找到人们渴望已久的对航海至关重要的那些地方的经度”。

图8.15 弗拉姆斯蒂德肖像

弗拉姆斯蒂德提出为了完成这项工作,需要一个永久的天文台。在雷恩的建议下,天文台建在伦敦近郊格林威治皇家公园的一座小山上,于1675年8月10日奠基。弗拉姆斯蒂德作为皇家天文学家,自动成为天文台第一任台长。他在该天文台工作了44年,使用一架2米多长的墙式六分仪,共测量了3 000多颗恒星的视位置。1712年,根据皇家学会尽快出版星表的要求,哈雷未经弗拉姆斯蒂德同意就将部分观测资料归算后出版。经弗拉姆斯蒂德本人同意的星表直到他去世6年后的1725年才得以出版,叫做《不列颠星表》。

为了推动海上经度问题的快速解决,1713年英国成立了经度局,并悬赏海上测定经度的实用方法。测定精度为1°,赏金为一万英镑。精度加倍,赏金也加倍。

1731年一种现代六分仪的前身双反射象限仪问世,海员们得以在晃动的甲板上精确测定天体之间的角距离。加上《不列颠星表》,任务完成了三分之二。

还剩下一份精确的月离表等待编制。到18世纪中叶,巴黎科学院和圣彼德堡科学院也都悬赏解决月亮运动的理论问题。哥廷根大学的迈耶尔教授利用欧拉提出的月亮运动理论编制出了一份相当精密的月亮运行表,并在1754年送到了伦敦。后来他的遗孀从英国政府获得3 000英镑的奖金,而欧拉仅得到300英镑。

利用迈耶尔的理论,第五任皇家天文学家马斯基林(Nevil Maskelyne,1732-1811)在1766年编算了《航海年历》,此后格林威治皇家天文台每年都编印一部《航海年历》,详载下一年中每月每日每时月亮、太阳、行星和大多数亮恒星的视位置,据此海员们能够比较方便地通过月亮位置确定经度。

迈耶尔改进的方法提供的定位精度约在30千米左右,并且每次测量颇为费时,在没有月亮的日子还无法使用。所以18世纪以后有许多人在力求制造更为准确的航海机械钟方面下功夫,这种技术是从惠更斯的船用钟技术发展起来的,其中最杰出的一位当属英国钟表匠哈里森(John Harrison,1693-1766)。

1735年哈里森制作了第一架航海钟H1,经过两年的测试,效用被认可。经度局奖了他250英镑。H1长宽高各3英尺,黄铜制成,重72磅,钟面指示出时、分、秒和日期。

1764年哈里森带着他制作的H4乘一艘军舰出海。H4不负众望,它的日差只有0.1秒,使用它来测定经度,误差只有2 km左右。为此哈里森先得到了一万英镑奖励,等到H4的复制品通过测试后再发给他剩下的一万英镑。库克(James Cook,1728-1779)船长携带着H4的复制品完成了向南极的航行(1772—1775),他说:“我们从未迷失航向,钟走得很好。”

图8.16 哈里森的H1(左)和H4(右)

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