Время, хронометры и долгота

Древний человек, вероятно, уже на самом раннем этапе своего развития научился считать дни и отмерять время по известным ему небесным светилам.

Система отсчета длительных промежутков времени, в которой установлен определенный порядок отсчета дней в году и указана эпоха, от которой ведется счет лет, называется календарем.

Если бы между длительностью суток и длительностью года, т. е. временем обращения Земли вокруг своей оси и временем ее обращения вокруг Солнца, существовало какое-либо простое соотношение, то счет дней в году не представлял бы большого труда. То же самое справедливо и в отношении счета дней в лунном месяце. Однако наша солнечная система сформировалась так, что в настоящее время с точностью до 0,1 секунды длительность года составляет 365 суток 5 часов 48 минут 46,1 секунды, или 365,2422 дня, а длительность лунного месяца — 29,5306 дня. Сопоставляя эти числа, нетрудно увидеть, что отношения длительности года и лунного месяца к длительности суток не выражают никакие точные числа, ни целые, ни дробные. Именно поэтому разработать простую и удобную систему счета дней оказалось совсем нелегко. Это видно хотя бы из того, что с древних времен до наших дней придуманы сотни таких систем, но ни одна из них не считается достаточно хорошей.

Египетские жрецы, в обязанности которых входило наблюдение за небесными светилами, около 2000 лет до н. э. открыли так называемый сотический период и определили его продолжительность (1461 г.). Наблюдая за Сириусом (египтяне называли его звездой Сотис), предвещавшим разлив Нила, египтяне установили продолжительность солнечного года в 365 дней. В этом календаре год состоял из 12 месяцев, по 30 дней в каждом. Ошибка составляла примерно 0,25 дня в год.

Мусульманский календарь построен только на изменениях фаз Луны. Этот календарь был введен в VII в. н. э. в некоторых мусульманских странах. В настоящее время во многих странах Ближнего Востока, где господствует ислам, применяют этот календарь.

В Европе, согласно юлианскому календарю, счет годам велся от условной даты — Рождества Христова.

Первый русский рукописный календарь появился в 1670 г., вероятно, в переводе с польского. Первый печатный календарь был издан в 1686 г. Однако первым штурманским календарем можно назвать только календарь 1714 г. Он замечателен тем, что из него были исключены святцы и предсказания астрологов. Время явлений, приведенных в календаре, впервые исчислялось по петербургскому времени, что означало попытку введения в стране единого поясного времени. Впервые в русском печатном календаре были помещены таблицы времени восхода и захода Солнца.

Календарь, которым мы пользуемся в настоящее время, не является совершенным, так как выбор начала отсчета (эпохи) в нем произволен, деление на месяцы разной длины не совсем удобно. Важно помнить, что для правильного счета лет существенно не то, какое событие принято за эпоху, а то, что за начало отсчета принята одна и та же определенная дата. У многих народов таких дат набиралось довольно много.

Время по новому стилю в России исчисляли уже в начале XVIII в. Счет времени (время), применявшийся на флотах многих стран до начала XX в., отличался от гражданского и назывался астрономическим. Если по гражданскому времени сутки начинались в полночь, то на кораблях — в полдень того же дня. Мореплавателям начинать сутки в полдень было удобно: в этот же час уточняли время с помощью солнечных часов и одновременно по измерениям полуденной высоты Солнца определяли широту места судна. Такой порядок счета суток у мореплавателей был введен в XV в. с началом первых заморских плаваний, когда для счисления пути судна пользовались только солнечными часами и полдень был удобным моментом для проверки времени.

В русском флоте употреблялось так называемое “морское счисление времени”, в котором сутки начинались с полдня предшествующего дня по гражданскому календарю.

В Англии астрономический счет времени окончательно был введен в 1767 г., после издания Морского астрономического ежегодника (“Nautilas Almanac”).

В России же “морское счисление времени” просуществовало до 1814 г., когда вышел первый перевод английского ежегодника под названием “Морской месяцеслов”. Переход на гражданский календарь в нашей стране был осуществлен лишь с 1 января 1925 г., с этого времени сутки стали начинаться в полночь и для моряков.

С отсчетом начала суток в полдень тесно связана история часов. Именно в полдень, в момент кульминации Солнца, “запускались” песочные часы. И начинался утомительный счет времени до следующего полдня. И так день за днем, месяц за месяцем. Судовые часы XV—XVIII вв.— это целый набор стеклянных сосудов с песком (склянок). Главными в наборе считались четырехчасовые склянки.

Каждые 4 часа вахтенный, приставленный к часам, должен был переворачивать часовые склянки. Этот момент для большей слышимости отмечался специальными ударами в колокол (рынду) и служил сигналом для смены вахты. У вахтенного на часах были еще часовые и получасовые склянки. При переворачивании этих склянок каждый получас звучал сигнал колокола (“отбивались склянки”).

Начало вахты отмечалось восемью “склянками” — четырьмя двойными ударами в колокол. Через первые полчаса новой вахты звучала одна “склянка”, т. е. один удар, через час — две “склянки”, еще через полчаса — три “склянки” и т. д. В наше время на кораблях организована специальная служба времени и по радио звучат каждый час точные сигналы, на рейде раздается перезвон корабельных рынд.

Использовали на кораблях и мелкие “склянки”: пяти-, трех- и полуминутные. Их применяли, например, при астрономических наблюдениях или при определении скорости по лагу.

Интересно проверяли точность песочных часов. Для этого брали полуминутную “склянку” и время пересыпания песка контролировали по “пульке на нитке” (грузик, подвешенный на нитке длиной в 39,2 дюйма, т. е. 99,6 сантиметра), за 30 секунд она совершала ровно 30 махов (колебаний). Выверенную таким образом “склянку” использовали для проверки других “склянок”.

Песочные часы пользовались популярностью на флоте. Они были просты, дешевы, довольно точны и применялись на русских кораблях до конца XVIII в.

 

 

Открытие законов маятника

 

 

Одно из величайших творений рук человеческих — механические часы — изобретены в XI—XII вв. Как у многих других великих изобретений далекого прошлого, и у этого авторов много. Одним из них считают знакомого уже нам Герберта Орийякского, который кроме усовершенствования астролябии ввел в Европе “арабские цифры”. По некоторым данным, механические часы с зубчатыми колесами появились впервые у арабов, а от них через Испанию проникли в Европу.

Вначале были построены большие башенные и соборные часы, предназначенные для мирских нужд. По ним отсчитывали время религиозных обрядов. Об этом говорит само название “часы”: по латыни clocca — колокол. Первые колесные часы были громоздки, плохо регулировались, ход их был неравномерным и приставленным к ним сторожам приходилось постоянно выверять их по Солнцу. О применении таких часов на кораблях не могло быть и речи. Поэтому там по-прежнему предпочтение отдавали древним песочным склянкам. Даже в 1533 г., когда навигационное искусство было уже относительно развито, а механические часы хорошо известны, упоминавшийся ранее Гемма Фризий писал: “В длительных путешествиях, особенно морских, полезно пользоваться большими клепсидрами (водяными часами) или песочными часами, которые смогут точно измерять время круглые сутки и благодаря которым можно исправлять ошибки других часов”.

В XV в. конструкцию механических часов усовершенствовали: вместо гири, приводившей в движение систему колес с указателями, начинает применяться часовая пружина, что позволило изготавливать часы в настольном варианте, сравнительно небольших размеров.

По точности пружинные часы превосходили песочные водяные и огненные и вскоре их начали применять в астрономии. Первое упоминание об этом относится к 1484 г., когда Бернард Вальтер, ученик Региомонтана, применил механические часы для измерения промежутка времени между моментами выходов планеты Меркурий и Солнца. Часы, установленные в его обсерватории, отсчитывали даже четверти секунды. Применял в своих наблюдениях колесные часы и знаменитый датский астроном Тихо Браге (1546—1601), составивший каталог 1005 звезд. Однако по точности и надежности они его не удовлетворяли.

Надобность в более точных часах росла. Однако механики долго не могли найти способ регулирования хода механических часов. Решить эту проблему помогло открытие законов маятника великим итальянским ученым Галилео Галилеем (1564—1642).

Галилей родился в городе Пизе в небогатой семье музыканта. В 1574 г. семья переехала во Флоренцию, где Галилей учился в монастыре и был принят в монашеский орден послушником. Однако Галилея влекло не к теологическим учениям, а к математике, механике, физике и астрономии. Вскоре он покинул монастырь ив 1581 г. поступил в Пизанский университет. Будучи еще студентом, он заинтересовался проблемой движения. Ученик и первый биограф Галилея Вивиани рассказывает, что в 1583 г., находясь в соборе, под высокими сводами которого гулял ветер, двадцатилетний Галилей обратил внимание на то, как покачиваются церковные люстры, подвешенные на длинных цепях к потолку. Люстры были разной величины и имели различную массу. Чтобы сравнить колебания люстр, он стал измерять время их размаха с помощью биений собственного пульса. Эти наблюдения привели его к выводу, что когда колебания люстры затихали, т. е. размахи становились короче, продолжительность их не менялась. Выходит, решил наблюдательный юноша, период качаний зависит только от длины цепи и не зависит от формы и массы люстры.

Галилей задался целью объяснить законы движения маятника и приступил к экспериментальным исследованиям. Он установил, что качания маятника очень равномерны и могут происходить длительное время, а период их не зависит ни от груза, ни от размаха колебаний. А раз так, значит путем счета колебаний маятника можно измерять время.

“Колебания маятника,— писал Галилей,— совершаются в определенные сроки с такой неизбежностью, что совершенно невозможно заставить совершаться в иные сроки иначе, как удлинняя и укорачивая нить. Другая особенность, поистине удивительная, заключается в том, что один и тот же маятник совершает свои колебания с той же или весьма мало и почти неощутимо различной частотой, будут ли колебания совершаться по самым большим или самым малым дугам той же окружности”.

Открытие законов маятника помогло Галилею решить ряд других важных вопросов механики и теории движения, в частности объяснить законы падения тел и движения их по наклонной плоскости, установить независимость протекания механических явлений от избранных инерциальных систем отсчета. Впоследствии он не раз возвращался к этим вопросам. Незадолго до смерти Галилей развил идею создания часов с маятниками перед своим сыном Винченцо. Она состояла в следующем.

С маятником АВ был соединен стержень С, входивший своим концом в промежуток между зубцами колеса Д имевшего свободу вращения вокруг оси Е. При каждом размахе маятника вперед и назад стержень заставлял колесо повернуться на один зубец. Зубчатое колесо соединялось со специальным счетчиком, измерявшим число колебаний маятника. Галилей произвел расчеты, но реальные часы по ним никогда изготовлены не были. Потеря зрения не позволила Галилею воплотить в жизнь свою идею. Он поручил продолжить работу над маятниковыми часами сыну. Однако тот по разным причинам сумел приступить к работе лишь в 1649 г., но внезапно умер, не завершив начатое знаменитым отцом дело. Сохранился рисунок проекта часов с маятником Галилея, который был опубликован в одном из изданий его сочинений.

Честь изобретения и создания маятниковых часов принадлежит голландскому математику и астроному Христиану Гюйгенсу (1629— 1695).

Гюйгенс родился в Гааге в семье видного политического деятеля и писателя, получил блестящее домашнее, а затем и университетское образование. Его учителя привили одаренному ученику дух искательства новых путей в науке. Большое влияние на талантливого юношу оказали известные ученые Декарт и Мерсенн, хорошо знакомые с его отцом. Научные интересы Гюйгенса были разнообразны. Еще будучи студентом Лейденского университета, он занялся научными изысканиями в области механики и, в частности, исследованиями падения тел и вопросами о центре качаний. Позже он увлекся оптикой и астрономией.

Заняться часами его побудили два обстоятельства: необходимость более точного измерения времени при астрономических наблюдениях и обострившаяся проблема измерения долготы на море.

Принцип определения долготы был известен еще Гиппарху: разность долгот двух пунктов соответствует разнице местных времен

при одновременном наблюдении момента какого-либо одного события в этих пунктах. Таким событием Гиппарх предлагал считать затмение Луны, так как оно происходит в один и тот же момент времени для всех его наблюдателей на земной поверхности. Однако как определить достаточно точно местное время этого события в обоих пунктах и каким способом передать местное время пункта с известной долготой в пункт с определяемой долготой, Гиппарх не знал. Солнечные часы для этого, конечно, не годились, так как при лунном затмении Солнце находится ниже горизонта. Кроме того, затмения эти происходят довольно редко — не чаще двух-трех раз в год, к тому же зафиксировать точно время его начала или конца в разных пунктах весьма проблематично, так как границы тени очень нечетки, расплывчаты. Из-за разной фиксации начала и конца этого явления возможны ошибки по времени в несколько минут, а это приводит к ошибкам в определении долготы в несколько градусов, т. е. в сотни миль.

Способ этот начал применяться на море в XIII—XV вв., когда научились астрономическими методами определять местное время и появились первые таблицы и альманахи с предсказаниями моментов начала и конца затмений в различных пунктах Земли. Известно, в частности, что им воспользовался X. Колумб. Во время второго и четвертого плаваний он, пользуясь альманахом и эфемеридами, составленными Региомонтаном, определял долготу по лунным затмениям 14 октября 1494 г. и 29 февраля 1504 г. Ошибка в долготе в первом случае составила 1,5 часа, а во втором — 2,5 часа.

Чем вызвана такая большая ошибка — погрешностями при вычислениях моментов затмения или неточностью наблюдений,— сказать трудно. Надо заметить, что даже во времена Ньютона ошибка в предсказании лунного затмения составляла иногда час и более, поэтому в то время моряки были вполне довольны, если им удавалось определить долготу с точностью до двух градусов.

Неточность плавания приводила порой к серьезным казусам. Так было с X. Колумбом, когда, возвращаясь к родным берегам после открытия Америки, он, определив широту, не мог точно сказать, где все-таки находится его судно — перед Азорскими островами или они давно остались позади. Сильный шторм усугубил неуверенность, что заставило X. Колумба выбросить на всякий случай в океан бочонок с сообщением о своем открытии Нового Света. К счастью, все обошлось благополучно, и великий мореплаватель добрался до берегов Испании. Здесь он убедился, что его помощники, определяя долготу по пройденному расстоянию, ошиблись в расчете более чем на 400 миль!

В процессе развития мореплавания, навигации и картографии постоянно требовалось повышение точности определения координат на море. Отправляясь в дальние плавания, моряки XVI— XVII вв. располагали уже целым набором навигационных инструментов и приборов: компасом, астролябией, лагом, лотом и, конечно, песочными часами. Однако из-за того, что все инструменты были неточными, а влияние ветра и течения если и учитывалось, то лишь приближенно, суда нередко оказывались в сотнях миль от предполагаемого места.

В 1567 г. испанским мореплавателем Менданья де Нейрой были открыты Соломоновы острова, но из-за неточного определения их местоположения они затем на два столетия были “потеряны” и открыты вновь лишь в 1767—1768 гг. экспедицией Бугенвиля.

Иногда на поиски берегов уходили целые недели и даже месяцы и не всегда они венчались успехом. Вся беда была в том, что моряки не могли еще определенно ответить на самый главный для них вопрос: в какой точке океана находится судно. Ведь если широту хотя бы и ориентировочно в ясную погоду по высотам Солнца или звезд они могли как-то измерить (при этом, конечно, надо было пользоваться каталогом склонений звезд или солнечными таблицами), то определять долготу не умели совсем (при продвижении на восток или на запад картина звездного неба остается неизменной) и полагались лишь на очень приближенное счисление ее по данным компаса и лага. По этой причине капитаны в то время чаще вели корабль не по прямой — самому короткому пути из точки в точку, а ходом шахматного коня. Сначала спускались или поднимались вдоль берега до нужной широты и лишь затем поворачивали на восток или на запад.

Проблема определения долготы многие века волновала и моряков, и ученых, стремившихся решить эту важную задачу.

В 1514 г. Иоган Вернер из Нюрнберга (1468—1522) предложил определять долготу по методу “лунных расстояний”, основанному на законах движения Луны по отношению к другим небесным телам. Луна благодаря вращению вокруг Земли быстро изменяет свое положение относительно звезд. Если заранее рассчитать для определенных географических мест таблицы расстояний Луны до неподвижных звезд для каждого дня, часа и минуты, то можно рассчитать разность долгот.

Идею эту высказывали и ранее, в частности Региомонтан, однако практическая разработка ее принадлежит Вернеру.

Метод состоял в том, что с помощью градштока или какого-либо другого угломерного инструмента измеряли расстояние между Луной и одной из расположенных поблизости звезд, а затем с помощью астрономических таблиц положений звезд и альманаха с предвычисленными положениями Луны определяли разность долгот. Другими словами, Вернер предлагал использовать небесную сферу в качестве гигантских часов, у которых Луна выполняет роль стрелки, а зодиакальные звезды — циферблата.

Однако реализовать этот метод в открытом море во времена Вернера было невозможно из-за отсутствия достаточно точных угломерных инструментов и соответствующих астрономических таблиц. В XVII—XVIII вв. теория движения Луны позволяла определять ее положение с погрешностью около 2—3°, а надо было не хуже 2—3'. Практически использовать метод “лунных расстояний” стали лишь в 1760-х гг. после изобретения секстана и публикации “Морского альманаха” (1766) с таблицами точного положения звезд и расстояний от Луны до Солнца и некоторых зодиакальных звезд на каждые три часа для всего года. Метод требовал нескольких одновременных наблюдений (углового расстояния между Луной и звездой или Солнцем, высоты звезды или Солнца, высоты Луны), точного определения по наблюдениям местного времени и довольно сложных вычислений для учета параллакса и рефракции. Кроме того, таким образом определить долготу можно было лишь при хорошо видимом горизонте. Из-за этих сложностей широкого применения метод не мог найти.

Галилей предлагал использовать для определения долготы затмения четырех спутников Юпитера, которые он обнаружил с

помощью изобретенного им телескопа (1610). Они происходили гораздо чаще, чем затмения Луны (от одного до трех почти ежедневно) и длились меньше. Однако и этот способ не нашел распространения из-за незнания точных законов движения спутников и сложности наблюдений — телескоп, за который ратовал Галилей, на качающейся палубе был бесполезен.

В 1674 г. некий Генри Бонд предложил еще один способ определения долготы — путем сравнения наблюденного магнитного склонения и его величины, нанесенной на карте. (По некоторым данным, идея определения долготы по магнитному склонению высказывалась и ранее, например в 1599 г. Э. Райтом из Кембриджа в сочинении “Некоторые погрешности в кораблевождении, обнаруженные и исправленные”.) Чтобы реализовать этот способ, в 1702 г. была издана карта мира с нанесенными на ней линиями равных склонений. Однако и этот способ мало помог морякам: линии изогон (равных склонений) далеко не всегда расположены благоприятно для определения долготы, т. е. с севера на юг, часто они идут вдоль параллели и бывают весьма разреженными. Кроме того, известные к тому времени склонения были измерены грубо и лишь в отдельных районах, а изменчивость склонения была еще мало изучена. Так что этим способом определить долготу можно было лишь приближенно и не везде.

Первым предложил воспользоваться часами для определения долготы в море фризийский астроном и математик Гемма Фризий. В 1530 г. в своей работе “Принципы астрономической космографии” он писал: “В нашем веке мы имеем некоторое количество небольших искусно изготовленных часов, находящих себе определенное применение. В связи с их небольшими размерами эти часы необременительны в путешествии. Часто они могут идти непрерывно свыше 24 часов. А с вашей помощью они смогут идти вечно. Используя такие часы и некоторые методы, можно определить долготу. Прежде чем отправиться в путешествие, мы должны позаботиться о том, чтобы точно найти время в исходном пункте, из которого мы отправляемся. Когда мы отойдем на 15—20 миль, пожалуй, можно узнать разность долгот между тем местом, которого мы достигли, и местом нашего отправления. Мы должны подождать до тех пор, пока часовая стрелка наших часов не подойдет точно к часовой отметке циферблата, и в этот же момент с помощью астролябии или глобуса определить время в том месте, где мы находимся. Если это время с точностью до минуты совпадет с тем временем, которое показывают наши часы, то можно быть уверенным, что мы до сих пор находимся на том же самом меридиане, или на той же долготе, и наше путешествие проходило в южном направлении. Но если эта разность достигнет одного часа или некоторого количества минут, тогда эти величины мы должны перевести в градусы или градусные минуты... и таким образом получить долготу”. Но для того, чтобы “возить” местное время порта отправления с собой, нужны были очень точные часы, способные работать длительное время в условиях качки, влажности и большого перепада температур. Например, на широте экватора ошибка часов всего в одну минуту приводила к погрешности в определении долготы в 15 миль, т. е. почти в 28 километров. Но и таких часов в то время не было. Да и положения небесных светил были определены весьма грубо. Проблема оставалась нерешенной.

Автор одного из морских сочинений того времени писал: “В настоящее время находятся некоторые любознательные люди, которые хотели бы иметь способ для определения долготы, но процесс ее нахождения слишком затруднителен для моряка, так как требует глубоких познаний по астрономии; почему я не хотел бы, чтобы кто-нибудь думал, что долготу в море можно найти при помощи какого-нибудь инструмента; пусть поэтому моряк не смущает сам себя какими-нибудь для этой цели служащими правилами, а привычным ему способом пусть хорошенько обсуждает свое плавание и ведет счисление пути своего корабля”.

В 1567 г. испанский король Филипп II назначил вознаграждение тому, кто сможет отыскать простой способ определения долготы в море. В 1598 г. Филипп III повторил обещание о вознаграждении. Солидные суммы предлагали Генеральные Штаты Нидерландов, Португалия и Венеция. Возник ряд предложений. Одно из них попало в 1655 г. в руки Гюйгенса. Он быстро понял, что предложенный проект неверен. Но вопрос его заинтересовал, и он занялся конструированием часов. Больше всего, как это видно из писем ученого, его интересовали именно морские часы, которые были бы способны хранить время в течение многих месяцев в любых климатических условиях и при любых движениях корабля.

Работы по теории маятника пригодились: в изобретенных им часах пружина создавала силу, приводящую в движение систему колес часов, а маятник обеспечивал равномерность их хода.

В 1658 г. Гюйгенс опубликовал свое изобретение и... был обвинен в плагиате на том основании, что идея маятниковых часов принадлежит Галилею. Гюйгенс внимательно ознакомился с работами Галилея и убедился, что они содержат лишь идею, технически не реализованную, и ответил оппонентам, что считает для себя большой честью тот факт, что ему удалось решить вопрос, не доведенный до конца даже великим Галилеем.

Работая над часами, Гюйгенс добивался точной изохронности колебаний маятника и создания опорно-анкерного спуска, благодаря которому маятник получает периодические толчки, которые не дают ему остановиться из-за трения и сопротивления воздуха.

В 1662—1677 гг. “хранители времени” Гюйгенса прошли испытания на море. Часы на судах прикрепляли к столбу и закрывали специальным футляром. Позже, чтобы уменьшить влияние качки, Гюйгенс предложил подвешивать часы в кардановые кольца.

В 1668 г. часы Гюйгенса, выдержав два шторма и морское сражение, позволили определить разность долгот между Тулоном и Критом с ошибкой в 100 километров. Это был несомненный прогресс для того уровня навигации. Однако положительные результаты часто сменяли неудачи. Так, в 1670 г. во время плавания голландского адмирала Ришера в Канаду и Индию невязка по долготе оказалась очень большой. Гюйгенс, тщательно проанализировав результаты всех испытаний, пришел к выводу, что маятник, несмотря на все принятые меры, в условиях корабля “работает” беспорядочно и недостаточно надежен. Даже небольшое изменение длины маятника, например из-за повышения (понижения) температуры, значительно влияло на точность хода часов. Поэтому в 1674 г. он отказался от него и предложил в качестве регулятора хода использовать балансир — маховое колесо, совершающее с помощью пружины колебательные движения около положения равновесия. Это был значительный шаг вперед. Но прошло еще целых 100 лет, пока удалось изготовить морской хронометр, удовлетворяющий требованиям мореплавателей.

Гейгенсу мы обязаны не только приспособлением маятника к часам, но и развитием основ его теории, в частности, определением формулы его движения. Опубликованная в 1673 г. книга ученого “Маятниковые часы” принадлежит к числу самых замечательных трудов по механике, написанных в XVII в. Неслучайно ее ставили в один ряд со знаменитыми “Началами” Ньютона.

Открытие законов маятника позволило не только создать точные измерители времени, но и способствовало целому ряду других открытий и изобретений, в том числе в технике навигации.

Маятник помог установить, что сила тяжести на земной поверхности меняется. Случилось это так. В 1672 г. французский астроном Рише по поручению Парижской Академии наук отправился для наблюдений в экваториальную зону Южной Америки. Прибыв в Кайенну, он неожиданно для себя обнаружил, что тщательно выверенные в Париже маятниковые часы стали отставать на две с половиной минуты в сутки, т. е. маятник стал колебаться значительно медленнее, чем обычно. Чтобы восстановить нормальный ход, его пришлось укоротить. Когда после двух лет работы в Кайенне Рише вернулся в Париж, он заметил, что теперь его часы стали спешить ровно на две с половиной минуты. Вывод мог быть один — сила тяжести, от которой зависит ускорение, на экваторе слабее, чем в Париже.

После опубликования в 1679 г. наблюдений Рише в ученой среде разгорелись споры. Высказывались разные предположения, однако только Ньютон сумел понять причину изменения хода часов. Он объяснил, что ослабление силы тяжести на экваторе вызвано вращением и сжатием Земли, которое тогда еще не было известно ученым. Таким образом, благодаря маятнику Ньютон, не выходя из кабинета, доказал, что Земля сжата у полюсов и вытянута вдоль экватора, т. е. фигура Земли представляет собой сжатый эллипсоид. Отсюда разность в притяжениях — чем ближе тело, находящееся на поверхности Земли, к ее центру, тем больше притяжение.

Последующие исследования с помощью маятника позволили уточнить форму Земли и установить так называемую “уровенную поверхность”, которую принимают при расчетах за поверхность Земли. Тело, ограниченное этой поверхностью, существующей лишь на пространстве океанов и продолженной под континенты, назвали геоидом. В отличие от земного эллипосида геоид не представляет правильной геометрической фигуры. Определение положения поверхности геоида имеет очень важное значение для точной навигации.

Особенно широкое применение нашел маятник в технических средствах навигации, главным образом в качестве чувствительного элемента в приборах определения вертикали, но об этом мы расскажем позже, а сейчас вернемся к проблеме долготы.

 

Решение долготной проблемы

 

 

Конец XVII — начало XVIII в. ознаменовались рядом крупных морских катастроф. В 1691 г. у берегов Англии село на мель несколько военных кораблей, принявших в районе Плимута мыс Доуман за мыс Берри-Хид. В 1694 г. из-за ошибки в расчете своего местоположения в Гибралтарском проливе села на мель эскадра Уилера. Ее штурманы ошиблись в счислении, полагая, что пролив уже пройден.

Наиболее трагичной была гибель ряда кораблей английской эскадры адмирала Клаудисли Шовела, унесшая около 2000 человеческих жизней, в том числе и самого адмирала. В сентябре 1707 г. эскадра из 21 корабля направилась из Средиземного моря к родным берегам. 21 октября она подошла к устью Ла-Манша. В предшествовавшие дни бушевал шторм, солнца не было, уточнить широту моряки не могли, вследствие чего ошиблись в расчете своего места и оказались на камнях вблизи островов Силли.

Гибель большого числа людей и потеря за короткий промежуток времени стольких судов взволновали Англию. Было очевидно, что катастрофы связаны в первую очередь с неточностью карт, некачественными лоциями и главным образом с неумением достаточно точно определять свое местоположение. Проблема долготы обострилась, именно она считалась ключом к обеспечению безопасности плавания.

Вопрос определения долготы стал предметом частых дебатов в английском парламенте, по его решению была создана специальная комиссия, в которую вошли такие выдающиеся ученые, как И. Ньютон, Э. Галлей, Д. Флемстид. Парламент поручил комиссии разработать билль (законопроект), который бы стимулировал работы по обеспечению безопасности плавания и предусматривал крупное вознаграждение человеку или группе лиц, предложивших решение задачи определения долготы на море.

17 июня 1714 г. представленный билль был одобрен парламентом, а 1 августа 1714 г. подписан королевой Англии Анной.

Согласно этому закону автору или авторам, предложившим проект, позволяющий определять долготу с точностью не менее 1° или 60 морских миль, была обещана крупная премия в 10 тысяч фунтов стерлингов; 15 тысяч фунтов стерлингов — если будет обеспечена точность не хуже 40 миль; и 20 тысяч — 30 миль (20 тысяч фунтов стерлингов XVII в. эквивалентно почти полумиллиону нынешних) . При этом в законе о долготе была сделана существенная оговорка, что предложенный метод должен быть обязательно “проверен и оценен с точки зрения его практичности и полезности на море”.

Одновременно с принятием закона комиссия экспертов была преобразована в Совет по изысканию способов определения долготы в море. В него должны были входить, кроме выдающихся ученых, верховный адмирал Великобритании, председатель палаты общин, первый член Совета от военно-морского флота, представитель от министерства торговли, президент королевского общества, королевский астроном и десять членов парламента.

Примеру Англии последовала Франция. В 1716 г. регентом Филиппом, герцогом Орлеанским, за определение долготы был учрежден приз, присуждаемый Французской Академией наук.

Принятый закон о долготе и назначенные призы явились хорошим стимулом для активизации работ по обеспечению безопасности плавания. Однако ни одно из поступивших в Совет предложений до 1737 г. полностью одобрено не было.

Одной из первых заявок, претендовавших на приз, была идея математиков Хемфри Диттона и Уильяма Уинстона, опубликованная в 1714 г. Они предложили на наиболее оживленных морских путях через определенные расстояния установить на якорях суда, измерив их географические координаты. Ровно в полночь по местному времени острова Тенерифе каждое судно должно было произвести залп из мортир в вертикальном направлении с таким расчетом, чтобы снаряды взрывались точно на высоте 2000 метров. Суда, проплывавшие мимо, должны были измерять пеленг на сигнал и дальность (по времени между вспышками и моментом прихода звукового сигнала) и определять по ним свое местоположение.

По поводу этого фантастического предложения, как пишет историк Гринвичской обсерватории Д. Хауз, вскоре были опубликованы стихи такого иронического содержания:

Хитрец Уинстон долготу
Сокрыл от нас в тумане.
Милейший Диттон вместе с ним
Повинен в том обмане.
Так воздадим, друзья, сполна
Заслугам сих мужей науки,
Для нас исчезла долгота,
Но глупость просится нам в руки.

Премия в соответствии с законом о долготе в общей сумме 22 500 фунтов стерлингов была вручена лишь в середине 70-х гг. XVIII в. восьмидесятилетнему механику Джону Гаррисону, или, как его еще прозвали, Джону Долготе, за создание высокоточных часов-хронометров (от греч. “хронос” — время и “метрос” — измерение), которые позволили, наконец, решить эту проблему веков, ассоциировавшуюся с неразрешимой “квадратурой круга”.

А начиналось это так. Джон Гаррисон, сын сельского плотника из Уэкфильда в Йоркшире, в молодости увлекался часами и добился в этом неплохих результатов — конструкции созданных им часов отличались точным и стабильным ходом. В 1730 г., находясь в Лондоне, он впервые узнал о назначенном парламентом призе и о том, что один из путей решения долготной проблемы лежит в области создания точного “хранителя времени”. Задача показалась ему по силам, и он приступил к работе.

Гаррисон начал с решения тех вопросов, которые вставали еще перед Гюйгенсом: надо было снизить до минимума зависимость хода часов от изменения температуры, влажности, качки и хода корабля. Еще в 1725 г. он для обеспечения температурной компенсации разработал маятник, собранный из цинковых и стальных стержней, т. е. из разнородных металлов с разными коэффициентами расширения. Стержни были соединены так, что при изменении температуры длина одних увеличивалась, а других уменьшалась. При надлежащем подборе размеров стержней длина маятника при колебаниях температуры оставалась неизменной. Это техническое решение дало отличные результаты, и теперь он решил реализовать его в новых часах в виде составного балансира. Он сделал колесо его не сплошным, как у Гюйгенса, а состоящим из двух спаянных полосок, одна из которых была выполнена из латуни, а другая — из стали. Это позволило обеспечить устойчивость хронометра к колебаниям температуры.

Гаррисон закончил работу над первым хронометром в 1735 г. и представил его в Совет по долготе. Конструкция его была весьма необычна. Маятник заменяли два больших балансирных колеса, которые качались во встречных направлениях, вследствие чего влияние движения корабля на один балансир компенсировалось другим. Сами балансиры, как мы уже упоминали, были составными. Для указания времени были предусмотрены четыре циферблата — для секунд, минут, часов и суток. Хронометр был весьма громоздок и весил более 30 килограммов, хотя многие детали его были изготовлены из дерева.

В 1736 г. при содействии Э. Галлея и непосредственном участии изобретателя были проведены испытания этого хронометра на кораблях “Центурион” и “Орфорд”. Прибор показал неплохую точность, что письменно подтвердили капитаны судов. Однако ни сам Гаррисон, ни члены Совета не были в полной мере удовлетворены результатами, так как суда совершали рейс до Лиссабона и обратно, т. е. вдоль меридиана, а при таком плавании оценить точность сохранения начальной долготы было трудно.

В 1739 г. был изготовлен второй образец хронометра. Но он мало отличался от первого — был громоздок и тяжел, как и его предшественник (высота около 1,5 метров, а масса почти 50 килограммов). Работа не удовлетворила Гаррисона, но натолкнула на ряд новых идей, и он приступил к изготовлению третьего варианта хронометра, на что ушло 19 лет. Совет решил провести испытания нового хронометра в сложных условиях длительного похода в Вест-Индию. Пока шла подготовка к походу, Гаррисон представил четвертый вариант, который, по его словам, “превзошел все ожидания”.

18 ноября 1761 г. корабль “Дептфорд” с хронометрами, которые сопровождал сын Джона Уильям взял курс на Ямайку. За 81 день плавания часы накопили ошибку всего в 5 секунд. Достаточно высокую точность они показали и на обратном пути в Англию — ошибка в координатах по прибытии в Портсмут составила всего 16 миль.

Таким образом, условия закона от 1714 г. были выполнены и Гаррисон вправе был рассчитывать на долгожданный приз. Однако Совет по долготе решил ограничиться пока вознаграждением в 5000 фунтов стерлингов, ссылаясь на недостаток данных и уникальность изготовленного в одном экземпляре образца. Гаррисон отказался от этих денег, желая получить все 20 тысяч и настоял на повторении испытаний в еще более жестких условиях. Они были проведены в 1784 г. во время похода корабля Его величества “Тартар” из Портсмута к острову Барбадос. Были предприняты самые строгие меры по обеспечению беспристрастности испытаний и объективной оцен ки их результатов. И на этот раз они были отличными. Для принятия окончательного решения о призе Совет потребовал открыть секреты изготовления хронометра и, чтобы убедиться в возможности его повторения, поручил часовому мастеру Леркуму Кендэллу сделать с него копию.

Эту модель Кендэлла и три других, изготовленных Дж. Арнольдом, по рекомендации Совета, взял в свое второе плавание капитан Дж. Кук. За время трехлетнего плавания хронометр, изготовленный Кендэллом, зарекомендовал себя великолепно. Кук писал по этому поводу секретарю Адмиралтейства: “Часы мистера Кендэлла превысили ожидания даже самых рьяных их защитников; этот инструмент, показания которого корректировались по лунным наблюдениям, являлся нашим верным проводником через все привратности и климаты”.

Проблема долготы таким образом была, наконец, решена. Сомнения Совета по долготе рассеялись и Дж. Гаррисон получил заслуженную премию.

Во Франции над созданием точного “хранителя времени” работали многие, но больше всего преуспели в этом королевский часовщик Пьер ле Руа (1717—1785) и Фердинанд Берту (1729—1807). Их хронометры после многих доработок, наконец, успешно прошли длительные корабельные испытания и показали положительные результаты. В 1773 г. Пьер ле Руа был удостоен за лучшие французские хронометры королевского приза.

Достоинства хронометров, или, как их еще называли, “долготных часов”, были быстро оценены мореплавателями, но внедрялись они на кораблях медленно, так как лишь высококвалифицированные механики могли их изготовить, да и то в небольших количествах. И стоили они очень дорого. Тем не менее все крупные плавания второй половины XVIII в. совершались уже с хронометрами. Ими пользовались Дж. Кук, Ж. Лаперуз, Д. Антрекасто. Однако французскому гидрографу Жозефу де Коргелену, который 16 января 1772 г. отправился из Порт-Луи на острове Маврикий в поисках Южного континента, заполучить хронометр, несмотря на большие старания, не удалось. Это привело к тому, что место открытого им архипелага, названного впоследствии его именем, было определено с ошибкой в 240 миль, т. е. примерно в 450 километров.

Массовое производство хронометров для навигации было освоено в странах Западной Европы лишь к концу XVIII — началу XIX в.

В России необходимость точного измерения времени для определения места в море поняли рано. Еще М. В. Ломоносов считал, что для определения долготы лучший способ — сравнение “времени на меридиане корабельном и времени на первом меридиане”. Занимаясь вопросами подготовки специальной экспедиции по открытию кратчайшего морского пути из Европы в Китай, он не только внес ряд усовершенствований в часы, чтобы сделать их более пригодными для использования на корабле, но и предложил свою конструкцию четырехпружинных морских часов, которые должны были, по замыслу автора, обеспечить равномерность хода и возможность заводки их без остановки. Ломоносов обратил внимание, что на ход морских часов значительное влияние оказывают изменение температуры окружающего воздуха и динамика корабля, и рекомендовал во время экспедиции: “Положить часы внутрь корабля, в части, погруженной в море, где растворение воздуха мало переменяется. Притом сие положение при середине корабля не столь много колебаниям подвержено”.

Чтобы избежать влияния колебаний температуры и качки, ученый предлагал также использовать “металлические высыпные часы”, похожие на песочные, но заполненные специально изготовленной по его технологии серебряной дробью. По мнению Ломоносова, такие часы должны были позволить “чинить астрономические наблюдения на корабельном меридиане” и, сравнивая их показания со временем на первом меридиане, можно было “выводить долготу места”.

Конечно, конкурировать с хронометром такие часы не могли, но важно подчеркнуть устремленность в этом направлении мысли ученого, который в то время еще не был знаком с работами Гаррисона.

Часовое дело в России в то время было развито неплохо. Достаточно вспомнить таких выдающихся мастеров, как механик Российской Академии наук И. П. Кулибин (1735—1818), его современник Т. И. Волосков (1729—1806), Л. Ф. Собакин (1746—1818) и др. Собакин создал астрономические часы, которые по своей сложности не имели равных. Они показывали не только время в часах, минутах и секундах, но также воспроизводили движение Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли и изменение их расположения относительно неподвижных звезд; движение Солнца по эклиптике с обозначением 12 знаков зодиака, восход и заход Солнца в разных местах; чередование високосных и не високосных годов; изменение фаз Луны, затмения Луны; географические координаты важнейших городов; “вечный” календарь с указанием текущего месяца, количества в нем дней; числа и наименования дня; сведения по политической географии и др.

Но это были, конечно, стенные часы большого размера. Морских хронометров русские мастера в то время не изготовляли, и их закупали у иностранных фирм, в основном у английских. Шесть хронометров установили на шлюпах “Надежда” и “Нева”, совершивших в 1803—1806 гг. кругосветное плавание под командованием И. Ф. Крузенштерна и Ю. Ф. Лисянского. С помощью хронометров определяли долготу Ф. Ф. Беллинсгаузен и М. П. Лазарев во время экспедиции в Антарктиду в 1820 г. на шлюпах “Восток” и “Мирный”. Так, в своем дневнике М. П. Лазарев отмечал: “Были на Таити для поверения своих хронометров, которые оказались верны, а потому и заключить можем, что открытия наши положены на карты с довольною точностью”.

В 1839 г. была основана Пулковская обсерватория, цель которой по уставу состояла в производстве: “а) постоянных и сколь можно совершеннейших наблюдений, клонящихся к преуспеванию астрономии, и б) соответствующих наблюдений, необходимых для географических предприятий в империи и для совершаемых ученых путешествий. Сверх того, в) она должна содействовать всеми мерами усовершенствованию практической астрономии...”.

Основание обсерватории способствовало развитию в России и работ над точными хранителями времени”. В частности, в 1856 г. в “Морском сборнике” № 2 была опубликована работа директора Пулковской обсерватории академика В. Я. Струве “О компенсации хронометров”, в которой он разработал рекомендации по корректировке показаний хронометров с учетом изменений их хода в зависимости от изменения температуры. Это позволило повысить точность определения долготы.

Закупавшиеся у иностранных фирм хронометры тщательно проверяли в Кронштадтской Морской обсерватории, организованной в 1856 г., и затем отправляли их на корабли. Здесь же проводили исследования по постоянству их хода, чувствительности к изменению температуры, влажности и т. п. В обязанности астронома Кронштадтской обсерватории входило “точное определение времени как для военных, так и для купеческих судов, проверка хронометров и показание времени судам, на рейде и в гавани... выполнение ученых изысканий относительно приложения астрономии к навигации”.

В 1849 г. на Выставке российских мануфактурных изделий в качестве экспоната уже был представлен морской хронометр, изготовленный русским мастером А. Ф. Рогиным. С 1865 г. хронометры начала выпускать расположенная в Петербурге мастерская Августа Эриксона. Изделия этой мастерской получили высокую оценку на ряде промышленных выставок и среди моряков. Они почти вытеснили хронометры, покупаемые за границей. Эта мастерская обслуживала нужды военно-морского флота до 1902 г., когда появилась вторая мастерская Карла Эриксона —однофамильца Августа. Зависимость от импорта с открытием этой мастерской была сведена к минимуму.

Механизм морского хронометра, вмонтированный в металлический корпус со стеклянной крышкой, устанавливают в кардановом подвесе в деревянном ящике с двойной крышкой. Первую открывают, когда надо только снять отсчет времени, вторую — когда требуется завести прибор и установить его стрелки.

Постоянство суточного хода современных хронометров доведено до десятых долей секунды. Так, электронный хронометр Chronostat IV, созданный швейцарской фирмой “Бернард Голар С. А.”), имеет батарейку питания емкостью на 18 месяцев непрерывной работы, водонепроницаемый и ударостойкий корпус. Точность хода, обеспечиваемая кварцевым кристаллическим осцилятором при нестабильных окружающих условиях, составляет всего 0,1 секунды в сутки. Прибор может управлять работой часовых репитеров, размещаемых в различных помещениях судна.

Сейчас всем хорошо известно, что долгота отсчитывается от нулевого меридиана, проходящего через обсерваторию города Гринвича близ Лондона. Но так было не всегда. Астрономы древности отсчитывали долготу, как правило, от той местности, где они производили наблюдения. Например, Гиппарх за начало брал Родосский меридиан, т. е. долготу острова Родос, где он жил. Его последователь Птолемей нулевым считал меридиан острова Фортуны, который назывался западной границей мира, а арабы отсчитывали долготу от

островов Зеленого Мыса/ Многие моряки в течение длительного времени измеряли долготу в счислении от порта, из которого вышло судно, или от какой-либо отличительной географической точки, например острова, мыса и т. п.

В 1493 г. папа Александр VI утвердил демаркационную линию, разделяющую сферы влияния Испании и Португалии. Она проходила на 100 лиг западнее Азорских островов и использовалась многими картографами в качестве нулевого
меридиана. В созданном в 1556 г. труде “Arte de Navigar” (“Искусство навигации”) его автор Мартин Кортес предлагал отсчет долготы вести от вертикальной линии, проведенной “через Азоры или ближе к Испании, где на карте больше
свободного места”.
Вначале такой разнобой в выборе нулевого меридиана особенно никого не смущал, но когда появились относительно точные морские карты, произвольный счет долготы нередко стал приводить к путанице. Каждый издатель карт помещал меридиан там, где ему это больше нравилось. При этом на одних картах долгота отсчитывалась к западу, на других — к востоку. Необходимость наведения порядка в этом вопросе обострилась в эпоху Великих географических открытий, когда на карты надо было нанести новые земли и уточнить их географические координаты.

В 1573 г. король Испании Филипп II издал указ, согласно которому на всех испанских картах долготы должны отсчитываться от меридиана города Толедо к западу.

Первая попытка установить единый для всех государств начальный меридиан была предпринята в 1634 г. на конференции ведущих математиков и астрономов, созванной во Франции по инициативе кардинала Ришелье. Ученые договорились нулевым считать меридиан, проходящий через западный берег самого западного из Канарских островов — Ферро. Но в это время шла Тридцатилетняя война, и решения конференции распространения не получили.

В 1676 г. начала свою работу Королевская обсерватория, сооруженная на высоком холме на месте старого замка в Гринвиче. Этой обсерватории суждено было стать наиболее полезной для мореплавания. Она была учреждена по приказу короля Карла II с целью “пойти навстречу нуждам мореплавателей”. Первым крупным успехом обсерватории стало доказательство Флемстидом того, что Земля вращается с достаточно постоянной скоростью, что было очень важно для определения долготы с помощью хронометров. Много было сделано уже в первые годы и для организации в Гринвиче службы точного времени.

Гринвичская обсерватория приобретала известность и мореплаватели при определении долготы все чаще стали ориентироваться на меридиан Гринвича, тем более что многие используемые моряками карты и морские альманахи имели британское происхождение. К 1871 г. уже двенадцать стран на морских картах отсчитывали долготы от Гринвичского меридиана.

В октябре 1884 г. в Вашингтоне состоялась Международная меридианная конференция “...для обсуждения и, если представится возможность, для фиксирования меридиана, подходящего для использования в качестве нуля долготы и поясного времени на всем земном шаре”. Конференция продолжалась месяц. Было отмечено, что ранее выдвинутые предложения о прохождении нулевого меридиана через острова Ферро и Тенерифе, через один из храмов Иерусалима, пирамиду Хеопса не могут быть приняты. Требования таковы, что меридиан должен проходить через одну из наиболее выдающихся обсерваторий, способную постоянно проводить самые точные наблюдения, и при этом не должна возникать необходимость в большой переделке уже изданных карт и пособий.

Больше всего таким требованиям удовлетворял меридиан Гринвича, точнее меридиан, проходящий через ось одного из телескопов Гринвичской обсерватории. В Резолюции конференции было записано: “От этого меридиана долгота должна отсчитываться в двух направлениях до 180° — на восток со знаком плюс и на запад со знаком минус”.

 

Радиосигналы времени над океаном

 

 

Международная меридианная конференция 1884 г. наряду с резолюцией о нулевом меридиане приняла решение применять среднее Гринвичское время в качестве всемирного. Было рекомендовано все альманахи и морские ежегодники выпускать с расчетом на местное время Гринвича.

Для того чтобы точно определить долготу, хронометр должен быть выставлен по Гринвичскому времени и ход его должен постоянно контролироваться. На первом этапе задачу эту решали или астрономическими наблюдениями, или сличением с эталонными часами, показывающими Гринвичское время в пункте отхода судна.

Для сличения хронометров с эталонными “хранителями всемирного времени” пользовались переносными часами, так как хронометр не рекомендовалось лишний раз перемещать, чтобы не подвергать его тряске и воздействию изменений окружающей среды. Для выставки переносных часов на заре появления хронометров пользовались сигналами, подаваемыми с берега специально для кораблей, находящихся в гавани. В качестве сигналов использовали выключение прожекторов, спуск флага, выстрел пушки, удары колокола и т. п.

В 1824 г. капитан британского военно-морского флота Р. Уошоп предложил для подачи сигнала точного времени использовать сигнальный шар. В 1833 г. такое сигнальное устройство было сооружено на восточной башне Королевской обсерватории в Гринвиче.

Над башней ежедневно в 12 часов 58 минут поднимался красный шар, что служило предупреждением к готовности проверки времени. Ровно в 13.00 по эталонным часам сотрудник обсерватории освобождал шар от опоры, и он падал. С 1852 г. момент падения шара стали контролировать с помощью электрического сигнала. Гринвичский сигнальный шар был хорошо виден на судах, находящихся на Темзе.

С внедрением телеграфа задача упростилась. Теперь электрический импульс, посылаемый эталонными часами, мог привести в действие в любом месте сигнальное устройство, пушку, колокол и т. п., расположенные даже на большом расстоянии от обсерватории. Во второй половине XIX в. сигнальные устройства точного времени, приводимые в действие по телеграфу, были установлены во многих крупных морских портах Европы.

В Петербурге еще в 1735 г. астроном академик Ж. Н. Делиль (1688—1768) предложил для сверки часов ежедневно ровно в пол день по сигналу из астрономической обсерватории производить выстрел из пушки с одного из бастионов Адмиралтейства. Однако проект этот не был одобрен императрицей Анной Иоанновной (1693— 1740) и был надолго забыт.

К идее обозначать полдень выстрелом из пушки вернулись лишь в середине XIX в. В 1862 г. между Пулковской обсерваторией и Петербургом была проложена телеграфная связь, по которой стали передавать сигналы точного времени. По этим сигналам было решено выстрелом из пушки с территории Адмиралтейства “возвещать Петербургу полдень”.

Первый такой выстрел был произведен 6 февраля 1865 г.

Сигнал поступал на электрические часы, расположенные в комнате коменданта крепости. Последние были соединены электропроводом с одной из пушек и ежедневно в полдень замыканием контакта электроцепи воспламеняли порох в ней.

В 1905 г. командир морского порта С.-Петербурга заявил, что сигнальные выстрелы позволяют проверять судовые хронометры лишь с точностью до 1,5 секунды, что недостаточно для навигационных целей. С тех пор сигналы подавались только для гражданских нужд, а потом и вовсе были прекращены. В настоящее время выстрелы с Петропавловской крепости — лишь дань традиции. Их возобновили в июне 1957 г. в дни празднования 250-летия Ленинграда.

В 1866 г. самый крупный корабль в мире того времени “Грейт Истерн” занимался прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля. Во время этих работ по только что проложенному кабелю на “Грейт Истерне” дважды в день принимали по телеграфу сигнал времени из Гринвича, что впервые в мире позволило без визуальных способов наблюдения определять с высокой точностью долготу местонахождения корабля в открытом море.

Но все корабли, конечно, не могли таскать за собой кабели, поэтому, чтобы повысить точность наблюдений и гарантировать себя от неприятностей на случай потери времени из-за остановки часов, мореплаватели возили с собой по несколько хронометров и пользовались средним значением их показаний. Таким же методом повышали точность определения долготы различных географических пунктов. Так, в 1823 г. при определении разности долгот между Дувром и Портсмутом морем перевозили 30 хронометров. При съемке координат Балтийского моря в 1833 г. экспедиция русского географа Ф. Ф. Шуберта использовала 56 хронометров, а при определении координат Пулковской обсерватории понадобился уже 81 хронометр.

7 мая 1895 г. русский ученый и электротехник А. С. Попов (1859—1905/06) продемонстрировал на заседании физического отделения Русского физико-химического общества изобретенный им впервые в мире радиоприемник. Родилась электрическая связь без проводов. В марте 1896 г. была передана на расстояние 250 метров первая в мире радиограмма, состоящая из двух слов, “Генрих Герц”. Весной 1897 г. дальность радиосвязи достигла 600 метров, а в 1901 г.— уже 150 километров.

Изобретение радио коренным образом изменило всю службу времени, в том числе и на судах.

Первыми возможностью передавать сигналы времени по радио для нужд навигации воспользовались американцы. В 1904 г. такие сигналы начала передавать радиослужба ВМС США из штата Навесинка. В январе 1905 г. регулярные передачи полуденных сигналов времени начала радиостанция Вашингтона, а в 1907 г.— радиостанция “Норддойч радио” Германии.

В 1908 г. Бюро долгот Франции приняло решение передавать радиосигналы времени с Эйфелевой башни. Регулярные передачи начались 23 мая 1910 г. в полночь. Сигнальный маятник Парижской обсерватории при своем качании замыкал контакт электроцепи и по кабелю приводил в действие реле излучающей радиостанции, установленной на Эйфелевой башне. Ритмические сигналы этой радиостанции позволяли определять ошибки в ходе хронометров с точностью до 0,01 секунды. С 1912 г. сигналы времени начала передавать и Гринвичская обсерватория.

Хранение времени значительно упростилось. Моряки теперь могли выверять свои хронометры, не заходя в порт. К тому же отпала необходимость в создании особо точных судовых хронометров, способных хранить Гринвичское время длительно и без проверок.

С каждым годом количество радиостанций, передающих сигналы времени, росло. При этом каждая устанавливала свое время передачи сигналов и их код. Возникла необходимость как-то упорядочить эту работу, и в октябре 1912 г. по инициативе французского Бюро долгот в Париже собралась конференция 16 стран Европы и Америки по вопросу радиотелеграфной передачи времени. В работе конференции приняли участие и три делегата от России: директор Пулковской обсерватории академик О. А. Баклунд, министр торговли и промышленности механик Главной палаты мер и весов Ф. И. Блюмбах и от Морского министерства исполняющий обязанности помощника начальника Главного гидрографического управления капитан 1-го ранга А. М. Бухтеев.

Конференция утвердила с 1 июля 1913 г. единую систему сигналов времени “Onogo” для радиостанций всех стран, а также рекомендовала такое расписание работ радиостанций, чтобы они не мешали друг другу. Было предусмотрено расписание и для тех радиостанций, которые могут появиться в будущем. При этом исходили из того, что хотя бы один сигнал времени в сутки может быть получен повсюду на земной поверхности, кроме приполярных областей. Была отмечена необходимость передачи кроме обыкновенных сигналов для всеобщего пользования и специальных сигналов для “научных целей”.

Радио не только позволило посылать в эфир сигнал времени эталонных часов конкретных обсерваторий, но и открывало возможность “объединить” время, вырабатываемое ими, т. е. создать Единую международную систему выработки точного времени, что позволяло ликвидировать несогласие времени разных обсерваторий.

Для реализации этой идеи конференция избрала специальную “предварительную” Международную комиссию времени под руководством директора Пулковской обсерватории академика О. А. Баклунда. Эта комиссия разработала проект создания Международного Бюро времени и разослала предложения правительствам разных стран присоединиться к международной службе времени для организации передачи всему земному шару объединенного времени высокой точности. Однако первая мировая война приостановила эту работу.

К этому вопросу вернулись в 1919 г. на конференции в Брюсселе, где был создан Международный астрономический союз. На съезде этого союза в том же году было учреждено постоянное Международное Бюро времени, в задачу которого входили координация и обобщение работ всех служб времени мира.

В России регулярная приемка радиосигналов времени началась с мая 1913 г. Уже в 1914 г. была предпринята попытка уточнить с помощью радиосигналов времени долготу Пулковской обсерватории. В 1920 г. астрономическая обсерватория в Пулкове приступила к регулярной передаче сигналов точного времени. Сигналы передавались ежедневно сначала в 19 часов 30 минут, а с июля 1921 г. в 19 часов по всемирному времени через Петроградскую радиостанцию “Новая Голландия”. С 25 мая 1921 г. сигналы стали передаваться и через Московскую Октябрьскую радиостанцию на Ходынке.

Следует отметить, что авторы радиосигналов “Новой Голландии” и “Ходынки” приняли не международную систему “Onogo”, а изобрели почему-то свою, против чего решительно выступил известный советский гидрограф-геодезист Н. Н. Матусевич (1875—1950). В 1923 г. он опубликовал в “Записках по гидрографии” статью, в которой показал неудобство новой системы для штурманов и ее недостатки по сравнению с международной и предложил перейти на систему “Onogo”.

Большую роль в службе времени для навигационных целей стали играть в этот период также морские астрономические обсерватории в Кронштадте, Николаеве, Севастополе, Владивостоке и Ахангельске. Их работа заключалась в определении поправок образцовых часов и в ежедневном астрономическом определении полдня.

В 1948 г. в нашей стране была учреждена Межведомственная комиссия единой Службы времени при Государственном комитете стандартов Совета Министров, основными задачами которой являлись решение вопросов, связанных с передачей сигналов точного времени, и координация работ в этой области различных заинтересованных ведомств.

В настоящее время информация об эталонном времени передается через радиостанции и телевидение Государственной службой времени и частоты (ГСВЧ), объединяющей деятельность по астрономическим наблюдениям, приемку и передачу сигналов времени 21 обсерватории, включая зарубежные. Сведения об отечественных и зарубежных радиостанциях, передающих сигналы времени, а также о программах их передач публикуются в бюллетене “Эталонные сигналы частоты и времени”, издаваемом Межведомственной комиссией единой службы времени при Государственном комитете стандартов Совета Министров.

Отклонение сигналов точного времени, передаваемых отечественными ведущими радиостанциями, от шкалы Государственного эталона времени и частоты не превышает 0,00003 секунды. Через радиовещательные станции страны в конце каждого часа передаются вещательные сигналы проверки времени в виде шести секундных импульсов. Последний шестой сигнал соответствует 00 мин 00 с очередного часа.

Точность выработки и хранение эталонного времени в обсерваториях также коренным образом изменились. Во времена основания Гринвичской обсерватории отметку точного времени получали с помощью специальных астрономических наблюдений. Делали это пассажным инструментом — телескопом, установленным строго вдоль меридиана. Определение моментов времени производилось путем, наблюдения прохождения изображения звезд через нить окуляра. Чем точнее астроном отмечает момент прохождения звезды через нить окуляра, т. е. через меридиан наблюдателя, тем точнее поправка астрономических часов и, следовательно, тем точнее можно определить местное время. Точность определения моментов этим методом составляла несколько десятых долей секунды. Повысить точность в несколько раз удалось, применив автоматические регистраторы прохождения звезды в поле окуляра телескопа, в частности фотоэлектрические устройства, хронографы, фотографические зенитные трубы и другие средства и методы.

Хранение времени в обсерваториях между астрономическими наблюдениями осуществлялось с помощью механических маятниковых часов и хронометров. Для обеспечения высокой точности такие часы помещались в глубокие подвалы, где легче было обеспечить постоянство температуры, атмосферного давления и защитить приборы от возможных сотрясений. В настоящее время для получения моментов времени применяют атомные эталоны, которые воспроизводят длительность секунды эфемеридного, т. е. математически равномерного времени, с погрешностью не более 10~¹²—10~¹³ секунд.

В основе атомных часов лежат колебательные процессы атомов химических элементов, в частности атомов цезия, совершающиеся с исключительным постоянством.

Такая высокая точность эталонирования и трансляции времени нужна прежде всего для научных и специальных целей (космическая навигация, радионавигация, связь и др.). Для морской астронавигации требования существенно ниже. Так, для астронавигационных измерений всемирное время достаточно знать с точностью до сотых-десятых долей секунды. Для повседневной деятельности показания судовых морских часов не должны отличаться от точного времени более чем на 0,25 минут.

Для обеспечения точным временем навигационных и астрономических определений, организации вахтенной службы и решения других задач на современных кораблях и судах создана специальная служба времени. В ее функции входит:

-обеспечение хранения точного всемирного времени;

-прием радиосигналов точного времени и расчет поправок хронометров и морских часов;

-наблюдение за работой “хранителей времени” и обслуживание их;

-распространение информации о точном времени в различные посты и др.

Хронометр постоянно хранится в одном и том же месте — в специальном отделении штурманского стола. Переносить его нельзя, за исключением ремонта или в случае проведения на корабле размагничивания (под влиянием электромагнитных полей суточный ход хронометра может существенно измениться). Место, где хранится хронометр, должно быть удалено от источников магнитных и электромагнитных полей, механических установок, вызывающих вибрацию, тепловых магистралей, приводящих к резким колебаниям температуры.

Для выставки хронометра по всемирному времени заранее устанавливают показания стрелок на ближайшее Гринвичское время подачи радиосигналов. В момент поступления сигнала пускают хронометр поворотом его вокруг вертикальной оси на 40—45°. После этого исследуют точность хода и определяют поправки по сличению с другим эталоном времени или по радиосигналам, передаваемым в последующие часы.

Если требуется особенно высокая точность, то эталонные секундные сигналы принимают несколько раз подряд, фиксируя показания хронометра, и вычисляют среднюю величину. Предельная погрешность определения поправки хронометра при слуховом приеме сигналов — от 0,2 до 0,5 секунд.

Для фиксации времени при астрономических наблюдениях используют так называемые палубные часы, представляющие собой переносные часы с секундной стрелкой, движущейся скачками по 0,2 с, или секундомер. При наблюдениях часы методом сличения устанавливают на всемирное время по хронометру. Секундомер используют для измерения небольших промежутков времени.

В момент измерения высот светил фиксируют время и затем с учетом соответствующих поправок рассчитывают Гринвичское время наблюдений.

На многих кораблях и судах в настоящее время устанавливается система времени электронная корабельная (СВЭК).

Система состоит из функционально и конструктивно законченных модулей, позволяющих формировать различные комплектации в зависимости от требований кораблей и судов.

Основу системы составляет кварцевый хронометр КХ, обеспечивающий хранение времени с погрешностью не хуже одной секунды за 40 суток. Такой точности удалось добиться благодаря свойствам пьезокварцевой пластины при подведении к ней электрического тока совершать периодические колебания с исключительно постоянной частотой и малым затуханием. Упругие колебания кристалла кварца заменили колебания маятника. В кварцевом хронометре используется небольшой по размерам генератор частоты, стабилизированный кварцем. Генерируемые колебания преобразуются электронной схемой в сигналы, управляющие движением часовых стрелок или цифровыми табло.

Кварцевые часы меньше, чем механический хронометр, подвержены влиянию температуры, влажности, давления и т. п.

Выработанный кварцевым хронометром сигнал времени в коде поступает на станцию часовую стрелочную СЧС со стрелочным индикатором и на станцию часовую цифровую СЧЦ с цифровыми индикаторами времени. СЧС преобразует код времени, поступающий от хронометра, в последовательность импульсов, управляющих через ретрансляторы Р работой электронных вторичных часов ЭВЧ, которые могут быть размещены в различных постах корабля на расстоянии до 500 метров от СЧС.

Всего к СЧС может быть подключено до 100 шкально-стрелочных часов. Если используют до 10 часов, они могут быть непосредственно подключены к хронометру без ретрансляторов.

СЧЦ преобразует код времени, поступающий на ее вход, в параллельный двоично-десятичный поразрядный код, который управляет работой четырех часов вторичных цифровых ЧВЦ. На цифровых табло появляется информация о текущем времени в часах, минутах, секундах и десятых долях секунды. Взамен одних цифровых часов код точного времени может быть выдан в цифровую вычислительную машину ЦВМ, решающую задачи, связанные с точным временем.

На ЧВЦ предусмотрена возможность фиксировать значения текущего времени с помощью кнопки на передней панели и дистанционного пульта управления часами и при необходимости отключать и включать индикаторы десятых долей секунды без потери хронометрической информации.

Модульное исполнение системы времени позволяет устанавливать на корабле СВЭК только со стрелочными или только с цифровыми индикаторами или с теми и с другими.

В случае потери питания от электросети в системе предусмотрено автоматическое ее переключение на аккумуляторы. Для автоматической привязки СВЭК к сигналам времени служит блок радиокоррекции БРК. Точность автоматической привязки не хуже 0,03 секунды. Выставку можно выполнить и вручную, т. е. при приеме сигналов на слух. Погрешность привязки в этом варианте не должна превышать 0,3 секунды.

Внедрение СВЭК повышает точность хранения времени и существенно облегчает решение астронавигационных задач.

Повседневная деятельность кораблей и судов организована по судовому времени, которое может соответствовать как поясному времени в районе плавания, так и московскому или всемирному в зависимости от решаемых задач. На это время устанавливают корабельные морские часы и вторичные часы СВЭК.