Podróż przez czas i przestrzeń, czyli historia nawigacji cz. 1.

Nawigacja, dział wiedzy pozwalający odpowiedzieć na pytania gdzie jesteśmy i jak dotrzeć do naszego celu.

Na początku był chaos.

Człowiek w przeciwieństwie do niektórych gatunków ptaków, nigdy nie posiadał zaawansowanych cech wrodzonych, pozwalających mu na swobodne poruszanie się między dalekimi punktami na globie.

Gołębie pocztowe znane ze swoich imponujących umiejętności odnajdywania drogi do domu, zdolności nawigacyjne otrzymały w drodze ewolucji. Z czasem w celu przetrwania wykształciły umiejętność określania kierunków geograficznych, jak również wykrywania pola magnetycznego ziemi. 

Najdłuższy zarejestrowany lot gołębia pocztowego miał miejsce w 1931 roku, kiedy to ptak przeleciał z Arras we Francji do swojego domu w Sajgonie w Wietnamie, pokonując dystans 11,600km nad nieznanym terytorium do domu w zaledwie 24 dni.

Gatunek homo sapiens nie miał takiego szczęścia, zmysły jakimi się posługiwał, były zawodne. Jednak inteligencja pozwoliła na przezwyciężenie tych ograniczeń.

Mapy, drogowskazy i inne punkty orientacyjne pozwoliły na stworzenie systemu umożliwiającego przemieszczenie się z punktu A do punktu B. 

Początki nawigacji morskiej

Sytuacja nie wyglądała tak kolorowo w przypadku podróży morskich, co prawda istniała możliwość płynięcia wzdłuż brzegu, z której początkowo korzystano, jednak z czasem wraz z odkrywaniem nowych wysp i lądów, metoda ta stała się niewystarczająca.

Ze względu na krzywiznę ziemi, odległość, z której można dostrzec z okrętu ląd, jest ograniczona do kilkunastu kilometrów (w zależności od wysokości okrętu i gór, więcej lub mniej). Oddalając się od brzegu w celu zoptymalizowania trasy, natrafiliśmy na olbrzymią przeszkodę w postaci braków punktów odniesienia… choć nie do końca.

W rzeczywistości punkty odniesienia znajdują się nad naszymi głowami, gwiazdy i planety od wieków pozwalały ludziom odnaleźć drogę do celu. Jednak w jaki sposób wyciągnięto informacje z chaosu, jakim jest niebo? Cóż, żeby odpowiedzieć na to pytanie, musimy przenieść się w czasie o kilkanaście tysięcy lat.

Nawigacja polinezyjska

Prekursorami nawigacji morskiej, byli Polinezyjczycy, czyli lud pochodzący Azji Południowo-Wschodniej.

Polinezyjczycy ze względu na miejsce położenia, postawili duży nacisk na umiejętności nawigacji morskiej. Olbrzymia liczba wysp ustawiona niedaleko od siebie, dawała możliwości ich kolonizowania. Wystarczyło jedynie przepłynąć nieduży odcinek oceanu, by cieszyć się nowym lądem.

Polinezyjczycy swoje podróże morskie zaczęli prawdopodobnie kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt tysięcy lat temu. 

Początkowo podróżując w zasięgu widoczności lądu, by tysiące lat później spróbować przełamać ograniczenia i rozpocząć, wyprawy morskie pozbawione stałych punktów odniesienia.

Kilkanaście tysięcy lat to dużo czasu, aby nauczyć się nawigacji, techniki opracowane przez kolejne pokolenia przekazywane były drogą ustną często w formie pieśni. Mieszkańcy wysp utrzymywali gildię nawigatorów, czyli osób, które potrafiły doprowadzić statek do celu, cóż właściwie nie statek a łódź…

Polinezyjczycy korzystali bowiem z niedużych łodzi typu Canoe, przemierzając na ich pokładach tysiące kilometrów otwartego Oceanu Spokojnego.

Jakby tego było mało, podczas swoich podróży nie korzystali z żadnych zaawansowanych narzędzi nawigacyjnych czy szczegółowych map, można powiedzieć, że lud ten wykrzesał wszystko, co tylko się dało z prymitywnych metod nawigacji, osiągając mistrzostwo w tej dziedzinie.

Do odnalezienia drogi wykorzystywano praktycznie wszystko, co można zobaczyć z pokładu łodzi, w głównej mierze zadania nawigatorów polegały na zapamiętywaniu i odtwarzaniu trasy.

Najważniejszym punktem odniesienia było słońce, którego ruch pozwalał dobrać odpowiedni kierunek, w szczególności istotne były jego wschody i zachody. W nocy korzystano z punktów położenia gwiazd, jak również obserwacji wysokości fal, siły wiatru, czy też zachowania ptaków.

Niektóre lokalne gatunki ptaków, poszukiwały pokarmu w wodach oceanu, opuszczając swoje gniazdo w dzień i wracając do niego w nocy. Wysoki lot ptaków pozwalał na dostrzeżenie ich z daleka, dając nawigatorom wskazówkę co do położenia ich gniazda, tym samym obecności stałego lądu.

Harold Gatty zasugerował, że długodystansowe polinezyjskie wyprawy podążały sezonowymi ścieżkami migracji ptaków. W The Raft Book przewodniku przetrwania, który napisał dla amerykańskiego wojska podczas II wojny światowej, Gatty nakreślił różne polinezyjskie techniki nawigacji dla rozbitych żeglarzy i lotników.

Polinezyjczycy mieli pewne ułatwienie, korzystając z nawigacji gwiezdnej. Otóż większość ich podróży odbywała się blisko równika.

Dzięki temu obserwowane gwiazdy wschodziły i zachodziły niemal pionowo nad horyzontem, tym samym upraszczając zapamiętywanie i odtwarzanie trasy.

Polinezyjscy żeglarze wyznaczali kierunek według gwiazdy znajdującej się blisko horyzontu, zmieniając ją na inną, gdy pierwsza wznosiła się zbyt wysoko. Określona sekwencja gwiazd była zapamiętywania i odtwarzania dla każdej trasy, z uwzględnieniem zmian wynikających z pory roku.

W poszukiwaniu szerokości i długości geograficznej.

Europejczycy podeszli do tematu bardziej naukowo, skupiając się na zrozumieniu natury świata, w celu stworzenia narzędzi pozwalających wypłynąć w głąb oceanu, na podstawie współrzędnych geograficznych.

Jednak czym tak naprawdę są współrzędne geograficzne? Cóż jest to długość, szerokość i wysokość nad poziomem morza.

W przypadku podróży morskich wysokość nad poziomem morza była permanentnie zerowa, także nie odgrywała żadnej roli w doborze trasy.

Aby określić pozostałe dwie współrzędne, konieczne było stworzenie odpowiednich narzędzi. Zanim skupimy się na tym jak tego dokonać, wyjaśnijmy jak odczytywać współrzędne geograficzne.

Szerokość geograficzna

Szerokość geograficzna to nic innego jak łuk  na powierzchni kuli ziemskiej liczony od równika na północ i południe, mierzony w stopniach.

Litera znajdująca się na końcu wartości liczbowej wskazuje kierunek pomiaru, (północ lub południe).

Długość geograficzna

Długość geograficzna to, punkty położone na półkuli wschodniej, czyli na wschód od południka zerowego do 180° (symbol E), lub punkty położone na półkuli zachodniej, czyli na zachód od 0° do 180° (symbol W).

Punkt przecięcia południka i równoleżnika wyznaczonego danymi współrzędnymi określa lokalizację.

Określanie szerokości geograficznej.

Poznanie szerokości geograficznej, w porównaniu do odszukania długości geograficznej, było względnie proste. Najprostszą metodą, jaką stosowali mieszkańcy półkuli północnej, był pomiar wysokości gwiazdy polarnej nad horyzontem. (oraz pomiar wysokości słońca w samo południe)

Pozycja gwiazdy leży mniej niż 1° od bieguna północnego, dzięki czemu w przybliżeniu, nie zmienia swojego położenia na nocnym niebie (w czasie), dodatkowo wskazując swoją pozycją kierunek północny.

Specjalne właściwości gwiazdy polarnej stosowane były przez wszystkie cywilizacje zamieszkujące północną półkulę.

Jednak określenie kierunków geograficznych było dopiero początkiem, obserwacja gwiazdy umożliwiała bowiem poznanie szerokości geograficznej. W jaki sposób? 

Żeby ułatwić zrozumienie metody, warto przyjrzeć się tym trzem zdjęciom:

Zdjęcia przedstawiają pozycję gwiazdy polarnej na niebie, obserwowanej w różnych miejscach na Ziemi. (Islandia, Gibraltar, Bangi). Łatwo zauważyć, że gwiazda polarna znajduje się niżej nad horyzontem gdy znajdujemy się bliżej równika.

Mierząc wysokość gwiazdy nad horyzontem, możemy stwierdzić odległość kątową od równika, czyli nic innego jak szerokość geograficzną.

Skoro znamy już teorię, czas przeanalizować jak z tym zadaniem poradziły sobie wczesne cywilizacje.

Astrolabium

Jednym z pierwszych instrumentów nawigacyjnych potrafiącym zmierzyć kąt między horyzontem a ciałem niebieskim było astrolabium. Całe urządzenie spełniało jednak znacznie więcej funkcji.

  

W swojej najprostszej formie jest to metalowy dysk ze wzorem drutów, wycięć i perforacji, który pozwala użytkownikowi na precyzyjne obliczanie pozycji astronomicznych.

Urządzenie jest w stanie zmierzyć wysokość  ciała niebieskiego nad horyzontem, w dzień lub w nocy, może być używane do identyfikacji gwiazd lub planet, oraz do określania lokalnej szerokości geograficznej i czasu.

Wynalezienie astrolabium przypisuje się greckiemu astronomowi i matematykowi Hipparchosowi z Nikei (190 p.n.e- 120 p.n.e). Który stworzył je prawdopodobnie w celu określania godziny, za pomocą gwiazd.

Żeby lepiej zrozumieć jak działa astrolabium, warto przyjrzeć się dzisiejszym programom przewidującym położenie ciał niebieskich na niebie. Takim jak https://stellarium-web.org/ .

Program umożliwia obliczenie pozycji ciał niebieskich, w wybranym czasie i miejscu na Ziemi, jest to możliwe, ponieważ aktualnie ruch gwiazd i planet jest całkowicie przewidywalny, a zadanie obliczenia pozycji w danym miejscu i czasie jest problemem czysto matematycznym.

Grecy również podeszli do problemu czysto matematycznie, tworząc własny komputer potrafiący obliczyć położenie gwiazdy w danym dniu i godzinie.

Astrolabium jest tak naprawdę analogowym komputerem, stworzonym w celu pomiaru pozycji gwiazd, Słońca i planet na niebie, dzięki czemu użytkownik mógł znaleźć jeden stały punkt, a następnie obrócić tarczę astrolabium i uzyskać dokładny (dwuwymiarowy) widok całej półkuli niebieskie.

W przypadku gwiazd konieczne było określenie ruchu w przedziale czasu jednego roku astronomicznego (ok 365,25 dnia), po tym czasie gwiazdy wracają na swoją początkową pozycję. 

Oznacza to, że dokonując obserwacji nieba dzisiaj, oraz za 365,25 dnia, pozycja gwiazd na niebie będzie taka sama. Astrolabium miało więc za zadanie śledzenie ruchu wybranych gwiazd przez jeden rok.

Skoro astrolabium pozwalało określić położenie gwiazd w zależności od daty i czasu, pozwalało również na określenie daty i czasu na podstawie położenia gwiazd. Jako że data była raczej znana obserwatorowi, dość łatwo można było obliczyć sam czas, porównując położenie gwiazd ze wzorcem przedstawionym na urządzeniu.

Szczególnie pomocne w znalezieniu godziny w nocy, były gwiazdy z układu wielkiego wozu, które poruszają się dosyć przewidywalnie (oraz blisko) w odniesieniu do gwiazdy polarnej, okrążając ją w niecałe 24 godziny, jednocześnie (w wyniku nierównego dobowego cyklu) zmieniając pozycję w zależności od miesiąca.

Biorąc pod uwagę przewidywany ruch słońca po niebie, odpowiadający wybranej dacie, oraz pozycję charakterystycznych gwiazd, możliwe było określenie lokalnej godziny.

Niestety astrolabia zazwyczaj pozwalały na śledzenie ruchu gwiazd, na jednej określonej szerokości geograficznej. Chcąc użyć ich w miejscach oddalonych na północ lub południe konieczne było wymienienia tarczy na odpowiadającą danej szerokości.

Inne wczesne instrumenty nawigacyjne

Poza astrolabium, w starożytności i wczesnym średniowieczu korzystano z innych podobnych przyrządów, umożliwiających proste zmierzenie wysokości ciał niebieskich. Takich jak kwadrant czy kamal. 

Jednak metoda ich działania była bardzo zbliżona do pomiaru dokonywanego za pomocą astrolabium, a korzyści wynikające z większej precyzji były znikome. Tak więc astrolabia pozostawały najpopularniejszymi instrumentami nawigacyjnymi przez długie lata.

Poza określaniem szerokości geograficznej i lokalnego czasu, umiejętnością przydatną w nawigacji była możliwość określenia kierunków geograficznych, w szczególności podczas dnia.

W nocy obecność gwiazdy polarnej ułatwia znalezienie północy, tym samym pozostałych kierunków. Jednak w dzień sytuacja wyglądała dużo trudniej.

Pewne rozwiązanie problemu opracowali, jedni z najbardziej uzdolnionych żeglarzy w historii, wikingowie.

Podróże i nawigacja wikingów.

Wikingowie, czyli lud pochodzący głównie z terenów Norwegii i Danii, swoją sławę zyskał dzięki, olbrzymim umiejętnością żeglarskim i  wojskowym. W VIII i IX w. Wikingowie przemierzali tereny całej europy łupiąc narody, tym samym destabilizując władców. 

W Hiszpanii mieszkańcy nazywali ich “Pogańskimi czarodziejami” składając w ten sposób hołd, im imponującym zdolnościom nawigacyjnym. Jednak największym osiągnięciem była wyprawa do Islandii, Grenlandii i Ameryki Północnej.

Wikingowie nie korzystali z zaawansowanych narzędzi nawigacyjnych, w momencie ich podróży praktyczne kompasy magnetyczne nie zostały jeszcze wynalezione. Mimo wszystko byli w stanie określić kierunki geograficzne także w dzień, wielokrotnie dopływając do celu, płynąc daleko od widocznego lądu. Posłużyła im do tego tzw. tablica słoneczna.

Tablica słoneczna, to tak naprawdę prosty zegar słoneczny, składający się  ze słupka ustawionego na środku okrągłej tarczy. 

Wikingowie przygotowywali tego typu tablice przed swoimi wyprawami, mierząc długość cienia rzucanego przez pionowy słupek.

Metoda jest banalnie prosta od świtu do zmierzchu, co określony czas np. godzinę należało zaznaczyć koniec cienia, następnie połączyć wszystkie kropki, tym samym otrzymując dwuwymiarową reprezentację ruchu słońca po niebie.

Miejsce, gdzie nasza “linia” znajduje się najbliżej środka, reprezentuje kierunek południowy (słońce w samo południe znajduję się najwyżej na niebie, także słupek rzuca wtedy najmniejszy cień).

Aby za pomocą tablicy słonecznej określić kierunki geograficzne należało, postawić ją na płaskiej powierzchni i obracać w lewo lub prawo, tak aby końcówka cienia ustawiła się równo na naszej wcześniej przygotowanej linii.

Dzień wcześniej zaznaczyliśmy długość cienia dla każdej godziny, więc wykonując odwrotną operację polegającą na dopasowaniu długości cienia do linii, możemy odczytać aktualną godzinę.

Skoro nasza tablica pokazuję prawidłową godzinę, a cień poprawnie przemierza drogę równo z naszą wcześniej przygotowaną linią, oznacza to, że tablica jest właściwie ustawiona, tym samym wskazuje południe (w miejscu, gdzie linia znajduje się najbliżej środka).

Niestety metoda nie jest doskonała, bowiem słońce nie przemierza nieba dzień w dzień po tej samej trasie. Wysokość słońca zależy od pory roku i szerokości geograficznej. Problemem było również utrzymanie tablicy pionowo na pokładzie kołyszącego się statku.

Wikingowie, tworząc tablice słoneczne do kilku dni przed wyprawą, rozwiązali problem zmian wysokości słońca w zależności od daty. Natomiast aby utrzymać tablicę pionowo, ustawiano je w beczkach wypełnionych wodą.

Jednak wpływ wynikający ze zmiany szerokości geograficznej w trakcie podróży, nie mógł zostać łatwo wyeliminowany, mimo wszystkich wad wikingowie byli w stanie z ich pomocą dopłynąć do Ameryki Północnej 500 lat przed Kolumbem.

Koniec części pierwszej

Jak kompas zrewolucjonizował podróże morskie, po co żeglarze wyczekiwali zaćmień księżyca, dlaczego określenie długości geograficznej było dużym problemem, czym jest “dead reckoning”. To i wiele więcej poruszymy w drugiej części, która standardowo ukaże się, gdy będzie gotowa ;).

#ciekawostki #astronomia #historia #ciekawostkihistoryczne