Vào năm 1492 khi Columbus vượt Đại Tây Dương, mặc dù có thể đo được vĩ độ (thường là từ quan sát Sao Cực), nhưng không có cách nào đáng tin cậy để đo kinh độ của một con tàu khi ở ngoài tầm nhìn của đất liền. Các biểu đồ không chính xác và không đầy đủ và phần lớn Thế giới vẫn chưa được khám phá. Khi các tuyến đường thương mại được mở ra, việc tìm ra giải pháp cho vấn đề kinh độ ngày càng trở nên cấp thiết. Các quốc gia hàng hải ở Châu Âu đưa ra nhiều phần thưởng hoặc giải thưởng lớn.
Mối liên hệ giữa kinh độ và thời gian
Mỗi 15° kinh độ tương đương với chênh lệch thời gian một giờ. Về lý thuyết, để biết mình cách quê hương bao xa về phía đông hay phía tây, tất cả những gì một thủy thủ phải làm là xác định giờ địa phương của mình từ việc quan sát Mặt trời hoặc các ngôi sao và so sánh với thời gian ở quê nhà vào cùng thời điểm đó. . Tuy nhiên, làm thế nào một thủy thủ ở những năm 1500 có thể biết thời gian ở quê nhà?
Ý tưởng mang một chiếc đồng hồ ra biển đã được cân nhắc, nhưng ngay cả những chiếc tốt nhất cũng không chính xác nên không thể sử dụng được. Những cải tiến đi kèm với sự ra đời của đồng hồ quả lắc vào năm 1657 là một bước tiến quan trọng và mang tính cách mạng trong thiên văn học vị trí. Tuy nhiên, trên một con tàu đang di chuyển, người ta thấy một con lắc đập không đều và đôi khi dừng hẳn.
Mặt trăng như một chiếc đồng hồ
Khi đo so với nền của các ngôi sao, Mặt trăng di chuyển xấp xỉ đường kính của chính nó theo hướng đông mỗi giờ. Năm 1514, Johann Werner ở Nuremberg đề xuất sử dụng Mặt trăng làm đồng hồ thiên văn. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, các biểu đồ sao quá không chính xác và chuyển động chính xác của Mặt trăng cũng như hiệu ứng khúc xạ của bầu khí quyển Trái đất được hiểu quá kém nên không thể thực hiện được. Mãi cho đến khi phát minh ra kính thiên văn, đồng hồ quả lắc, vít micromet và logarit vào thế kỷ XVII, các nhà thiên văn học mới được trang bị những công cụ cần thiết để bắt đầu biến ý tưởng của Werner thành hiện thực.
Các vệ tinh của sao Mộc
Trong khi đó, vào năm 1610, không lâu sau khi phát minh ra kính thiên văn, Galileo đã phát hiện ra bốn vệ tinh lớn nhất của Sao Mộc. Ông và những người khác đã sớm quan sát thấy rằng nhật thực xảy ra ở những khoảng thời gian dường như đều đặn và cho rằng sự khác biệt về thời gian giữa thời gian xảy ra được quan sát và dự đoán tại một kinh tuyến tiêu chuẩn sẽ cho phép đo được sự khác biệt về kinh độ. Năm 1616, Galileo đệ trình phương pháp này cho người Tây Ban Nha nhằm cố gắng giành giải thưởng kinh độ của họ, nhưng không thuyết phục được họ về giá trị của nó. Khi người Hà Lan đưa ra giải thưởng về kinh độ, ông đã quay sang họ nhưng lại không thành công.
Io, vệ tinh trong cùng nhất có chu kỳ quỹ đạo khoảng 1¾ ngày và Callisto, vệ tinh ngoài cùng, có chu kỳ khoảng 17 ngày. Thông qua quan sát thường xuyên, Galileo đã hiểu rõ hơn về chuyển động của chúng và với kiến thức này đã có thể cải thiện các bảng biểu của ông về các chuyển động của chúng. phỏng đoán. Là một phương tiện tìm kiếm kinh độ trên biển, phương pháp này đã thất bại: kính thiên văn không chỉ tỏ ra không thể sử dụng trên một con tàu đang di chuyển mà khi Sao Mộc ở gần Mặt trời, có khoảng thời gian khoảng mười tuần nó sẽ trở nên vô hình. Tuy nhiên, sau khi phát minh ra đồng hồ quả lắc và sự giới thiệu các bảng biểu chính xác hơn của nhà thiên văn học người Pháp Cassini vào năm 1668, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để cải thiện bản đồ và biểu đồ. Phương pháp này vẫn được sử dụng cho đến đầu thế kỷ 19.
John Flamsteed và việc thành lập Đài thiên văn Hoàng gia
John Flamsteed là một nhà thiên văn người Anh sống vào thế kỷ 17 và 18. Ông được bổ nhiệm làm “Người quan sát thiên văn” bởi vua Charles II của Anh và có vai trò quan trọng trong việc thiết lập Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich. Nhiệm vụ chính của Flamsteed là hiệu chỉnh các bảng chuyển động của các vệ tinh của Sao Mộc và xây dựng danh mục sao để cải thiện việc định hướng trên biển bằng phương pháp khoảng cách mặt trăng.
Flamsteed bắt đầu nhiệm vụ của mình vào năm 1675, khi vua Charles II ban hành lệnh xây dựng Đài quan sát tại Greenwich. Ông đã thực hiện các quan sát thiên văn và thu thập dữ liệu trong suốt nhiều năm bằng các thiết bị lớn và ống ngắm kính thiên văn. Mục tiêu của ông là hiệu chỉnh vị trí chính xác của các ngôi sao cố định và tiến hành các quan sát về vị trí của Mặt trăng để cải thiện phương pháp khoảng cách mặt trăng.
Trong quá trình này, ông đã gặp nhiều khó khăn và tiến triển ban đầu rất chậm. Tuy nhiên, sau khi có được sự hỗ trợ từ trợ lý Abraham Sharp và có đủ tài chính sau cái chết của cha mình, ông đã xây dựng được bức tranh tường vòng cung chính xác. Nhờ đó, ông thu thập được dữ liệu cần thiết cho danh mục 2.935 ngôi sao của mình.
Danh mục sao của Flamsteed sau đó được xuất bản vào năm 1725, và mặc dù có một số sai sót, nó vẫn đủ chính xác để sử dụng cho việc định hướng trên biển bằng phương pháp khoảng cách mặt trăng. Việc của ông đánh dấu bước quan trọng trong phát triển của thiên văn học và định hướng biển trong thế kỷ 17 và 18, và Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich vẫn là một trong những cơ sở quan trọng trong lĩnh vực này đến ngày nay.
Việc thành lập Ban Kinh độ
Với phương pháp đo khoảng cách mặt trăng vẫn chưa hoàn thiện, Chính phủ Anh vào năm 1714 đã thành lập Ban Kinh độ. Họ đưa ra phần thưởng cho bất kỳ ai có thể tìm ra phương tiện đo kinh độ trên biển: ‘Phần thưởng Tổng trị giá Mười nghìn Bảng Anh, nếu Ban kinh độ Xác định được Kinh độ nói trên đến Một Độ của một Vòng tròn lớn, hoặc Sáu mươi Dặm Địa lý: đến Mười lăm nghìn Bảng Anh nếu nó Xác định giống nhau với Hai phần ba Khoảng cách đó và với Hai mươi nghìn Bảng Anh, nếu nó Xác định giống nhau với Một nửa của cùng một Khoảng cách’.
Ban này cũng được trao quyền đề nghị số tiền nhỏ hơn cho các phương pháp kém chính xác hơn và chi tới 2.000 bảng Anh cho các thử nghiệm được coi là có khả năng mang lại kết quả hữu ích.
Vấn đề với Mặt trăng
Người kế nhiệm của Flamsteed, Edmond Halley, tập trung vào việc quan sát Mặt Trăng. Sự tương tác giữa lực hấp dẫn trên Mặt trăng từ Trái đất và Mặt trời gây ra sự bất thường trong quỹ đạo của Mặt trăng. Lực kéo của Mặt trời tăng tốc cho Mặt trăng khi nó di chuyển về phía nó và làm chậm nó khi nó di chuyển ra xa. Mặc dù Mặt trăng quay trở lại vị trí gần như cũ trên bầu trời từ tháng này sang tháng khác, nhưng đường đi chính xác mà nó đi theo lại khác nhau. Dù cố gắng đến đâu, các nhà thiên văn học và toán học vẫn không thể mô hình hóa quỹ đạo một cách đầy đủ. Do đó, Halley quyết định quan sát Mặt trăng trong khoảng thời gian của một chu kỳ Saros hoàn chỉnh, hơn 18 năm một chút và thời gian để Mặt trời và Mặt trăng trên Trái đất trở lại hình dạng gần giống nhau và sử dụng dữ liệu này để tạo ra các bảng mặt trăng của mình. Khi các bảng cuối cùng đã được xuất bản,
Sự phát minh ra góc phần tư
Trong khi đó, vào năm 1731, John Hadley đã phát minh ra thước đo phản xạ, dụng cụ đầu tiên có khả năng thực hiện các phép đo góc trên tàu với độ chính xác đủ để phương pháp khoảng cách mặt trăng hoạt động được. Mặc dù đây là một bước phát triển quan trọng nhưng Hadley không đủ điều kiện để nhận phần thưởng từ Hội đồng Kinh độ theo các điều khoản của đạo luật. Vài năm sau, vào năm 1737, Hội đồng đã trao giải thưởng đầu tiên. Cái này thuộc về John Harrison, người đã được thưởng 250 bảng Anh ‘vì đã cho phép anh ta thực hiện một Thí nghiệm về Máy do anh ta phát minh ra với tính chất là Công việc Đồng hồ để lưu giữ Thời gian trên biển và tạo ra một Thử nghiệm khác có cùng Bản chất nhưng có Kích thước nhỏ hơn’.
Vai trò của các nhà toán học và sự phát triển của kính lục phân
Được thúc đẩy bởi nhiều giải thưởng khác nhau do Học viện St Petersburg trao tặng vào đầu những năm 1750, các nhà toán học và thiên văn học trên lục địa đã công bố các lý thuyết và bảng biểu về mặt trăng mới. Cuối cùng, Tobias Mayer là người đầu tiên tạo ra một bộ bảng có đủ độ chính xác để tính khoảng cách mặt trăng. Được tổng hợp từ các phương trình của Euler và từ những quan sát của chính ông cũng như của Bradley tại Greenwich, chúng được xuất bản vào năm 1753. Mayer được Euler khuyến khích nộp đơn xin khen thưởng từ Hội đồng Kinh độ. Năm 1755, ông gửi một bản sao của những chiếc bàn này cho Đô đốc Lord Anson, Lãnh chúa thứ nhất của Bộ Hải quân và Chủ tịch Hội đồng quản trị, cùng với một mô hình một thiết bị cầm tay do chính ông thiết kế. Kết quả của các cuộc thử nghiệm trên biển do Thuyền trưởng John Campbell thay mặt Hội đồng thực hiện là không thuyết phục. Dụng cụ quan sát của Mayer nặng và khó sử dụng, nhưng lại có một số lợi thế so với Góc phần tư Hadley. Campbell đã kết hợp những điều này cùng với những yếu tố tốt nhất của Quadrant vào một nhạc cụ mới, kính lục phân hàng hải mà ông đã tiếp tục phát triển cùng với nhà sản xuất nhạc cụ John Bird.
Người Pháp dẫn đường
Cùng năm mà các bảng của Mayer được xuất bản, nhà thiên văn học người Pháp Lacaille đã trở thành người đầu tiên sử dụng thành công khoảng cách mặt trăng trên biển khi ông sử dụng các bảng mặt trăng của chính mình trong chuyến hành trình từ Mũi Hảo Vọng đến Pháp. Phương pháp của ông sau đó đã được Lalande giải thích trong ấn bản Almanac Connaissance des Temps của Pháp xuất bản năm 1761. Nó chứa các sơ đồ cho các giải pháp đồ họa và các bảng tính toán trước khoảng cách mặt trăng cứ bốn giờ một lần trong tháng Bảy. Các bảng của Mayer đã được Maskelyne kiểm tra trong chuyến hành trình quan sát Sự đi qua của Sao Kim ở St Helena năm 1762. Anh ta cũng mang theo một bản sao của Connaissance des Temps . Sau khi đạt được độ chính xác nhìn chung tốt hơn 1°, khi trở về ông đã xuất bản cuốn Hướng dẫn của thủy thủ người Anh., kết hợp các bảng của Mayer và giải thích cách sử dụng phương pháp này trên biển. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn không thực tế đối với tất cả mọi người trừ một số ít người do tính phức tạp của các phép tính cần thiết, bản thân Maskelyne đã phải mất tới bốn giờ để hoàn thành chúng.
John Harrison và những chiếc đồng hồ của ông
Trong khi tất cả những điều này đang diễn ra, John Harrison, sau hơn 20 năm cố gắng, cuối cùng đã chế tạo được một chiếc máy chấm công mà ông tin rằng sẽ giữ thời gian tốt trên biển và mang về cho ông giải thưởng kinh độ mà ông mong muốn. Hiện được gọi là H4, nó được thử nghiệm lần đầu tiên trên tàu vào năm 1761. Cuộc thử nghiệm trên biển thứ hai diễn ra vào năm 1764, với Maskelyne được cử đi trước để xác định kinh độ của Barbados từ các quan sát vệ tinh của Sao Mộc. Không lâu trước khi ông qua đời vào năm 1762, Mayer đã chuẩn bị một bộ bảng chính xác hơn, sau đó người vợ góa của ông đã gửi đến Ban Kinh độ, người đã sắp xếp để Maskelyne kiểm tra chúng trong cùng chuyến đi Barbados. Vào tháng 2 năm 1765, Maskelyne trở thành Nhà thiên văn học Hoàng gia thứ năm. Ngay sau đó, một Đạo luật Kinh độ mới được thông qua đã thay đổi cách thức trao giải kinh độ. Vào tháng 5 năm 1765, Hội đồng đã trao thưởng cho người vợ góa của Mayer £3.000 cho các bảng mặt trăng và Euler £300 cho ‘Các định lý do ông ấy cung cấp để hỗ trợ Giáo sư Mayer trong việc xây dựng các bảng mặt trăng dựa trên Nguyên lý Hấp dẫn do Ngài Isaac Newton đặt ra’. Cuối năm đó, Harrison được thưởng 7.500 bảng, nâng tổng số tiền mà anh nhận được cho chiếc H4 đã hoàn thành lên 10.000 bảng.
Hai giải pháp – nhưng không khả thi
Tại thời điểm này, mặc dù cả máy chấm công của Harrison và phương pháp đo khoảng cách mặt trăng đều hoạt động, nhưng cả hai đều không thực tế chút nào: phương pháp trước là do một máy chấm công không đủ cho cả một quốc gia và phương pháp sau là do nó đòi hỏi quá nhiều công việc, dưới dạng nhiều giờ làm việc. tính toán. Mặc dù vậy, Lacaille đã chỉ ra con đường phía trước và điều này đã được Maskelyne nhấn mạnh trong lời nói đầu của cuốn Hướng dẫn dành cho thủy thủ người Anh.nơi ông ấy đã viết ‘ … Tuy nhiên, tôi sở hữu, điều đáng mong đợi hơn là những phần tính toán như vậy có thể thuận tiện, được thực hiện trước đây trên đất liền bởi những người có năng lực và thỉnh thoảng được xuất bản vì lợi ích chung của việc điều hướng ; đặc biệt, vì không chỉ phần lớn hơn nhiều mà còn là phần hay nhất của các phép tính thuộc loại này: vì nếu kinh độ và vĩ độ của mặt trăng được tính toán trước mỗi 12 giờ trong năm, và từ đó khoảng cách của nó với mặt trời hoặc một hành tinh thích hợp sẽ được tính toán trước. ngôi sao ở mỗi bên của cô ấy, được tính toán cẩn thận cứ sau sáu giờ và các tính toán đã đưa ra một khoảng thời gian thuận tiện trước đó, tôi không hiểu tại sao kinh độ có thể không được tìm thấy phổ biến trên biển bằng phương pháp này, vì vĩ độ là hiện tại.’
Niên lịch hàng hải
Năm 1767, phương pháp đo khoảng cách mặt trăng đã trở thành hiện thực với việc Maskelyne xuất bản cuốn Niên lịch Hàng hải đầu tiên . Nó chứa một bộ bảng hiển thị vị trí của Mặt trăng trong năm 1767. Vị trí góc của Mặt trăng so với các ngôi sao sáng gần đó được liệt kê theo khoảng thời gian ba giờ theo giờ Greenwich. Đối với cả phiên bản này và chín phiên bản tiếp theo, vị trí của mặt trăng được tính toán từ bảng của Mayer.
Để xác định kinh độ của mình, một thủy thủ phải đo góc giữa tâm Mặt trăng và một ngôi sao được liệt kê (khoảng cách mặt trăng) cùng với độ cao của cả hai. Tiếp theo, anh phải tính giờ địa phương của riêng mình và điều chỉnh vị trí của Mặt trăng theo hiệu ứng song song của thị sai và khúc xạ. Thời gian tương ứng với tại Greenwich sau đó được xác định từ Niên lịch Hàng hải . Từ sự khác biệt giữa giờ này và giờ địa phương, ông có thể tính ra sự khác biệt về kinh độ từ Kinh tuyến của Đài quan sát Hoàng gia ở Greenwich. Để làm cho toàn bộ quá trình trở nên đơn giản nhất có thể, Maskelyne đồng thời xuất bản Yêu cầu về Bàn. Nó chứa đựng, cùng với những thứ khác, các bảng để hiệu chỉnh các tác động của khúc xạ và thị sai, cùng với các hướng dẫn và ví dụ thực tế về cách sử dụng chúng.
Sự trỗi dậy của Greenwich
Vì vậy những năm 1760 đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực hàng hải. Sau nhiều năm không chắc chắn về kinh độ của mình trên biển, giờ đây các thủy thủ đã có hai cách đo. Cả hai phương pháp đều hoạt động bằng cách đo sự khác biệt về thời gian. Phương pháp khoảng cách mặt trăng, sử dụng kính lục phân và Niên lịch hàng hải, đã đưa ra những khác biệt về thời gian (và do đó là sự khác biệt về kinh độ) so với Greenwich. Mặt khác, máy chấm công cơ học, hay còn gọi là máy đo thời gian hàng hải, cho phép đo trực tiếp sự khác biệt về thời gian so với bất kỳ thị trấn hoặc thành phố nào được chọn. Trong khi nguồn cung cấp đồng hồ đo góc phần tư, kính lục phân và niên giám đã có sẵn ngay từ đầu với giá rẻ và sẵn có thì đồng hồ bấm giờ ban đầu vừa đắt vừa khan hiếm. Phải đến những năm 1820, nguồn cung mới bắt kịp được nhu cầu và đến thời điểm đó, giá của chúng đã giảm xuống mức phải chăng hơn. Niên lịch đã được nhiều nước áp dụng. Kết quả là, khi Hội nghị Kinh tuyến Quốc tế họp vào năm 1884 để thống nhất về Kinh tuyến gốc cho thế giới, có nhiều thủy thủ đo kinh độ của họ từ Greenwich hơn bất kỳ nơi nào khác. Khi cuộc bỏ phiếu đưa ra nghị quyết: ‘Rằng Hội nghị đề xuất với các Chính phủ ở đây thể hiện việc thông qua kinh tuyến đi qua tâm của thiết bị chuyển tuyến tại Đài thiên văn Greenwich làm kinh tuyến ban đầu cho kinh độ’, nó đã được thông qua với 22 chính phủ ủng hộ nó, một phản đối và hai bỏ phiếu trắng.
Vệ tinh
Thời hoàng kim của phương pháp đo khoảng cách mặt trăng là từ năm 1780 cho đến năm 1840 khi việc sử dụng đồng hồ bấm giờ trở nên phổ biến hơn nhiều. Bảng khoảng cách mặt trăng cuối cùng được xuất bản trong Niên lịch Hàng hải là ấn bản năm 1906. Các thủy thủ ngày nay sử dụng GPS, một hệ thống định vị chính xác ban đầu được Hoa Kỳ phát triển cho mục đích quân sự.
Các thành phần chính là một bộ vệ tinh quay quanh Trái đất theo những quỹ đạo được xác định rõ ràng cùng với mạng lưới các trạm mặt đất. Các vệ tinh được sắp xếp thành sáu mặt phẳng quỹ đạo với bốn vệ tinh trong mỗi mặt phẳng. Ít nhất bốn cái luôn ‘có thể nhìn thấy’ từ mọi nơi trên Trái đất. Các vệ tinh truyền tín hiệu thời gian vô tuyến công suất thấp. Máy thu tính toán khoảng cách đến từng trạm dựa trên độ trễ thời gian nhận tín hiệu và sử dụng thông tin đó để tính toán vị trí của chính nó. Để làm điều này, máy thu phải biết chính xác vị trí của các vệ tinh vào thời điểm chính xác đó. Thông tin này được lưu trữ trong bộ nhớ của người nhận. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ giám sát vị trí chính xác của từng vệ tinh từ các trạm mặt đất và truyền các thông tin cập nhật như một phần tín hiệu của mỗi vệ tinh.
