Картография и навигация

Министерство  образования Украины

Одесская национальная морская академия

Р  Е  Ф  Е  Р  А  Т

Картография и навигация

ВЫПОЛНИЛ:

Курсантом 2 курса

фак. морского судовождения

группы 1129

Мачутадзе Р.А

Картография и навигация

История мореплавания, а, стало быть, и пиратства, самым тесным образом связана с историей навигации и картографии. Когда появились морские карты? Как люди в древности ориентировались в море? Ответить на эти вопросы не так просто, как может показаться вначале.

Конечно, плавание вдоль берегов не требует карт или каких-то специальных способов ориентации. Достаточно изучить береговую  линию. Большинство древних мореплавателей так и поступало, это, кстати, значительно  упрощало и снаряжение судна: не требовалось  иметь значительного запаса провианта  и пресной воды. А раз так, то, казалось бы, и приспособления для  навигации должны были бы появиться  совсем недавно. Но штука вся в  том, что длительные плавания совершались  уже тысячелетия назад, в то время, как первые сведения о каких-либо навигационных приборах относятся  к довольно позднему времени.

Современная наука считает, что индейцы обоих  американских континентов, также как  и папуасы островов Океании, происходят от сибирских племен, мигрировавших  через океан. Сибиряки оставили свой «след» в местах проживания майя, инков, ацтеков и других племен. Впрочем, есть и другие гипотезы на этот счет. Например, учеными не исключаются  миграции финикийцев или других народов, населявших Средиземноморье, через  Атлантический океан. Известным  путешественником и ученым Туром Хейердалом было предпринято несколько успешных экспедиций на «Кон-Тики» и «Ра» с целью подтвердить это предположение.

Как бы то ни было, речь, безусловно, идет о плаваниях  через океан, вдали от берегов, где  единственным ориентиром могло быть звездное небо, солнце и луна. Сегодня  считается, что первые мореплаватели  пользовались антретным ориентированием (т. е. На глаз) по небесным светилам. Восток и запад определяли по восходу и заходу солнца, а север и юг — по положению Полярной звезды или звезд из созвездия Южный крест.

Часто древние  мореплаватели брали с собой  клетки с птицами. Если корабль терялся  в море, то моряки периодически выпускали  птицу (часто — черного ворона). Если птица возвращалась назад, значит суши поблизости нет, а если же она  улетала в определенном направлении  — то корабль следовал за ней, полностью  доверяя пернатому: значит, птица  летит на сушу. Такой прием был  особенно популярен у скандинавов.

Геродот, описывая путешествия древних египтян (VI век до н. э.), упоминает, что те совершили путешествие вокруг африканского континента за три года.

Вероятно, это  дало толчок к появлению портулан, хотя точное время зарождения этих карт я бы не рискнул назвать даже приблизительно. Что же такое портуланы?

Средиземноморские мореплаватели испытали необходимость  иметь точные путеводители, которые  помогли бы вести торговлю на очень  больших расстояниях от родных портов. Из-за непостоянства ветров удаляться  от берегов в Средиземном море можно было не всегда, так как капризная погода Средиземноморья делала эти путешествия весьма опасными. Даже в средневековье большинство передвижений в этом регионе по-прежнему совершалось в пределах видимости берегов.

Во времена  критских, финикийских и египетских мореплавателей Средиземноморье бороздило  множество кораблей, ноиз-за необходимости  держаться берега, в год можно  было успеть совершить только одно путешествие с востока на запад. С октября по март торговля практически  прекращалась, а некоторые маршруты с севера на юг (Греция — Египет, Галлия — Северная Африка), при встречном  ветре, занимали целые месяцы.

Таким образом, в античные времена и в раннем средневековье первые карты становились  скорее путеводителями для перехода из порта в порт, нежели точным описанием  берегов. Лоцманы были больше заинтересованы в точном знании рельефа побережья, наличия мелей, постоянства ветров, местоположения портовых городов, нежели в научном представлении о  поверхности Земли. Не имея для управления кораблем компаса, не обладая никакими средствами для определения широты (особенно когда облака прикрывали небо), лоцману — будь он египетским, греческим, венецианским или каталонским, оставался единственный выход —  нарисовать карту! Ему необходим  был портулан (от итальянского «портолано», то есть «путеводитель по портам»). Иначе говоря, требовался путеводитель, объединяющий в себе сведения о берегах, портах, ветрах, глубинах и течениях, собранные профессионалами мореплавания со времен античности, сведения с помощью  которых в средневековье осуществлялась торговля в средиземноморских портах.

Первые сведения о непосредственно морских картах Марина Тирского относят ко II веку до н. э., хотя, карты вообще существовали уже у древних полинезийцев в V веке до н. э. И представляли собой сплетенные из растений циновки с изображением островов и рифов.

Карты того периода  мало отличались от весьма схематичных  планов, и чем большие территории изображались, тем меньше была точность карт: ведь Земля-то круглая, и большие  участки ее поверхности нельзя показать на плоскости без искажений!

Одно из решений  этой проблемы было найдено еще две  тысячи лет назад Эратоcфеном (276-196 г. до н. э.), который начал применять при создании карт квадратную равнопромежуточную цилиндрическую проекцию. Кстати говоря, именно Эрастофен, наблюдая за полуденной высотой солнца в Александрии и Асуане, определил радиус Земли (6366,7 км) с такой высокой точностью, что этому поражаются до сих пор! А в качестве измерительного инструмента «выступил» верблюд! Эрастофен определил расстояние между двумя точками методом подсчета среднего числа шагов, и, зная разницу в длине солнечной тени, провел несложные вычисления. Сейчас это элементарная задачка по геометрии о подобии двух треугольников, но в те времена это было чудом.

Чтобы лучше  читать карту нужна лоция. Лоция (от голл. Loodsen — вести корабль) — руководство для плавания в определенном водном бассейне с подробным описанием его навигационных особенностей. Древнейшая из сохранившихся лоций — грека Скилака (VI век до н. э.) которая подробно описывала расстояния между портами, их оборудовании, о якорных местах, навигационных опасностях...

Вообще, задолго  до средневековых космографов человек  совершал попытки изобразить Землю  в форме глобуса. Такими были уже  упомянутые Эратосфен и Марин  Тирский, таким был и Птолемей: они дерзко рисовали карты, основываясь на своих собственных расчетах. Когда Палла Строцци привез в Константинополь полный экземпляр «Географии» Птолемея, то его перевод на латинский язык стал, как сказали бы сегодня, одним из «бестселлеров» зарождавшегося книгопечатания! Птолемей — греческий ученый из Александрии, живший примерно с 90 по 160 года нашей эры. Благодаря опросу купцов и мореплавателей, а также чтению всех отчетов античных путешественников, ему удалось нарисовать карту мира в конической проекции, с параллелями и меридианами, то есть сетку координат, исчисляемых в градусах, где широты измерялись от экватора, а долготы — от самой западной точки известного тогда мира. Частично ошибочная, очень неточная во многих своих местах, «География» тем не менее, являла собой ощутимый этап в математическом осмыслении мира.

Как уже стало  ясно, понятия географической широты и долготы для однозначного определения  местоположения на поверхности Земли, впервые возникли в Древней Греции. Днем (в полдень) широту определяли по длине солнечной тени, ночью  — по высоте определенных звезд  над горизонтом. Сегодня пальма первенства в использовании широты и долготы  присуждается Гиппарху из Никеи (ок. 190-125 гг. до н. э.), который предложил метод определения долготы разных точек по измерению местного времени при наблюдении лунного затмения. Кроме того, Гиппархом была изобретена астролябия (греч. Astron — «звезда», и labe — «схватывание») — угломерный инструмент, служивший с древнейших времен до начала XVIII века для определения положения небесных светил. Раньше для тех же целей использовался квадрант.

В 1342 году математиком Леви Бен Гершоном впервые был описан прибор впоследствии названный «Палочка Леви». Называемая также «арбалет», она являлась простым, но хитроумным приспособлением, с помощью которого можно измерять относительную высоту солнца в зените по отношению к линии горизонта. Благодаря таблицам Закуто и Визиньо (1465 год), используемым одновременно, можно было определить с точностью до одного или двух градусов широты свое местоположение.

Эволюция европейской  картографии вплоть до XVI века отражает собой гигантский коллективный труд во имя того, чтобы составить представление  о мире, почерпнув сведения из грубого  эмпиризма портуланов. Так моряки мало-помалу получают возможность пользоваться всеми плодами научного познания Земли. На место описаний, даже достаточно точных, но всегда неполных, приходят карты, способные дать геометрически верное представление о нашей планете. Но для этого требовалось избавиться от предрассудков мифологизированного  сознания, а заодно обзавестись некоторыми навигационными и топографическими инструментами.

Одним из первых навигационных «приборов» можно  считать соларстейн (в переводе с древнескандинавского — «солнечный камень»). С его помощью можно было определить положение солнца в туманную погоду. Он несколько раз упоминается в текстах древних викингов. Предполагается, что речь идет о кристалле исландского полевого шпата (кордиерита), обладавшего магнитными свойствами.

Явление магнетизма было подмечено людьми еще в глубокой древности. История магнетизма богата наблюдениями и фактами, различными взглядами и представлениями.

Сегодня считается, что впервые свойства магнитного железняка описал Фалес Милетский в VI веке до н. э. Это были чисто теоретические выкладки, не подтвержденные опытами. Фалес дал маловразумительное объяснение свойствам магнита, приписывая ему «одушевленность». Через столетие после него Эмпедокл объяснял притяжение железа магнитом некими «истечениями» из него какой-то нематериальной субстанции. Позднее подобное же объяснение в более определенной форме было представлено в книге Лукреция «О природе вещей». Высказывания о магнитных явлениях имелись и в сочинениях Платона, где он описывал их в поэтической форме. Представления о существе магнитных действий были у ученых более позднего времени — Декарта, и Эйлера, причем эти представления в некоторых отношениях не слишком отличались от представлений древних философов.

В морской  навигации магнитные явления  использовались со времени раннего  средневековья. В конце XII века в  трудах англичанина Некаме и француза Гио де Провенс впервые описана простейшая буссоль (фр. boussole)- устройство, позволяющее определять магнитный азимут в море. Хотя в Китае буссоль применялась для навигации еще до нашей эры. В Европе же она приобрела распространение лишь в XIII веке.

Первым экспериментатором, занявшимся магнитами, был Петр Перегрин из Марикура (XIII век). Он опытным путем установил существование магнитных полюсов, притяжение разноименных полюсов и отталкивание одноименных. Разрезая магнит, он обнаружил невозможность изолировать один полюс от другого. Он выточил сфероид из магнитного железняка и пытался экспериментально показать аналогию в магнитном отношении между этим сфероидом и землей. Этот опыт впоследствии (в 1600 году) еще более наглядно воспроизвел Гильберт.

Первые компасы, изобретенные независимо друг от друга в Азии и в Скандинавии около XI века, пришли на Средиземноморское побережье Европы в XII веке и представляли собой плавающую в наполненной водой раковине дощечку. К одному из ее концов был прикреплен кусочек каламита — камня, обладающего природными магнитными свойствами, привозимого из Магнезии в Греции, где он очень распространен. Такой компас хорошо действовал лишь при незначительной качке на корабле.

Так были ли достоверными сведения, содержавшиеся в портуланах? Думаю, что это зависело от возлагаемых  на них задач. Для решения «местных»  прикладных задач — попадания  из точки А в точку Б —  они вполне подходили. Навигация  по Средиземному морю была довольно неплохо  изучена, поскольку постоянно поддерживалась крупными лоцманскими школами, такими как генуэзская, венецианская или  лагушская. Для познания же всего  мира портуланы совершенно не годились, больше путая исследователей, нежели помогая им.

Только с  конца XIII века первые попытки океанского плавания, а также более широкое  использование компаса выявили  необходимость реального отображения  на плоском листе бумаги рельефа  берегов с указанием ветров и  основных координат.

После XIV века портуланы часто сопровождаются приблизительными контурными рисунками  средиземноморского побережья и  атлантических берегов Западной Европы. Постепенно корабли, уходящие в океанские плавания, начинают включаться в работу по составлению более  точных портуланов и рисунков.

Где-то к началу XV века появляются уже настоящие навигационные карты. Они представляют собой уже полный набор сведений для лоцмана: рельеф берегов, перечень расстояний, указания широты и долготы, ориентиры, названия портов и местных обитателей, указываются ветра, течения и морские глубины.

Карта, наследница математических знаний, полученных древними, все более точных сведений об астрономии и тысячелетнего опыта навигации  из порта в порт, становится одним  из главных плодов научной мысли  первооткрывателей: отныне во время  длительных плаваний требуется составлять отчеты, необходимые для полного  отображения знаний о мире. И более  того, появились первые судовые журналы! Конечно, морские путешествия описывались и ранее, но теперь это начинает носить регулярный характер. Первым ввел обязательный судовой журнал для капитанов своих каравелл инфант Генрих. Капитаны должны были ежедневно записывать сведения о берегах с указанием координат — дело чрезвычайно полезное для составления достоверных карт.

Несмотря на стремление уточнять и проверять, двигавшее  наиболее знаменитыми картографами (Фра Мауро в 1457 году утверждал, что  ему не удалось вместить в свою карту всех сведений, которые ему  удалось собрать), фантазии, легенды, вымысел окружали любой картографический труд неким «фольклорным» ореолом: на большинстве карт, датированных до XVII века, мы видим, как на месте  малоизвестных или недостаточно исследованных регионов возникают  изображения различных чудовищ, почерпнутых из античной и раннехристианской  мифологий.

Достаточно  часто составитель, описывая обитателей отдаленных уголков, прибегал к домыслам. Районы, исследованные и попавшие под власть европейских королей, отмечались гербами и флагами. Однако великолепно разрисованные обширные розы ветров не могли принести пользы, если они неправильно ориентированы  или размечены в ошибочных  линиях «ромбов» (примитивная система  ориентации, предшествовавшая системе  меридианов и параллелей). Часто  работа картографа становилась настоящим  произведением искусства. При дворах королей разглядывали планисферы, словно полотна, за ними угадывались пустившиеся  в дальние путешествия мореплаватели, чудовища вызывали дрожь, пройденные расстояния и интригующие названия завораживали. Потребовалось немало времени, прежде чем обычай делать карту декоративной уступил место действительно  полезной картографии, лишенной всяческого вымысла.

Этим объясняется  та недоверчивость, с которой великие  мореплаватели, и в первую очередь Христофор Колумб, относились к разукрашенным картам XV века. Большинство моряков предпочитало доверяться своему знанию ветров, рельефа дна, течений и наблюдениям за небесной сферой, или отслеживанию движения косяков рыб или птичьих стай, для того чтобы ориентироваться в бескрайних просторах океана.

Несомненно, именно в XV веке благодаря португальским  мореплавателям, а затем путешествию  Колумба и, наконец, кругосветному  путешествию Магеллана в 1522 году человечество смогло на практике проверить  расчеты древних греков и представления  о сферичности Земли. Многие мореплаватели  теперь на практике получали конкретные знания, свидетельствующие о шаровидности нашей планеты. Кривая линия горизонта, перемещение относительной высоты расположения звезд, рост температуры  по мере приближений к экватору, смена созвездий в южном полушарии  — все это делало очевидной  истину, которая противоречила христианской догме: Земля — это шар! Оставалось только измерить расстояния, которые  необходимо было преодолеть в открытом море, чтобы добраться до Индии, в  южном направлении, как это сделали  португальцы в 1498 году, или в западном, как казалось Колумбу, когда он в 1492 году встретил на своем пути непреодолимое  препятствие в лице обеих Америк.

Колумб был  хорошо знаком с космографической литературой  того времени. Его брат был картографом  в Лиссабоне, и он сам попытался  построить глобус на основе имевшихся атласов, современных и античных трактатов по космографии. Он, правда, допустил, вслед за Пьером Айи и его «Имаго Мунди» (1410 год), грубую ошибку в оценке расстояния между Португалией и Азией, занизив его (есть гипотеза, что он сделал это преднамеренно). Тем не менее, он внял советам именитых картографов, таких как Тосканелли (который верил в морской путь на запад), Пикколомини (будущий папа Пий II) и Мартин Бехайм(впоследствии автора довольно точного глобуса).

Начиная с 1435 года португальские и итальянские  моряки взяли за правило плыть  на расстоянии от африканского берега, чтобы избежать опасных зон и  переменчивости ветров. Прибрежная зона, изобилующая рифами и отмелями, и  впрямь являла собой очевидную опасность  кораблекрушения.

Однако столь  значительное удаление от берега, что  он теряется из виду, предполагает умение ориентироваться в открытом море на плоском однообразном пространстве без маяков, ограниченном лишь линией горизонта. А морякам XV века не хватало  теоретических познаний в области  математики и геометрии, необходимых  для точного определения своего местонахождения. Что же касается измерительных  приборов, с ними дела обстояли еще  хуже. До XVI-XVII веков ни один из них  не был по-настоящему хорош в деле. На картах, хотя и постоянно уточняемых, имелись существенные пробелы.

Чтобы оценить  чрезвычайное мужество мореплавателей, которые осваивали ближнюю, а  затем и дальнюю Атлантику, надо вспомнить, какими жалкими средствами они располагали для определения  своего местонахождения в открытом море. Перечень будет краток: моряки XV века, в том числе и Христофор  Колумб, не обладали практически ничем, что помогло бы им решить три главных  задачи любого мореплавателя, отправляющегося  в дальнее плавание: держать курс, измерять пройденный путь, знать с  точностью свое настоящее местоположение.

У моряка XV века в распоряжении имелись всего  лишь примитивная буссоль (в различных  вариациях), грубые песочные часы, кишащие  ошибками карты, приблизительные таблицы  склонения светил и, в большинстве  случаев, ошибочные представления  о размерах и форме Земли! В  те времена любая экспедиция по океанским  просторам становилась опасной  авантюрой, часто со смертельным  исходом.

В 1569 году Меркатор составил первую карту в равноугольной цилиндрической проекции, а голландец Лука Вагенер ввел в обиход атлас. Это был крупный шаг в науке навигации и картографии, ведь даже сегодня, в двадцать первом веке, современные морские карты составлены в атласы и выполнены в меркаторской проекции!

В 1530 году голландский  астроном Гемма Фризий (1508-1555) в своем труде «Принципы астрономической космографии» предложил способ определения долготы с помощью хронометра, но отсутствие достаточно точных и компактных часов надолго оставили этот метод чисто теоретическим. Этот способ был назван хронометрическим. Почему же способ оставался теоретическим, ведь часы появились много ранее?

Дело в том, что часы в те времена редко  могли идти без остановки в  течение суток, а их точность не превышала 12-15 минут в сутки. Да и механизмы  часов того времени не были приспособлены  для работы в условиях морской  качки, высокой влажности и резких перепадов температуры. Конечно, кроме  механических, в морской практике долгое время использовались песочные и солнечные часы, но точность солнечных  часов, время «завода» песочных часов  были совершенно недостаточными для  реализации хронометрического метода определения долготы.

Сегодня считается, что первые точные часы были собраны  в 1735 англичанином Джоном Гаррисоном (1693-1776). Их точность составляла 4-6 секунд в сутки! По тем временам это была просто фантастическая точность! И более того, часы были приспособлены для морских путешествий!

Предки наивно считали, что Земля вращается  равномерно, лунные таблицы грешили  неточностями, квадранты и астролябии вносили свою погрешность, поэтому  итоговые ошибки в вычислениях координат  составляли до 2,5 градусов, а это  около 150 морских миль, т. е. Почти 250 км!

В 1731 году английский оптик Джон Хэдли усовершенствовал астролябию. Новый прибор, получивший название октант, позволял решить проблему измерения широты на движущемся судне, так как теперь два зеркала позволяли одновременно видеть и линию горизонта и солнце. Но октанту не досталась слава астролябии: за год до этого Хадли сконструировал секстант - прибор, позволявший с очень большой точностью измерять местоположение судна.

Принципиальное  устройство секстанта, т. е. прибора, использующего  принцип двойного отражения объекта  в зеркалах, было разработано еще Ньютоном, но было забыто и только в 1730 году было заново изобретено Хэдли независимо от Ньютона.

Морской секстант состоит из двух зеркал: указательного  и неподвижного полупрозрачного  зеркала горизонта. Свет от светила (звезды либо планеты) падает на подвижное  зеркало, отражается на зеркало горизонта, на котором одновременно видны и  светило и горизонт. Угол наклона  указательного зеркала и есть высота светила.

Поскольку этот сайт по истории, а не по кораблевождению, то я не буду вдаваться в подробности  и особенности различных навигационных  приборов, но хочу сказать несколько  слов о еще двух приборах. Это  лот (лотлинь) и лаг (лаглинь).

В заключение, мне хотелось бы вкратце остановиться на некоторых исторических датах  в истории развития навигации  в России.

Тысяча семьсот  первый год — это, пожалуй, самая  знаменательная дата в отечественной  навигации, поскольку в этом году император Петр I издал указ об учреждении «Математических и Навигацких, то есть мореходных хитростно наук учению».Год рождения первой отечественной навигационной школы.

Через два  года, в 1703 году, преподаватель этой школы Магницкий составил учебник «Арифметика». Третья часть книги носит заглавие «Обще о земном размерении, и яже мореплаванию принадлежит».

В 1715 году старшие  классы школы преобразовали в  Морскую Академию.

1725 год —  это год рождения Петербургской  Академии Наук, где преподавали  такие светила науки, как Леонард Эйлер, Даниил Бернулли, Михаил Ломоносов (1711-1765). Например, именно астрономические наблюдения и математическое описание движения планет Эйлера легли в основу высокоточных лунных таблиц для определения долготы. Гидродинамические исследования Бернулли позволили создать совершенные лаги для точного измерения скорости судна. Работы Ломоносова касались вопросов создания ряда новых навигационных приборов, послуживших прообразами приборов, которые используются и в настоящее время: курсопрокладчики, самописцы, лаги, кренометры, барометры, бинокли...

Источник: www.privateers.ru/history-background/navigation.html