Время и географическая долгота

У КАЖДОГО СВОЕ ВРЕМЯ



Картина ежедневного видимого перемещения Солнца по небосводу нам уже знакома и понятна. Солнце восходит, поднимается над горизонтом, достигает верхней кульминации, спускается и заходит. Счет времени в пределах суток у всех народов всегда был связан с этим видимым перемещением нашего глав-ного светила. Солнце восходит — в данном месте наступает утро, Солнце клонится к горизонту — в данном месте близится вечер. Момент верхней кульминации Солнца — это истинная середина дня. Мы называем этот момент местным полднем.
Такая картина наблюдается в любой точке земного шара. (Исключение 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 внешне картина выглядит несколько иначе—в этих районах чередуются летний полярный день и зимняя полярная ночь. Чтобы излишне не усложнять объяснение, мы этих особенностей касаться в дальнейшем не будем).
Где бы в средних широтах вы ни находились — в Москве, в Хабаровске или, допустим, в Рио-де-Жанейро, повсюду Солнце рано или поздно в своем суточном движении достигнет наибольшей высоты. Такой момент будет отмечать истинную середину дня. Для данной точки земного шара это будет местный пол-день.


Но оглянемся теперь на нашу Землю из глубин межпланетного пространства. Мы тотчас обнаружим, что полдень наступает в разных местах Земли отнюдь не в один и 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 различное время. Местное время зависит от расположения точки наблюдения на земной поверхности.
Рассмотрим теперь такую геометрическую схему. Через три точки, как известно, всегда можно провести 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 же 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 полдень.
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. Оно поднялось на самую большую для каждой из точек этого меридиана высоту. Здесь повсюду наступил момент верхней кульминации Солнца - середина дня, 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.
Ось вращения Земли постоянно остается в 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 ни повернулся теперь навстречу Солнцу, именно в этот момент наступает на нем местный полдень.
Земля сделает полный оборот вокруг своей оси на 360° за сутки, за 24 часа. За то же 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 15°. Таким образом, если два пункта лежат на меридианах, отстоящих друг от друга ровно на 15°, то разница в местном времени составит для них ровно 1 час. Угол между меридианами, как мы уже говорили, это и есть разность долгот. И если мы научимся определять разность местных времен двух точек, то тем самым мы научимся определять и разность их долгот.
Именно таким образом астрономы и поступают. Они определяют разности местных времен заданных пунктов в одни и те же физические моменты времени и переводят разности времен в разности долгот. Астрономы так привыкли к этим переводам, что научились считать углы и обычным образом, в гра-дусах, и в часах. Вот как это получается: 24 часа — 360 градусов, 1 час — 15 градусов.
Дальше надо быть осторожным, поскольку названия «минута» и «секунда» относятся и к долям часа, и к долям градуса. Поэтому во избежание путаницы надо указывать «минута времени» или «минута дуги», «секунда времени» или «секунда дуги»:
1 минута времени (1т) = 15 минутам дуги (15');
1 секунда времени (18) = 15 секундам дуги (15").
Астроном нисколько не удивится, если прочтет, что разность долгот Москвы и Лондона составляет около 2 часов 28 минут. Это равносильно тому, что написать: разность дол-гот Москвы и Лондона составляет около 37°.
(Мы по-прежнему упрощаем объяснение и не принимаем во внимание ситуацию у полюсов; в период полярного дня на маленьком отрезке меридиана у полюса Солнце в описанном нами положении может находиться не в верхней. а в нижней кульминации. Такой момент является формально истинной полночью, хотя Солнце при этом и не заходит за горизонт).
Итак, местное время одинаково только 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 город 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 по долготе 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? Нет, единое время для больших стран тоже, очевидно, не годилось.
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 15° 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 всегда только показания часовых стрелок.
В СССР поясное время было введено в 1919 г. декретом Совета Народных Комиссаров "в целях установления однообразного со всем цивилизованным миром счета времени в течение суток, обуславливающего на всем земном шаре одни и те же показания часов в минутах и секундах и значительно упрощающего 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.
Посередине нулевого часового пояса проходит Гринвичский меридиан. Он был принят за начальный отсчетный меридиан для земного шара на астрономической конференции в Вашингтоне в 1884 г. Нулевой пояс должен жить по гринвичскому времени.
Западная Европа попадает в первый часовой пояс. Время этого пояса называют среднеевропейским. Но, как мы оговаривались, границы часовых поясов очень условны. В 1968 г. английское правительство, чтобы подчеркнуть общность интересов Англии и Европы, отказалось от гринвичского времени и ввело на территории страны время среднеевропейское.
Европейская часть СССР живет по московскому времени — так называется время второго часового пояса. Но не следует упускать из виду, что московское время отличается от среднеевропейского не на один час, а на два. Связано это с тем, что с 16 июня 1930 г. на территории СССР (исключая Татарскую АССР) введено так называемое декретное время. Декретом Совнаркома поясное время в нашей стране было увеличено ровно на один час. Введение декретного времени способствовало экономии электроэнергии.
Декретное время применяется в очень многих странах. Зачастую его вводят декретом только на летний период. 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 временный перевод стрелок на час 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.
Переходят на круглогодичное пользование декретным временем и другие страны. С 1940 г. оно было введено во Франции, с 1968 г.—в Англии.
На территорию СССР приходятся часовые пояса со второго по двенадцатый. В связи с ростом экономики и новым территориальным делением страны границы часовых поясов время от времени уточняются. Так, они были несколько изменены в 1956г.
По государственной границе СССР в Беринговом проливе, между мысом Уэлен и Аляской, проходит линия перемены дат.
Вопрос о смене дат, о приходе на Землю нового дня многие века не имел ясного решения.
Впервые великое «волнение умов» из-за счета времени возникло в XVI в. в связи с завершением кругосветного плавания «Виктории» — единственной из 5 каравелл Фернана Магеллана.
В 1522 г., после 3 лет скитаний, 18 уцелевших участников экспедиции Магеллана добираются до островов Зеленого Мыса. И здесь Антонио Пигафетта — прилежный летописец плавания — обнаруживает таинственную пропажу. Из года в год он и кормчий Альво независимо друг от друга вели на корабле счет дням. Возможность просчета была совершенно исключена. Однако на «Виктории»—среда, хотя в Европе уже наступил четверг. Радость возвращения к родным берегам оборачивается для моряков неожиданным горем. Они «ошиблись» в счете дней и, следовательно, спутали все церковные праздники. Обогнув земной шар с востока на запад, спутники Магеллана «потеряли» ровно одни сутки.
Аналогичную ситуацию использовал впоследствии Жюль Верн. Действие романа «Вокруг света в 80 дней» достигает максимального напряжения. Главный герой, оригинал из Реформ-клуба Филеас Фогг, эсквайр, возвращается в Лондон с опозданием на пять минут. Он уверен, что проиграл пари, и удрученный отправляется домой. Но он забыл, что ехал с запада на восток, навстречу восходящему Солнцу. Каждый день он встречал восход Солнца на несколько минут раньше, чем если бы он оставался на месте, и в результате Фогг привез с собой субботу, хотя в Лондоне была еще пятница. Роман имеет счастливый конец.
Астрономы не только разделили Землю на часовые пояса, но и установили строгую линию перемены дат. Она проходит по Тихому океану между двенадцатым и тринадцатым часовыми поясами. Эта граница, конечно, условна. Но по международной договоренности именно здесь начинается новый день. Только здесь и нигде больше на земном шаре можно, сделав один шаг, перебраться из сегодня во вчера.

ВРЕМЯ ВЕЗУТ В КАРЕТЕ

Представление 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 выполнить 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.
Готовясь пересечь «море Мрака» и добраться до берегов Индии западным путем, Колумб принял радиус Земли гораздо более коротким, чем в действительности. Колумб пользовался очень точным арабским измерением радиуса Земли, выраженным в милях. Но он не учел, что современная ему миля была на 20% короче той, которой за шесть с половиной веков до него пользовались арабы. Рассчитывая дальность предстоящего плавания, Колумб тем самым сильно «сократил» свой путь. И, достигнув в октябре 1492 г. Багамских островов, он был глубоко убежден, что находится уже подле берегов Азиатского континента. Недаром вновь открытые земли Колумб назвал Вест-Индией — Западной Индией. Это название, наряду с именем коренных жителей Америки, которых по тем же причинам окрестили индейцами, сохранилось в географической литературе до наших дней.
Заблуждение Колумба не рассеялось до конца жизни. Организовав четыре экспедиции к берегам Америки, он был по-прежнему убежден, что плавает где-то вблизи оконечности Азии.
Неведение великого мореплавателя всецело зависело от погрешностей средневековых карт и неумения точно определить географическую долготу. Широта могла вычисляться им из астрономических наблюдений. А долгота оценивалась в первую очередь по пройденному кораблем пути. Но поскольку радиус Земли был принят Колумбом сильно уменьшенным, то и вычисленные долготы совершенно не соответствовали истине.
Умей Колумб выполнить независимое от карты и побочных навигационных соображении определение географической долготы, он тотчас бы установил, что уплыл не так уж далеко от берегов Европы. В своих плаваниях он ни разу не заходил дальше 85° западной долготы.
Как мы уже выяснили, географическая долгота определяется астрономически как разность местного времени данного пункта и местного времени исходного, принятого за нулевой, меридиана. 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, в 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 соответствует разности долгот.
Для цели определения долгот описанным методом более 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.
Галилеи, 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 планеты, 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.
И лунные затмения, и затмения спутников Юпитера, и наблюдения движения Луны среди звезд давали в руки астрономов средство определения долгот. Но ученые не отступали в поисках еще более надежных и точных методов. Они видели самый перспективный путь решения задачи 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 во времени всего в 1 минуту приводит к неточности опре-деления местоположения 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 15°. Это значит, что ошибка определения вашего местопо-ложения на поверхности Земли превысит 1500 км.
Итак, для точного определения долгот нужны первоклассные часы — хранители точного времени.
Конечно же, часы находились в распоряжении астрономов с глубочайшей древности. Во-первых, это были солнечные часы. Они устанавливались на площадях, в местах публичных собраний, во владениях 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 места 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 над другом сосудов с водой. Вода по каплям перетекала 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 удавалось. И уж совершенно невозможно было их куда бы то ни было перевозить. От тряски они тут же выходили из 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.
Совершенно очевидно, что ни песочные, ни огненные часы для транспортировки времени с места на место в течение многих месяцев также не годились.


Для определения долгот астрономы нуждались в надежных механических часах, а именно таких в то время не было.
Толчок к развитию часового дела дал Галилео Галилеи, 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 появились на свет первые хронометры. Но они все еще оставались очень капризными. Ход хронометров в сильной степени зависел от температуры. С изменением температуры менялись размеры балансира, и хро-нометр начинал либо спешить, либо отставать. А мореплаватели по-прежнему нуждались в точном времени.
Наибольшую озабоченность в развитии часового дела проявляло британское адмиралтейство. Во второй половине XVII в. Великобритания все больше выдвигается на мировую арену как крупнейшая морская держава, оттесняя Испанию и Португалию.
«Правь, Британия, морями»—так поется в известной английской песне XVIII в. Английские фрегаты бороздят моря и океаны. Но корабельные хронометры все еще нуждаются в усовершенствовании.
По предложению Исаака Ньютона, который непродолжительное время был депутатом парламента от Кембриджского университета, английское правительство установило фантастическую по тем временам премию. За разработку надежного способа определения долготы на море с точностью до четверти градуса правительство обещало награду в 30 тысяч фунтов стерлингов. И самым перспективным здесь оставался прежний путь—усовершенствование хронометра.

Решающего успеха в этом деле добился английский часовой мастер Гаррисон. Он первым изготовил балансир из материалов с различными коэффициентами расширения. Изменение температуры компенсировалось изменением формы балансира. Ошибки в ходе хронометра сократились до 1 секунды за целый месяц.
Новый хронометр Гаррисона подвергся суровому испытанию в 1761 г. в плавании от Портсмута до Ямайки и обратно. Ни тряска, ни штормы, ни повышенная влажность воздуха не вывели его из строя. По возвращении в Англию, после 161 дня пути, его показания были ошибочными всего на несколько секунд.
Справедливости ради скажем, что обещанная премия была выдана Гаррисону далеко не полностью. Выдержав длительную борьбу, он получил сперва лишь 5 тыс. фунтов, а потом с огромным трудом добился получения еще 10 тыс. Но задача перевозки точного времени и тем самым определения долготы Гаррисоном была блестяще решена.
Появление точных хронометров было первым симптомом грядущей технической революции в Англии. Зачинатели машинного прядильного производства Харгривс, Кромптон, Аркрайт — все учились в часовых мастерских. Именно у английских часовщиков они переняли умение воплощать свои технические идеи в реальные, действующие механизмы.
Хронометры широко использовались для определения долгот важных астрономических пунктов. Из пункта в пункт везли в каретах комплект из нескольких хронометров — это называлось хронометрическим рейсом. В каждом пункте из астрономических наблюдений определяли местное время и сравнивали с показаниями всех хронометров. Использование нескольких хронометров служило гарантией от грубых ошибок из-за неисправностей одного из них, повышало точность определения долгот.
Значение хронометров для определения долготы резко пошло на спад с изобретением телеграфа. Электрический сигнал распространяется по проводам со скоростью 300 тыс. км в секунду. Для практических целей астрономии его распространение можно считать мгновенным. Время нулевого меридиана стало передаваться в пункты наблюдений по телеграфу. А впоследствии телеграф заменило радио. Сравнивая передаваемое специальным образом по радио время нулевого меридиана с местным временем в пункте наблюдений, астрономы определяют географические долготы с точностью до сотых и тысячных долей секунды времени.
Проблема определения времени и 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 с громким боем, а в крупных городах точно в полдень палила пушка. Мелодичный бой Кремлевских курантов звучит по радио и в наши дни. А в Ленинграде, так же как и 200 лет назад в Санкт-Петербурге, ровно в 12 часов дня с Петропавловского кронверка стреляет пушка.