Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
«Экспериментальное определение географической долготы местности»
Цель работы: Нахождение географической долготы λ. Практическое определение места нахождения наблюдателя
Материалы и приборы: Теодолит, выверенные часы, астрономический календарь с таблицей уравнения времени; Струганная доска 20x20 см, плотнический уровень, прямоугольный треугольник, ручные часы с секундной стрелкой, радиоприемник, гвоздь длинной 20 см.
Из глубины веков
Подобно тому, как придирчивый художник камешек к камешку подбирает величественнее мозаичное панно, так по отдельным находкам, по разрозненным фактам восстанавливают вдумчивые историки цельную картину развития астрономических знаний на протяжении минувших веков.
За тысячу лет до нашей эры на Востоке, в верховьях рек Тигра и Евфрата, неподалеку от Ассирии и Вавилона, укреплялось могущественное государство Урарту. Столица царства - «орлиное гнездо» урартов - находилась у озера Ван, на территории современной Турции. А северные рубежи страны, охраняемые гарнизонами многочисленных урартских крепостей, проходили в Закавказье, на территории Советской Армении. Здесь, на берегах Занги, «для устрашения вражеских стран» заложил правитель урартов Аргишти I крепость Эрибуни - пограничную крепость, которая дала начало современной столице Армении - Еревану.
До последнего времени Урарту считалось самым древним из государств, возникших некогда на территории нашей Родины. Лишь Недавно на холме Мецамор неподалеку от Еревана армянским археологам удалось обнаружить следы еще более древней культуры. Ниже фундаментов урартских построек археологи открыли центр развитого металлургического производства, возраст которого оценивается в 3 тыс. лет. А нижние слои мецаморской культуры имеют возраст до 5 тыс. лет.
В ходе дальнейших поисков археологи обратили внимание на группу ступенек и площадок, высеченных в скале 200 м от главного Мецаморского холма. Среди ни особый интерес вызвали три «наблюдательные площадки». Все они ориентированы по сторонам света. На одной из площадок высечены символы звезд. На другой обнаружены ориентирные линии, отмечающие направления на юг, восток и север. Вполне возможно, что такой выдолбленный в камне «угломерный инструмент» служил предкам урартов для самых ранних, простейших астрономических измерений.
На территории Армении найдено также несколько наскальных рисунков, которые расшифровываются как изображение звезд из созвездия Льва, Скорпиона, Стрельца и других. По мнению специалистов, возраст этих рисунков составляет более трех тысячелетий. Подобные находки лишний раз подтверждают высказанные ранние некоторыми историками астрономии мысли о том, выделение на небе дошедших до нас зодиакальных созвездий было предпринято наблюдателями, жившими в долине Евфрата и на Армянском нагорье в области горы Арарат еще в III тысячелетии до н.э.
Среди сокровищ лучших музеев мира хранятся невзрачные глиняные черепки - осколки великих халдейских таблиц. Они содержат детальные сведения о движении по небосвод Луны и ярких планет. Сотни лет, совершенствуясь в своем искусстве, вели тщательные астрономические наблюдения халдейские жрецы. Молва об их многогранных астрономических знаниях разнеслась по всему древнему миру.
Достоверные данные о достижениях вавилонской астрономии были получены современной наукой, как водится, довольно неожиданно.
В XIX в. в связи с изучением ассирийского эпоса - поэмы о Гильгамеше среди ученых возник спор, получивший в немецкой литературе название «Бибель унд Бабель» - «Библия и Вавилон». Ученые спорили о происхождении Библии, многие эпизоды которой перекликаются с поэмой о Гильгамеше. Поскольку такой вопрос близко затрагивал интересы католической религии, несколько ученых-иезуитов принялись исподволь изучать все имеющиеся материалы о Вавилоне. Среди прочего он копировали многочисленные глиняные таблички, пылившиеся тогда в запасниках музеев без всякого применения.
Дотошные иезуиты старались вникнуть в сущность клинописного письма. Мало-помалу клинопись действительно стала подаваться расшифровке. Каково же было изумление всего мира, когда многие из табличек оказались глиняными страницами астрономических трактатов.
Наука халдеев ведет родословную от шумеров - древнейших обитателей плодородной долины между низовьями Тигра и Евфрата Богатый край не раз становился добычей соседних кочевых племен. Смешавшись с прежним населением и во многих отношениях переняв высокую шумерско-аккадскую культуру, завоеватели-халдеи создали здесь крупное рабовладельческое государство со столицей в Вавилоне.
Халдейская Вавилония неоднократно воевала с Ассирией, воинственной страной, расположенной выше по течению Тигра и Евфрата. Войны эти попеременно завершались либо безжалостным разорением Вавилона, либо разрушением Ниневии, столицы Ассирии.
Значительного рассвета Вавилония достигла в VI в. до н.э. Царь Навуходоносор II застраивает столицу трехэтажными и четырехэтажными домами. Город пересекают широкие прямые улицы. Тройное кольцо высоких кирпичных стен общей протяженностью в 8 км защищает Вавилон от внезапного вторжения врагов. Сены укреплены 600 зубчатыми башнями. Кованые медные ворота готовы преградить доступ в столицу в минуты опасности. Город окружен системой каналов. Гидротехнические сооружения включают колодцы и коллектор, водопровод построен с использованием керамических труб.
Возведение ложных инженерных сооружений и создание разветвленных ирригационных систем Вавилона требовало от халдеев незаурядных научных знаний. Писцы и жрецы - опора правителей, избранная каста аристократов, хранители мудрости предков, наиболее образованные люди в государстве - неуклонно занимались математикой и астрономией.
Ведь именно они, халдейские мудрецы, разделили окружность на 360⁰. Такое деление появилось в результате тщательных наблюдений за передвижением Солнца по небу.
Смещение Солнца на величину его диска, т.е. угол, под которым были бы видны два сложенных рядом солнечных диска, халдеи рассматривали как «один шаг Солнца». Придавая движению Солнца по небу высший смысл, халдеи выделили «шаг Солнца» в качестве основной единицы измерения углов. В дни равноденствия Солнце описывает по небу полуокружность, и в ней укладывается 180 «солнечных шагов».
По халдейской системе счета целое делится на 60 частей. Деление градуса на 60 минут, а минут на 60 секунд - это и есть применение на практике халдейской шестидесятеричной системы счета.
Халдейские жрецы ввели деление суток на 12 двойных часов, часа - на 60 минут, минуты - на 60 секунд.
Халдейские ученые, по-видимому, первыми из ученых древности отчетливо поняли, что явления природы, подчиняющиеся определенным закономерностям, можно описывать числами. Они первыми, проникая в тайны окружающего мира, взяли на вооружение число и меру.
Впрочем, использование числа и меры как метода научного познания природы привело вскоре к неожиданным мистическим последствиям. У халдеев на протяжении веков зрела мысль, что числа являются тайной сущностью вещей, что именно числа управляют миром. Всевозможные математические выкладки стали выполнятся в магических целях. Появляются живущие до сих пор представления о «счастливых» и «несчастливых» числах.
Подобные взгляды, зародившись в Вавилонии, перекочевали в Грецию, где нашли наиболее яркое воплощение в творчестве Пифагора и его учеников. Пифагорейцы переводили в числа имена людей, их личные качества, клялись «священными» числами.
У колыбели астрономии определились два важнейших стимула для ее развития. Во-первых, астрономические измерения были необходимы для практики. Во-вторых, астрономические наблюдения ложились в фундамент системы идейно-теоретических взглядов общества, формировали мировоззрение людей древнего мира.
Navigare Necesse est
Начнем с главного - с тех постоянных практических нужд, которые заставляли людей древнего мира из поколения в поколение следить за полной звезд бездной ночного неба.
И длительные путешествия ученых, и торговля, и поездки послов «к соседям в чужие пределы» приобретали огромное значение для каждого народа уже на самых ранних этапах его истории. Однако спешит ли посольство из Вавилона в Мемфис, тянется ли по великому шелковому пути торговый караван, или ведет несметную армию на покорение Аттики воинственный царь Дарий, - кто укажет им путь среди бескрайних необжитых просторов степей и пустынь?
Предельно остро такая проблема встает пред мореходами. Тают в дымке очертания родных берегов. Море, море, и только мор обступает смельчаков со всех сторон. Здесь не вообще никаких земных ориентиров. И тем не менее, как любили говорить в Древнем Риме, Navigare Necesse est - вести корабль необходимо.
Гомер описывает плавание Одиссея. Искусный кормчий, твердо правя рулем, внимательно следит Одиссей за восходами и заходами светил:
... Зорко Плеяд наблюдал он и поздний заход Волопаса,
Также Медведицу - ту, что иначе зовут Колесницей,
С нею Каллипсо, богиня богинь, Одиссею велела
Путь соглашать свой, ее оставляя по левую руку…
Именно так, «соглашая свой путь» со звездами, оставляя их то по левую, то по правую руку, бороздили Средиземноморье финикийцы и греки, египтяне и ромеи. Но для этой цели им необходимо было сначала разобраться в особенностях видимого перемещения всего звездного свода.
В положенное время вследствие вращения всего небесного свода из-под горизонта появляется Солнце. Наступает утро. Толща земной атмосферы рассеивает солнечные лучи, и неб становится голубым. Свет звезд теряется на ярком фоне дневного неба. Но вращение небесного свода, естественно, продолжается. Мы видим, как движется Солнце; другие звезды также продолжают восходить и заходить, только днем эти явления невооруженным глазом не наблюдаются.
Поведение Солнца в его суточном вращении в точности повторяет поведение звезд. Вставая утром, Солнце начинает набирать высоту. В полдень высота его максимальна, а во второй половине дня оно клонится все ниже и ниже к горизонту.
Внимательный исследователь должен заметить, что и звезды, и Солнце достигают наибольшей высота, проходя через одну и ту же воображаемую линию на небосводе. Пересечение этой воображаемой линии с линией горизонта с давних пор получило название точки юга. А прохождение светила через эту линию названо в астрономии верхней кульминацией светила.
Когда же звезды и Солнце проходят через противоположную часть этой линии, высота их минимальная; тогда они находятся в нижней кульминации. В средних широтах нижняя кульминация Солнца не видна, здесь в это время начинается ночь. Наблюдать ее можно лишь за Полярным кругом во время полярного дня. Нижняя кульминация светила происходит в северной части неба. Точкой севера называю ту точку горизонта, которая противоположна точке юга.
Помимо суточного вращения вокруг собственной оси, Земля обращается еще вокруг Солнца. Один оборот по орбите вокруг Солнца она делает за год. Отражением годового движения Земли является так называемое собственно движение Солнца
Мы все время подчеркиваем, что звездное небо вращается как единое целое, как если бы созвездия были нарисованы на небесном своде. А положение Солнца в отличие от положения звезд, не остается одним и тем же. Солнце переходит из одного созвездия в другое. Мы уже говорили, что созвездия, по которым движется Солнце, называются зодиакальными. Их 12, в пределах каждого из зодиакальных созвездий Солнце находится примерно по месяцу. Линия, по которой происходи видимое перемещение Солнца среди звезд, называется эклиптикой.
За год, двигаясь против часовой стрелки с запада на восток, Солнце совершает полный круг по зодиакальным созвездиям, и вся картина начинает повторяться в том же порядке.
Как следует из всего сказанного, видимые движения звезд и Солнца на небе несколько различаются. Звезды вращаются только вместе со всем небесным сводом. А Солнце не только изо дня в день вращается вместе со звездами, но одновременно еще и сдвигается относительно звезд с запада на восток.
Параллели меридианы
Зная, что наша планета имеет форму, очень близкую к форме шара, и наблюдая во время путешествий в различных местах видимое вращение Солнца и звезд, древние ученые установили для ориентировки на земной поверхности определенные условные линии.
Отправимся в мысленное путешествие по поверхности Земли. Положение над горизонтом воображаемой оси мира, вокруг которой происходит суточное вращение небесного свода, будет для нас все время меняться. В соответствии с этим будет меняться и картина движения звездного неба. Поехав на север, мы увидим, что звезды в южной части неба поднимаются каждую ночь на меньшую высоту. А звезды в северной части - в нижней кульминации - имеют большую высоту. Двигаясь достаточно долго, мы попадем на Северный полюс. Здесь вообще ни одна звезда не поднимается и не опускается. Нам будет казаться, что все небо медленно кружится параллельно горизонту
Древние путешественники не знали, что видимое движение звезд является отражением вращения Земли. И они не бывали на полюсе. Но необходимо было иметь ориентир на земной поверхности. И они выбрали для этой цели легко определяемую по звездам линию север-юг. Эта линия получила название меридиана.
Меридианы можно проводить через любые точки на поверхности Земли. Множество меридианов образуют систему воображаемых линий, соединяющих Северный и Южный полюса Земли, которую удобно использовать для определения местоположении.
Примем один из меридианов за начальный. Положение любого другого меридиана в этом случае будет известно, если указано направление отсчета и задан двугранный угол межу плоскостью искомого меридиана и плоскостью начального меридиана.
Положение нулевого меридиана на протяжении веков многократно менялось. В1493 году, сразу же после первого плавания Колумба к берегам Вест-Индии, папа римский Александр VI поделил подлинный мир между Испанией и Португалией. Граница грядущих владений двух величайших морских держав рассекала Атлантический океан от полюса до полюса. И когда спустя десятилетия выяснилось, что контуры земель Нового Света и далекие рубежи Азии, оказалось, что в западную, «испанскую» половину земного шара попала вся Америка, за исключением ее бразильского выступа, а в восточную, «португальскую» половину угодили, помимо Бразилии, целиком Африка и Азия.
Такая линия отсчета долгот просуществовала около ста пятидесяти лет. В 1634 году при кардинале Ришелье специальная комиссия французских эрудитов предложила провести нулевой меридиан ближе к Европе, но таким образом, чтобы вся территория Европы и Африки оказалась к востоку о него. Для этой цели нулевой меридиан провели через самую западную точку Старого Света западную оконечность самого западного из архипелага Канарских островов - остров Ферро. В 1884 году на астрономической конференции в Вашингтоне за начальный, отсчетный меридиан для земного шара был принят тот, который проходит через ось одного из телескопов Гринвичской обсерватории. Гринвичский меридиан в качеств нулевого сохраняется и поныне.
Угол, образованный каким-либо меридианом с начальным, называется долготой. Долгота, например, меридиана Москвы 37⁰ к востоку от Гринвича.
Чтобы отличить друг от друга точки, лежащие на одном и том меридиане, пришлось ввести вторую географическую координату - широту. Широтой называется угол, который проведенная в данном месте поверхности Земли отвесная линия образует с плоскостью экватора.
Термины «долгота» и «широта» дошли до нас от древних мореходов, которые описывали длину и ширину Средиземного моря. Та координата, которая соответствовала измерениям длины Средиземного моря, стала долготой, а та, которая соответствовала ширине, стала современной широтой.
Нахождение широты, как и определение направления меридиана, тесно связана с движением звезд. Уже древние астрономы доказали, что высота полюса мира над горизонтом равна широте места.
Предположим, что Земля имеет форму правильного шара, и рассечем ее по одному из меридианов, как показано на рисунке. Пусть на Северном полюсе стоит человек, изображенный на рисунке в виде светлой фигуры. Для него направление вверх, т.е. направление отвесной линии, совпадает с осью мира. Полюс мира находится у него прямо над головой. Высота полюса мира равна здесь 90⁰.
Так как видимое вращение звезд вокруг оси мира является отражением реального вращения Земли, то в любой точке Земли, как мы уже знаем, направление оси мира остается параллельным направлению оси вращению Земли. Направление же отвесной линии при переходе из точки в точку меняется.
Возьмем, например, другого человека. Направление оси мира у него осталось таким же, как у первого. А направление отвесной линии изменилось. Поэтому высота полюса мира над горизонтом здесь не 90⁰, а значительно меньше.
Из простых геометрических соображения ясно, что высота полюса мира над горизонтом действительно равна широте.
Линия, соединяющая точки с одинаковыми широтами, получила название параллели.
Меридианы и параллели образуют так называемую систему географических координат. Каждая точка на земной поверхности имеет вполне определенную долготу и широту. И наоборот, если известна шрота и долгота, то можно построить одну параллель и один меридиан, в пересечении которых получится одна единственная точка.
У каждого свое время
Картина ежедневного видимого перемещения Солнца по небосводу уже нам знакома. Счет времени суток у всех народов всегда был связан с этим видимым перемещением нашего главного светила. Солнце восходит - в данном месте наступает утро, Солнце клонится к горизонту - в данном месте близится вечер. Момент верхней кульминации Солнца - это середина дня. Мы называем этот момент местным полднем. Такая картина наблюдается в любой точке земного шара.
Исключения составляют районы прилегающие к Северному и Южному полюсам Земли; сущность видимого перемещения Солнца по небосводу там остается точно такой же, как и в любом другом месте, но внешняя картина выглядит несколько иначе - в этих районах чередуется летний полярный день и зимняя полярная ночь. Чтобы излишне не усложнять объяснение, мы этих особенностей касаться не будем.
Но оглянемся теперь на нашу Землю из глубин межпланетного пространства. Мы тотчас обнаружим, что полдень наступает в разных местах Земли отнюдь не в один тот же момент времени. Одна половина планеты освещена Солнцем, но на другой половине земного шара Солнца вовсе не видно - там царит ночь. На освещенной половине Земли время суток в различных местах тоже различно. Вблизи одного края, где Солнце только что взошло, недавно наступило утро. А вблизи противоположной границы освещенной и темной частей Земли Солнце вот-вот скроется - там уже готовятся к приходу ночи.
Напрашивается важный вывод: часы, идущие по местному времени, которое можно определять и по движению Солнца, и по движению звезд, в различных частях земного шара одновременно показывают разное время. Местное время зависит от расположения точки наблюдателя на земной поверхности.
Рассмотрим теперь такую геометрическую схему. Через три точки, как известно, можно повести плоскость и притом только одну. Представим себе плоскость, проходящую через оба полюса Земли, Северный и Южный, и через центр Солнца. Наша «солнечная» плоскость рассечет поверхность Земли по кругу. Поскольку в рассматриваемой плоскости лежат оба полюса Земли, то в ней лежит и ось вращения Земли, а следовательно, круг, по которому наша плоскость рассекает поверхность Земли, есть не что иное, как плоскость одного из меридианов. Этот меридиан проходит как раз посередине освещенной Солнцем половины Земли. Только на этом меридиане - и нигде больше - наступил сейчас по местному времени истинный день.
Конечно же, в разных частях этого меридиана высота Солнца над горизонтом в рассматриваемый нами момент различна. Но существенно важно то, что в каждой точке нашего меридиана Солнце кульминирует. Здесь повсюду наступила середина дня, местный полдень.
Ось вращения Земли постоянно остается выбранной нами «солнечной» плоскости. А Земля продолжает вращаться вокруг своей оси. И в нашу «солнечную» плоскость непрерывно попадают новые и новые меридианы. И какой бы меридиан не повернулся теперь навстречу Солнцу, именно в этот момент наступает на нем местный полдень.
Так мы установили, что местное время не зависит от широты места наблюдений. Оно одинаково на одном и том же меридиане и меняется только в зависимости от долготы, при переходе от меридиана к меридиану.
Земля делает полный оборот вокруг своей оси за сутки, за 24 ч. За тоже время местный полдень «обойдет» всю поверхность Земли. Отсюда легко подсчитать, с какой скоростью «движется» местный полдень от меридиана к меридиану.
За один час Земля повернется на 15⁰. Таким образом, если два пункт лежат на меридианах, отстоящих друг от друга ровно на 15⁰, то разница в местном времени составит для них ровно 1 час. Угол между меридианами, как мы уже говорили, это и есть разность долгот.
Именно таким образом астрономы и поступают. Они определяют разности местных времен заданных пунктов в дни и те же физические моменты времени и переводят разности времен в разности долгот. Астрономы так привыкли к этим переводам, что научились считать углы обычным образом, в грдусах, и в часах. Вот как это получается:
ч - 360⁰
ч - 15⁰
Дальше надо быть осторожным, поскольку названия «минута» и «секунда» относятся и к долям часа, и к долям градуса. Поэтому во избежание путаницы надо указывают «минута времени» или «минута дуги», «секунда времени» или «секунда дуги»:
минута времени=15 минутам дуги;
секунда времени=15 секундам дуги.
Астроном нисколько ни удивится, ели прочтет, что разность долгот Москвы и Лондона составляет около 2 ч 28 мин. Это равносильно тому, что написать: разность долгот Москвы и Лондона составляет около 37⁰ .
Итак, местное время одинаково на одном и том же меридиане. А на любой линии равных широт - параллели - каждая точка имеет свое собственное время. Но пользоваться в каждой точке Земли собственным временем для практической жизни совершенно неприемлемо.
До тех пор пока люди передвигались по поверхности Земли в запряженных лошадьми дилижансах или на тихоходных судах, неудобства пользования различными временами были еще не чересчур разительными. В конце концов каждый горд и каждый порт мог позволить себе роскошь иметь собственное время. Но с развитием культурных и экономических связей, особенно с началом строительства протяженных железнодорожных магистралей, положение резко обострилось. Путались путешественники, путалась почта, путалось железнодорожное расписание.
Возникла мысль регулировать работу промышленности и движение транспорта по времени столицы. И вообще, строить всю жизнь страны по единому времени. Но и это оказалось практически невозможным. В такой протяженной стране, как, например, Россия, разница во времени между городами Дальнего Востока, Сибири и Европейской части страны достигает многих часов. Что же получилось бы, если часы где-нибудь в Хабаровске показывали полночь, а на самом деле там давным-давно наступило утро?
Остроумный выход предложил во второй половине прошлого века канадский инженер-железнодорожник Флеминг. Он придумал так называемое поясное время. Идея Флеминга нашла широкую поддержку, и поясное время применяется теперь повсюду на земном шаре.
Поверхность Земли разбита по меридианам на 24 пояса: ширина каждого из них примерно равна 15⁰ по долготе. В пределах каждого пояса время считается общим, а от пояса к поясу оно различается ровно на час. Таким образом, минутные и секундные стрелки часов на всем земном шаре должны показывать строго одно и то же; отличаются только оказания часовых стрелок.
В СССР поясное время было введено в 1919 г. Декретом Совета Народны Комиссаров « в целях установления однообразного со всем миром счета времени в течение суток, обуславливающего на всем земном шаре одни и те же показания асов в минутах и секундах и значительно упрощающих регистрацию взаимоотношений народов, общественных событий и большинства явлений природы во времени».
В целях удобства границы часовых поясов не проводят строго по меридианам, а совмещают с границами государств, административными границами, водными рубежами, горными хребтами.
Часовой пояс, носящий название нулевого, расположен по обе стороны от Гринвичского меридиана, который избран в качестве оси симметрии этого часового пояса. Нулевой пояс должен жить по Гринвичскому времени.
Западная Европа попадает в первый часовой пояс. Время этого пояса называют среднеевропейским. Но, как мы оговорились, границы часовых поясов очень условны. В 1968 г. Английское правительство, чтобы подчеркнут общность интересов Англии и Европы, отказалось от Гринвичского времени и ввело на территорию стран время среднеевропейское.
Декретное время применяется во многих странах. Зачастую его вводят декретом только на летнее время. Тогда о нем говорят «летнее время». А зимой страна вновь переходит на обычное поясное время. Такая система существовала во Франции, Англии, Швейцарии и других странах. Практиковался временной перевод стрелок на ЧС вперед и в нашей стране. «Летнее время» использовалось в период с 20 апреля по 20 сентября. Однако осенью 1930 г. Обратного перевода стрелок от «летнего времени» к «зимнему» не произошло. Наша страна стала постоянно жить по декретному времени.
На территории СССР приходилось часовые пояса со второго по двенадцатый. В связи с ростом экономики и новым территориальным делением страны границы постоянно уточнялись.
День за днем
Астрономы не только разделили Землю на часовые пояса, но и установили строгую линию перемены дат. Она проходит по Тихому океану в пределах двенадцатого часового пояса. Эта граница, конечно, условна. Но по решению Международной меридианной конференции 1884 г. Именно здесь начинается новый день. Только здесь и нигде больше на земно шаре можно, образно говоря, сделав один шаг, перебраться из сегодня во вчера.
Время везут в карете
Представления о географической долготе пунктов земной поверхности, наряду с понятием о географической широте, вошло в обиход с глубокой древности. Однако широта вычислялась из астрономических наблюдений сравнительно просто. Определение разности широт умел выполнять уже Эратосфен. С определением же долготы в течение многих столетий дело обстояло из рук вон плохо.
Только из астрономических измерений, без привлечения каких-либо дополнительных сведений, долготу не умели определять ни в античной древности, ни в средние века. С этим обстоятельством связано, в частности, величайшее заблуждение Христофора Колумба.
Переплыв «море Мрака» и достигнув в октябре 1492 г. Багамских островов, Колумб был глубоко убежден, что находится уже подле берегов Азиатского континента. Недаром вновь отрытые земли он назвал Вест-Индией - Западной Индией. Это название наряду с именем коренных жителей Америки, которые по тем же причинам окрестили индейцами, сохранилось в географической литературе до наших дней.
Заблуждение Колумба не рассеялось до конца его жизни. Организовав четыре экспедиции к берегам Америки, он был по-прежнему убежден, что плавает где-то вблизи оконечности Азии.
Неведение великого Колумба всецело зависело от погрешностей средневековых карт и неумении точно определить географическую долготу.
Умей Колумб выполнить независимое от карты и побочных навигационных соображений определение географической долготы, он тотчас же установил, что уплыл не так уж далеко от берегов Европы. В своих плаваниях он ни разу не заходил дальше 85⁰ западной долготы.
Как мы выяснили, географическая долгота определяется астрономически как разность местного времени данного пункта и местного времени исходного, принятого за нулевой, меридиан. Для определения долготы следует наблюдать какие-либо астрономические явления, которые происходят практически одновременно на обширных территориях земной поверхности.
Выполняется это так. Астрономы, работающие на нулевом меридиане, пользуясь многолетними рядами наблюдений, предвычисляют те моменты, которые нужное явление происходит по местному времени нулевого меридиана. Эти предвычисления публикуются в специальных таблицах. В дальнейшем астроном-мореплаватель или астроном-путешественник из своих измерений устанавливает тот момент местного времени, когда ожидаемое явление произошло в пункте наблюдений. Результат сравнивается с данными таблицы.
Поскольку выбранное для наблюдений явление должно происходить одновременно для всех частей Земли, то разность местного времени в походном пункте наблюдений и местного времени, указанного в таблице для нулевого меридиана, строго соответствуют разности долгот.
Для цели определения долгот описаны методом боле или менее подходят, например, лунные затмения. Они наблюдаются на той половине земного шара, где в этот период видна Луна. Но лунные затмения слишком редки. Дожидаться их пришлось бы месяцами. А для нужд, например, того же кораблевождения требовалось подыскать явления, которые случались бы по возможности часто, желательно даже каждый день.
Галилей, обнаруживший в телескоп 4 ярких спутника Юпитера, предложил использовать для определения долгот затмения именно этих светил. Когда спутник заходит за край Юпитера или уходит в тень планет, он исчезает из виду, «гаснет». Затмения спутников Юпитера происходят часто, едва ли не по нескольку раз в сутки.
Предложением Галилея всерьез заинтересовались Генеральные штаты Голландии. Они вели по этому вопросу с Галилеем особые переговоры. Но такой метод не сразу нашел применение из-за низкого качества первоначально составленных таблиц.
Самый перспективный путь решения задачи определения долгот заключался в «транспортировке» времени.
Предположим, что вы находитесь на нулевом меридиане. Здесь в обсерватории имеется возможность поставить часы точно по местному времени нулевого меридиана. Затем вы отправляетесь в далекое путешествие, причем ваши часы продолжают показывать местное время нулевого меридиана. Достигнув пункта назначения, вы выполняете астрономическое определение местного времени. Сравнение результата с показанием часов сразу же дает вам значение долготы.
Такой метод очень прост и изящен, если только ваши часы способны надежно хранить время нулевого меридиана. Ошибки же в показаниях часов очень заметно сказываются на точности определения долгот. Так, если вы движетесь вдоль экватора, ошибка времени всего в 1’ приводит к неточности определения местонахождения на поверхности Земли почти в 30 км. А если, к несчастью, из-за шторма или от жары за долгие месяцы плавания ваши часы то ли отстанут, то ли убегут вперед, скажем, на час, то ошибка в определении долготы составит уже 15⁰. Это значит, что ошибка определения вашего местонахождения на поверхности Земли превысит 1500 км.
Итак, для точности определения долгот нужны первоклассные часы - хранители тонного времени.
Конечно же, часы находились в распоряжении астрономов с глубокой древности. Во-первых, это были солнечные часы. Они устанавливались на площадях, в мессах публичных собраний, на виллах богатых аристократов. Но ведь солнечные часы, сколь бы точны они ни были, всегда идут по местному времени. Перевозить с помощью солнечных часов время с одного мест на другое разумеется нельзя.
Во-вторых, в распоряжении древних астрономов были водяные часы. Водяные часы - клепсидры - существовали и в Вавилоне, и в Китае, и в Греции. Они представляли собой несколько поставленных друг на друга сосудов с водой. Вода по каплям переткала из верхних сосудов в нижние. Но скорость вытекания воды, как нетрудно сообразить, зависит от количества остающейся в сосуде воды. Теория водяных часов была очень сложной, и добиться большой точности от них не удавалась. И уж совершенно невозможно было их куда бы то ни было перевозить. От тряски они тут же выходили их строя.
Наконец, в распоряжении древних были часы песочные и часы огненные. Песочные часы употребляются иногда еще и теперь врачами. А часы огненные представляли собой длинный стержень из ароматической смеси, которому придавали либо спиральную, либо какую-нибудь другую замысловатую форму. Стержень равномерно горел, источая благовония, и по длине сгоревшей его части можно было судить о прошедшем времени. Огненные часы были особенно распространены в Китае. Иногда на горевший стержень китайцы подвешивали металлические шарики. Когда стержень догорал до обусловленного места, шарик падал в фарфоровую вазу. Это был «огненный будильник».
Совершенно очевидно, то ни песочные, ни огненные часы для транспортировки времени с места на место в течение многих месяцев, так же как солнечные и водяные часы не годились.
Для определения долгот астрономы нуждались в надежных механически часах, а именно таких в то время не было.
Толчок к развитию часового дня дал Галилео Галилей, предложивший использовать в качестве регулятора часов маятник. Но наиболее удачное решение этой задачи предложил независимо от Галилея Христиан Гюйгенс. Он сконструировал устройство, в котором маятник регулирует вращение системы зубчатых колес, сам получая при этом импульс, необходимый для того, чтобы размах колебаний не затухал. Так были заложены принципиальные основы точнейшего измерительного прибора - механических часов.
По мере усовершенствования часов обычный маятник был заменен качающимся балансиром. Так появись на свет первые хронометры. Но они еще оставались очень капризными. Ход хронометров в сильной степени зависел от температуры.
Наибольшую озабоченность в развитии часового дела повлияло британское адмиралтейство. Во второй половине XVII в. Великобритания все больше выдвигается на мировую арену как крупнейшая морская держава, оттесняя Голландию и Францию.
Специальным Биллем от 20 июля 1714 г. Английский парламент для поощрения изобретателей установил фантастическую по тем временам премию. За разработку надежного способа определения долготы на море с точностью до ⁰ правительство обещало награду 20 тыс. фунтов стерлингов. Одним из экспертов при рассмотрении Билля выступал в парламенте президент Лондонского королевского общества Исаак Ньютон.
Решающего успеха в усовершенствовании хронометра добился английский часовой мастер Гаррисон. Он первым изготовил балансир из материалов с различными коэффициентами расширения. Изменения температуры компенсировалось изменением формы балансира.
Новый хронометр Гаррисона подвергся суровому испытанию 1761 г. В плавании от Портсмута до Ямайки и обратно. Ни тряска, ни штормы, ни повышенная влажность воздуха не вывели его из строя. По возвращению в Англию, после 161 дня пути, его показания были ошибочными всего на несколько секунд.
Появление точных хронометров было первым симптомом грядущей технической революции в Англии. Зачинатели машинного прядильного производства Харгривс, Кромптон, Аркрайт учились в часовых мастерских. Именно у английских часовщиков они перенял умение воплощать свои технические идеи в реальные, действующие механизмы.
Хронометры широко использовались для определения долгот важных астрономических пунктов. Из пункта в пункт везли на кораблях или каретах комплекс из нескольких хронометров - это называлось хронометрическим рейсом. Использование нескольких хронометров служило гарантией о грубых ошибок из-за неисправности одного из них, повышало точность определения долгот.
Точнейшие хронометрические экспедиции были предприняты в 1843 и 1845 гг. по инициативе основателя Пулковской обсерватории и обсерватории в городе Альтоне в течение лета 1843 г было совершено 16 морских переездов из Санкт-Петербурга в Альтону и обратно с 68 хронометрами. Это позволило определить долготу Пулкова относительно Альтоны с точностью до ±0s,06. Через два года разности долгот между Пулковым, Москвой и Варшавой определялись по результатам восьмикратной перевозки в рессорном фургоне 40 хронометров.
Значение хронометров при определении долгот резко пошло на спад с изобретением телеграфа. Время нулевого меридиана стало передаваться пункт наблюдений по телеграфу. А впоследствии телеграф заменило радио. Сравнивая передаваемое специальным образом по радио время нулевого меридиана с местным временем в пункте наблюдения, астрономы определяют географические долготы с точностью до сотых и тысячных долей секунды времени.
Проблема определения времени географических долгот как одна из сложнейших проблем астрономии XVII - XVIII вв. в наше время перестала существовать.
А в наследство от былого времени кое-где сохранились старинные традиции. Чтобы оповещать горожан о точном времени, на башнях прежде устанавливались часы-куранты с громким боем, а в крупных городах точно в полдень палила пушка.
Определение географической долготы места из уравнения времени
Долгота места определяется как разность местного времени полдня местонахождения наблюдателя Тн и местного времени в данный момент времени в Гринвиче Тгр.
Λ= Тн - Тгр (1)
Местное время полдня:
Тн= 12+η, (2)
Где η - временная поправка на данный день. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Тогда Тгр будет равно:
Тд= Тд - (n+1) (3)
По карте часовых поясов определяем свой часовой пояс n. Определяем момент кульминации Солнца в данный день по декретному времени. Для этого используем следующий метод определения направления полуденной линии.
На ровной площадке закапываем прямой столбик высотой около 1 м, его вертикальность контролируем с помощью отвеса. Вокруг этого столбика выравниваем площадку с северной его стороны радиусом ≈1 м и площадью ≈0,5πR2. Горизонтальность площадки проверяем с помощью плотницкого уровня. Сам столбик должен быть достаточно тонким (диаметр ≈1 см).
Наблюдение за тенью от столбика начинаем за полтора часа до наступления полдня. Начав наблюдения, записываем время и фиксируем конец столбика гвоздем. Измеряем расстояние от основания столбика до отмеченной точки. Результат записываем. Такие измерения делаем через 15÷20 мин в течение 3 часов. Все гвозди оставляем на своих местах. По окончании наблюдений через точки нахождения гвоздей проводим плавную линию. Находим на ней точку, соответствующую самой короткой тени. Соединив основание столбика и эту точку прямой линией, получим полуденную линию. Измерения повторяем неоднократно, уменьшая время наблюдения до 1 часа, а интервалы между отмеченными точками до 2 - 5 мин. По данным проведенных работ строим зависимость длины тени от времени (табл. 1). По графику определяем момент наступления полдня по местному времени и высоту Солнца (рис.1) В таблицах приведены результаты измерений от 05, 14, 21 09.2008 г. Можно определить момент кульминации Солнца при помощи квадрант-высотометра, который устанавливают в направлении полуденной линии (рис. )
По сигналам точного времени г. Минска устанавливаем, а затем через 12 ч проверяем ход своих часов. Для наблюдений используем часы, которые в течении суток уходят вперед или отстают не более чем на 30 с.
Не в середину доски, а ближе к любому краю вбили гвоздь, неглубоко. С помощью прямоугольного треугольника проверили его вертикальность. Вышли на открытое место прямой видимости полуденного Солнца. С помощью плотницкого уровня установили доску горизонтально на месте, удобном для наблюдения длины тени от гвоздя. Наблюдения начинали приблизительно за 1 час до предполагаемого наступления полдня. Записывали время и на доске отмечали местонахождение конца тени точкой. Так поступали через интервал времени 2-5 мин в течение 2 часов. В таблице 2 приведены результаты подобных измерений , проведенных в п. Лесном 14.09.2008 г.
Таблица 1 (05.09.2008 г.)
|
L(мм) тени |
106,5 |
105 |
104,7 |
104,5 |
103,5 |
103,2 |
103,9 |
|
t |
12 ч 00мин |
5 |
7 |
10 |
12 |
14 |
22 |
|
L (мм) тени |
103,7 |
104 |
104,6 |
105 |
106 |
106,5 |
|
t |
30 |
36 |
40 |
47 |
55 |
13 ч 00 мин |
Таблица 2 (14.09.2008 г.)
|
L(мм) тени |
111 |
110,5 |
110,1 |
109,7 |
109,1 |
108,5 |
108,8 |
|
t |
12 ч 01 мин |
4 |
6 |
9 |
11 |
14 |
21 |
|
L(мм) тени |
109 |
109,2 |
109,3 |
110 |
110,5 |
111 |
|
t |
27 |
33 |
40 |
48 |
56 |
13 ч 00 мин |
Таблица 3 (21.09.2008 г.)
|
L(мм) тени |
115 |
114,7 |
114,4 |
114 |
113,7 |
113 |
113,4 |
|
t |
12 ч 00 мин |
5 |
7 |
10 |
12 |
14 |
21 |
|
L(мм) тени |
113,8 |
114 |
114,2 |
114,5 |
114,7 |
115 |
|
t |
28 |
35 |
42 |
49 |
55 |
13 ч 58 мин |
Построили график зависимости длины тени от времени и определили момент полдня по данному графику. Из графика №3 следует, что время кульминации Солнца составляет 12 ч 14 мин, а минимальная длина тени 113 мм. Долготу г.Гомеля определяем так
∆t= Тг - Тм=12 ч 14 мин - 12 ч 00 мин = 14 мин;
Λг= λм + ∆t=1ч 50м00с + 00ч14м00с = 02ч04м00с .
В градусной мере λг = 31˚ 00' восточнее Гринвича.
Вывод. Долгота Гомеля
Λг = 02ч4м; λг = 31˚ 00'.
географический координата часовой пояс время
Заключение. Выводы
В заключение нужно отметить тот факт, что необходимость в точном определении моментов и промежутков времени стимулировала развитие астрономии и физики. Вплоть до середины XX в. Астрономические способы измерения, хранения времени и эталоны времени лежали в основе деятельности мировой Службы времени. Точность хода часов контролировалась и корректировалась астрономическими наблюдениями. В настоящее время развитие физики привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени. Современные атомные часы дают ошибку в 1 с за 10 млн. лет. С помощью этих часов и других приборов были уточнены многие характеристики видимого и истинного движения космических тел, открыты новые космические явления, в том числе изменения в скорости вращения Земли вокруг своей приблизительно на 0,01 с в течение года.
Современное общество не может обходиться без знания точного времени и координат пунктов на земной поверхности, без точных географических и топографических карт, необходимых для мореплавания, авиации и многих других практических вопросов жизнедеятельности.
Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полдня или кульминацией звезд с известными экваториальными координатами в двух пунктах земной поверхности равна разности значений географической долготы этих пунктов, что дает возможность определения долготы конкретного пункта из астрономических наблюдений Солнца или других светил и, наоборот, местного времени в любом пункте с известной долготой.
Литература
1. Я.И. Перельман «Занимательная астрономия»
2. П.И. Бакулин, Э.В. Кононович, В.И. Морозов «Курс общей астрономии»
. Крис Китчин «Иллюстрированный словарь практической астрономии»
. Большая астрономическая энциклопедия
. Краткая географическая энциклопедия
. Википедия.ru
. А.А. Гурштейн «Извечные тайны неба»
. О.С. Николаев «Физика и астрономия»