Astronawigacja, najstarsza córa astronomii, była od starożytności do lat 70. ubiegłego wieku głównym sposobem prowadzenia okrętu po obszarach wodnych Ziemi w warunkach oderwania się od lądu. Sceneria tego działu nawigacji jest urzekająca. Oto ciemny aksamit olbrzymiej kopuły nieba skrzące-go się gwiezdnym pyłem. Na jeskrzące-go tle rozsypane klejnoty miskrzące-gocących w nieskończonej dali gwiazd. Dookoła bezmiar oceanu i pusta linia widnokręgu. Samotny okręt, odległy o setki i tysiące mil od lądu, podąża do celu. Prowadzi go człowiek według tych właśnie gwiazd… Jak? Czy można to opisać
języ-kiem prostym, zrozumiałym i jednocześnie wystarczająco ścisłym?
na Wyspy Kanaryjskie, skąd po do-konaniu w ciągu miesiąca remontów i zmianie ożaglowania eskadra ruszyła z wyspy Gomera na tzw. „Morze Ciem-ności”, trzymając się 28 równoleżnika, co pokazuje schematycznie rysunek 1. Kolumb kazał sterować kursem 270o, tj. na zachód, i określał szerokość geo-graficzną w południe ze Słońca oraz o świcie i zmierzchu z Gwiazdy Polar-nej. Jeśli szerokość była większa, po-prawiał kurs kilka stopni w lewo, czyli bardziej na południe, jeśli mniejsza — bardziej na północ. Jednak na sze-ściu mapach morskich wielkiego
Ge-nueńczyka wyrysowanych na baranich skórach brak było jeszcze siatki współ-rzędnych geograficznych.
Dobowe przebiegi Kolumb po-mniejszał w dzienniku okrętowym, co mogło świadczyć, że znał w przybli-żeniu faktyczną drogę, jaką jego statki miały do przebycia, a zabezpieczało go przed buntem załogi, która chcia-ła zawrócić. Kolumb musiał posiadać wiedzę o pasatach oraz o tym, że wa-runki żeglugi na tych szerokościach są dogodne. Po 34 dniach żeglugi odkryto pierwszy ląd, tj. jedną z Wysp Bahama, a później Kubę i Haiti.
Astronawigacja (3)
Przed odkryciem Ameryki Kolumb bardzo dużo żeglował, zbierał mapy oraz informacje nawigacyjne i zdobył duże doświadczenie. Posługiwał się do-brą mapą kartografa Toskanellego, do mierzenia prędkości używał logu bur-towego, a do głębokości sondy z cię-żarkiem na sznurku. Wiemy, że rozwój ważnej pomocy nawigacyjnej, jaką były locje, odbywał się w średniowie-czu bardzo powoli i w sposób przy-padkowy. Dopiero w okresie renesansu w portugalskim Sagres oraz w hisz-pańskiej Barcelonie zajęto się locjami w sposób systematyczny. Przed podró-żą Kolumba została wydana w roku 1490 locja pt. „Portolano Rizo” oraz pierwsze almanachy, pierwowzory dzisiejszych roczników astronomicz-nych używaastronomicz-nych w astronawigacji.
Przełom XV i XVI w. jest okresem silnej rywalizacji Portugalii i Hiszpa-nii. Kolumb swoich doświadczeń nie przekazał, ale dopłynąwszy i powró-ciwszy szczęśliwie z Morza Karaib-skiego, udowodnił innym, że takie podróże są możliwe przy ówczesnym poziomie nawigacji.
Czterech wielkich żeglarzy koń-ca XV w: Kolumba, Da Gamę, Dia-za i Cabrala można nazwać nie tylko wielkimi odkrywcami, ale i wielkimi nawigatorami, gdyż każdy z nich miał znaczące sukcesy w żegludze zarówno przybrzeżnej, jak i oceanicznej. Wiel-kim nawigatorem początku XVI w. był z kolei Magellan. Niestety wszy-scy ówcześni nawigatorzy borykali się z małą dokładnością pomiarów jeszcze przez dwa wieki, do czasu wynalezie-nia kątomierza lusterkowego.
Drogę rozwojową kątomierzy luster-kowych zapoczątkował londyński fizyk i matematyk, członek Royal Society Robert Hooke w roku 1666, ale nie do-prowadził jej do końca. Opierając się na znanej zasadzie równości kątów pa-dania i odbicia od lustrzanej powierzch-ni był już na dobrym tropie (rys. 2). Jeśli obserwator trzymałby je pionowo, widziałby w nim własną twarz. Na ry-sunku płaszczyzna lusterka odchylona jest od pionu o 45o , a obserwator widzi gwiazdę znajdującą się w zenicie. Gdy-by lusterko zamocować na osi, to jego rączka, przesuwając się po wyskalowa-nym łuku, wskaże nam zawsze kąt dwa razy mniejszy od wysokości gwiazdy.
Podstawowym niedomaga-niem takiego kątomierza jest możliwość mierzenia wyso-kości gwiazd znajdujących się wyłącznie za obserwatorem, przy czym gwiazdy znajdują-ce się nisko nad widnokręgiem będzie on zasłaniał swoją gło-wą. Niedogodność tę usunął Izaak Newton, który w 1699 r. wynalazł kątomierz z dwo-ma lusterkami taki, że można mierzyć nim wysokość ciał niebieskich znajdujących się przed obserwatorem (rys. 3). Opis tego wynalazku zo-stał przetrzymany w biurku do roku 1731 przez astrono-ma Edmunda Halleya, pre-zydenta londyńskiego Royal Society — a więc ponad trzy-dzieści lat!
Ponieważ poszukiwania nowego, dokładniejszego
ką-tomierza morskiego prowadziło rów-nocześnie wiele osób, wynalazek o na-zwie sekstant zgłosił do tejże instytucji w roku 1730 Amerykanin Thomas God-frey, pracujący w Filadelfii jako szklarz (zawód szklarza miał wówczas wysoki status społeczny i wymagał znajomości optyki). Wynalazek Godfreya został jed-nak rozpatrzony dopiero w roku 1733 razem z oktantem, zgłoszonym w roku 1731 przez wiceprezydenta Royal So-ciety Johna Hadleya.
Na rysunku 3 przedstawiono ideę kątomierza Newtonowskiego z dwo-ma lusterkami — ozdobne lusterko z rączką ma powierzchnię odbijającą tak ustawioną, że odbija się od niej pro-mień biegnący od gwiazdy znajdującej się przed obserwatorem, toteż na jego drodze musi być ustawione jeszcze jed-no lusterko, aby promień odbity po raz drugi wpadł następnie do oka obser-watora. To drugie nieruchome lusterko jest jeszcze dodatkowo podzielone
pio-Rys. 2. Zasada zagęszczenia skali
nowo na połowy, z których jedna jest lusterkiem, a druga przezroczystym szkiełkiem. To rozwiązanie pozwala nawigatorowi widzieć w połówce lu-strzanej odbity obraz gwiazdy i rów-nocześnie w połówce przezroczystej poziomą linię widnokręgu. Wtedy wła-śnie, gdy ta linia oddzielająca ciem-niejszą wodę od jasnego nieba zostanie „dotknięta” przez obraz gwiazdy, rącz-ka lusterrącz-ka ruchomego wsrącz-kazuje jej wysokość, z tym że odchylenie o 22o
od położenia zerowego odpowiada wysokości gwiazdy wynoszącej 44o, a więc dla wygody należy skalować podziałkę od razu w podwójnym za-gęszczeniu. Nazwa sekstant pochodzi od liczebnika łacińskiego — instru-ment sporządzony przez Godfreya pozwalał mierzyć kąty od 0o do 120o, a więc łuk, na którym była podziałka, wynosił 60o, co jest szóstą częścią koła. Kątomierz Hadleya miał łuk wynoszą-cy ósmą część koła, stąd nazwa oktant — dziś każdy z tych instrumentów nazywany jest umownie sekstantem. Zasada działania oktanu i sekstantu jest identyczna.
Próby przeprowadzone na otwartym morzu z użyciem sekstantu wykazały, że można nim mierzyć kąty z dokład-nością daleko większą od wymaganej, gdyż promień światła jest linią nieskoń-czenie cienką, to znaczy nie ma grubo-ści, a więc odbity od gładzi lusterka daje idealny dla nawigacji pomiar wzniesie-nia ciała niebieskiego nad
widnokrę-Astronawigacja (3)
giem. Rysunek 4 przedstawia uprosz-czony obraz sekstantu. Lusterka przed-stawione są jako krawędzie, a lunetka obserwacyjna skierowana jest na luster-ko nieruchome, podzielone na część od-bijającą i przezroczystą. Podstawa ramy nazywa się limbusem i zawiera podział-kę. U szczytu znajduje się oś obrotu ra-mienia ruchomego nazywanego alidadą, której drugi koniec ślizgający się po lim-busie ma wycięte okienko z podziałką nazywane w Polsce błędnie noniuszem (prawidłowa nazwa: vernier).
Rys. 5. Hebanowy sekstant z żaglowca „Great Republic”
Rys. 4. Schemat sekstantu
Wynalezienie sekstantu jest dla na-wigacji bardzo doniosłe — stworzono instrument, za pomocą którego można określać podczas dobrych warunków pozycję przez cały dzień ze Słońca, a o świcie i zmierzchu z gwiazd. Przy-rząd był prosty i miał nieskomplikowa-ną budowę, czyli mógł być produkowa-ny w małych warsztatach.
Z czasem zamiast noniusza zamon-towano bębenek śruby mikrometrycz-nej z 60 minutami kątowymi na obwo-dzie — pełen obrót bębenka przesuwał po limbusie ramię z lusterkiem rucho-mym o jeden stopień. Pierwsze oktanty i sekstanty miały ramę z hebanu, zaś alidadę i mocowania lusterek oraz lu-netki z mosiądzu. Dzisiejsze sekstanty wykonane są całkowicie ze stopów me-talowych (ewentualnie najtańsze z pla-stiku). Hebanowe sekstanty są pożąda-ne przez muzea morskie i prywatnych kolekcjonerów. Przywiozłem w swoim czasie z USA dla szczecińskiego mu-zeum jeden z najsławniejszych heba-nowych sekstantów (rys. 5) — instru-ment uratowany z pożaru żaglowca „Great Republic”. Zachowała się tak-że jego drewniana skrzynia o kolorze skrzypiec oraz certyfikat częściowo nadgryziony przez szczury. Okoliczno-ści jego pozyskania opisałem w książce „Opowieści nawigacyjne”.