寻找经度的天文学方法 ——《航海天文钟：连载三》--新闻资讯

寻找经度的天文学方法 ——《航海天文钟：连载三》

日期：2021/10/27 访问 791 次

1610年，伽利略发现了木星的四颗最大的卫星，后来他建议，也许可以预测它们的日食时间，以便把它们当作天钟使用。如果木星卫星的日食能够在海上被观测到，领航员就可以从陆地天文台制作的表格中查找日食的时间，他就可以将这个时间与通过太阳得出的当地时间进行比较，计算出他所在的经度。第一个这样的表格是在1668年出版的，后来被定期刊登在《航海天文历》（Nautical Almanac）。然而这种方法存在严重的问题: 虽然日食每周发生四次，但是木星可能离太阳太近，或者低于地平线，以致无法观察。同时，在海上操作一个硕大的望远镜几乎是不可能的。1762年，克里斯托弗·欧文（Christopher Irwin）设计了一种特殊船用座椅，可以让观察者坐着使用望远镜，而不受船只颠簸的干扰。1764年进行了一次海上试验，但是失败了。埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）曾研究过利用木星卫星的日食来解决经度问题的可能性，但他认为在海上使用这种方法不切实际。

伽利略

尽管利用木星的卫星来作为时间标准是不可行的，但似乎仍然可能在天空中找到解决经度问题的方法。自1645年起，科学家们开始在牛津和伦敦开会，他们讨论的主要问题之一就是经度，最著名的团体是在格雷欣学院（Gresham College），其成员包括克里斯多佛·雷恩（Christopher Wren）和罗伯特•胡克（Robert Hooke）。

1662年，格雷欣（Gresham）小组与其他科学家一起成立了伦敦皇家学会（Royal Society of London），以推广自然知识为务。查理二世（Charles II）授予了他们皇家特许，皇家学会的明确目标之一就是“寻找经度”。接下来的十年里，乔纳斯·摩尔（Jonas Moore），一位数学家和测量员，加入了塞缪尔·佩皮斯（Samuel Pepys）的行列，在基督医院内建立了皇家数学学校（Royal Mathematics School），具体目的是训练男孩们的导航技术。

1675年，在格林威治（Greenwich）建立了皇家天文台（Royal Observatory），其目的是“矫正天体运动的表格和恒星的位置，以便人们能够在海上找到他们渴望的经度，从而完善导航技术”。1675年3月，查理二世任命约翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）为皇家天文学家（Astronomer Royal），年薪100英镑。第二年，他搬进了这座由克里斯多佛·雷恩（Christopher Wren）设计的大楼里，开始了他的天体观察。他的主要任务是整理一份可观测恒星的目录。弗拉姆斯蒂德被认为是一个过激而不妥协的人，不幸的是，他与本应成为他盟友的埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）为敌。不顾他的反对，以艾萨克·牛顿（Isaac Newton）为首的皇家学会还是催促他发表他那尚未完成的恒星目录，1712年，他的观察记录由哈雷编辑并出版了，印刷了400份，愤怒的弗拉姆斯蒂德设法获得了300份并烧毁了它们。最终，在1725年，也就是他去世后的第六年，弗拉姆斯蒂德的目录还是出版了，其中包含了3000颗恒星的数据。

格林威治天文台

约翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）

月距法

这种计算海上时间的方法依赖于月亮在天空中相对较快的运动，相比于其他天体，它每小时的运动速度大约是0.5度（大致相当于它自己的直径）。随着月亮的升起，它会经过几颗可辨认的恒星。领航员需要的是一组表格，提供在某一确定的经度上（例如格林威治）月球和选定恒星之间不断变化的角度的每日预测。当一个特定的恒星与月球成一定角度时，表格会提供当时在格林威治的时间。当领航员观察到月亮和恒星之间成那个角度，他就会知道格林威治的时间。当地时间和格林威治时间的差值，就可以让他计算出经度。

月距法的运用最早是由约翰·沃纳（Johan Werner）在1514年提出的。然而，在接下来的两个世纪里，有两个难题阻碍了对这种方法的深入研究。首先，在现代四分仪发展之前，角度的测量无法拥有足够的精度；其次，无法预测月球的运动。

月距法

到了十八世纪中叶，天体的相对角度可以被精确测量。现在所需要的就是能够用来预测在某一天中月球相对于某些显著的恒星或太阳的位置的表格。第一份这样的表格是由在哥廷根（Göttingen）的托拜厄斯·迈尔（Tobias Mayer）教授整理的，并于1755年提供给海军部。它们在皇家天文台进行了测试，结果发现可以计算出半度以内的经度，与航位推算比较是一个相当大的进步。为了测试月距法在海上的应用，后来成为皇家天文学家的内维尔·马斯克林博士（Dr Neville Maskelyne），在前往圣赫勒拿岛（St Helena）途中进行测试。他发现这种方法很有效，并在1763年出版了英国海员指南（British Mariners' Guide），其中阐述了他计算经度的方法。1767年，第一本《航海天文历》（Nautical Almanac）出版了，提供了1767年全年在格林威治每三小时计算一次的太阳和七颗选定恒星与月球的距离。从那时起直到1907年停产，《航海天文历》都出版了经过艰苦计算的月球距离表格。

内维尔·马斯克林（ Neville Maskelyne）

《航海天文历》（Nautical Almanac）

既然月距法已经试验并通过了，那么经度问题也就应该解决了。然而，它在实际执行中存在严重的问题。最早在1764年尝试这种方法的船只之一，东印度公司的埃格蒙特号（Egmont）在一份报告中提到了一个问题；在经度委员会的作证中，查尔斯·米尔斯（Charles Mears）先生说：

在他最后一次的航行中，他发现用马斯基林（Maskelyne）先生所指定的方法进行观察非常有用，并不困难，每次的观察不会超过四个小时就能得到结果，当靠近已知经度的陆地时，一般误差能够在1°以内。

这是一个令人心酸的事实，水手们为了解决经度问题而不顾一切，四个小时的艰苦计算，只为在1°之内找到自己的位置，而这依然被认为是可以接受的。在使用这种方法的早期，人们认为观测者需配上三个助手：两个人同时观测月球和恒星的高度，另一个人记录时间。其中一人需要变身为一台熟练的“计算机”，进行复杂的计算，包括修正由折射或大气弯曲效应和地球弧度引起的误差，在许多计算中的任何一个小错误都可能导致灾难性的经度错位；同样，对月球距离的实际观测必须非常精确——夜间在海上轮船甲板上的俯仰绝非易事。这个世纪后期出版的表格减少了计算的时间。然而，这种方法一直费力且困难，经度的最终确定，其精确度很少超过1°。

测量月球距离

太阳时和平均时

由于地球绕太阳的椭圆轨道和地轴的倾斜，如果用太阳来测量，一天在一年中的时间是不同的。由于时钟把一天分成相等的部分，根据时钟计算的中午时间，在一年中的不同时间，最极端时会比太阳中午晚14分28秒或者早16分11秒。日晷得出的时间当然是太阳时间。在机械时计发明之前，日和小时的长短不是问题；然而，随着十七世纪时钟精确度的不断提高，就需要一种新的时间计量概念。计算出太阳日的平均长度，这就是所谓的“平均太阳时间”。因此，为了利用太阳准确地找到时间（正如领航员需要做的那样），必须考虑到太阳时和平均时之间的差异；这就是所谓的时差（equation of time）。一个简单的每日对照表，就解决了这个问题。

如果你有一个良好的日晷，你会发现上面刻有一个表格；查出日期，在显示的时间上加或减去给定的时间，你就有了平均时。下次在你听航运预报时，请注意时间是“格林尼治平均时间”。