Текст книги "Как изучают Мировой океан"

Координаты судна необходимы морякам практически всех специальностей. Так, например, штурман их использует для судовождения, гидрограф – для составления морских карт.

Методы определения координат судна подразделяются на две большие группы:

1. Аналитические методы.

2. Графические методы.

Под термином «метод» понимается определенная последовательность действий, которую должен выполнить специалист для получения желаемого результата. Методы включают в себя множество способов, различающихся между собой используемыми техническими средствами.

Аналитические методы основываются на вычислениях, проводимых по точным формулам. Графические методы основываются на построениях, выполняемых непосредственно на листе карты.

Как правило, координаты судна определяют относительно какого-либо приметного ориентира, нанесенного на карту. Подобным объектом может быть вершина горы, приметная скала или специально построенный для этого маяк. Там, где ориентиры располагаются за пределами видимости, используют радиомаяки и радионавигационные системы, о чем мы поговорим чуть позднее. Называются подобные объекты навигационные ориентиры, а измеренные относительно них параметры – навигационные параметры. Совокупность точек на карте с постоянным значением навигационного параметра носит название навигационная изолиния.

К навигационным параметрам и навигационным изолиниям относятся:

1. Направление на ориентир, навигационная изолиния – изопеленг.

2. Расстояние до ориентира, навигационная изолиния – изостадия.

3. Горизонтальный угол, измеренный с судна между направлениями на два ориентира, навигационная изолиния —

изогона.

4. Разность расстояний до навигационных ориентиров, навигационная изолиния – гипербола.

Часто для определения места судна используют различные комбинации навигационных параметров, тогда навигационными изолиниями могут быть кривые в виде гипербол или парабол.

Будущий моряк будет подробно изучать теорию и практику определения координат судна на занятиях по дисциплинам «Гидрография» и «Кораблевождение».

В этой книге в качестве примера мы рассмотрим один из графических методов, тем более что он полностью соответствует аналитическим и позволяет показать весь процесс определения координат. Среди графических методов определения координат судна наиболее нагляден метод линий положения. Применяется этот метод только на небольших расстояниях там, где кривизну Земли можно не учитывать, а построения выполняются на плоском листе карты.

Линия положения – это множество точек, характеризующихся одним и тем же значением навигационного параметра на небольших расстояниях. Возникает вопрос: каким образом использовать линии положения для определения места судна?

Представьте, что вы отдыхаете на даче и сидите на берегу озера. Рядом лежит большой лист чистой бумаги, на котором вам необходимо составить карту рельефа дна этого озера.

Как измерять глубины, вы уже знаете. Можно воспользоваться шестом, лотом или даже переносным портативным эхолотом. Но в каких точках расположить измеренные глубины? Как определяются эти точки? Для этого и применяются линии положения.

Для начала с помощью компаса определите стороны света – север, юг, запад, восток. Затем нанесите береговую черту, которую вы видите. Далее укажите все приметные ориентиры – большие камни, одиночные деревья, постройки. Теперь, видя лодку, с которой ваш приятель измеряет глубины, надо определить ее место на пока еще чистой части листа там, где должен быть рельеф дна.

Настало время использовать линии положения. Для этого у одного из приметных ориентиров, например у одиноко стоящего дерева, выставите наблюдателя с компасом и журналом для записи. По сигналу с лодки, в тот момент, когда фиксируется глубина, наблюдатель по компасу определяет направление (пеленг) с берега на лодку и прочерчивает от дерева, обозначенного на листе бумаги, прямую линию по измеренному направлению. Это и есть линия положения (изопеленг), на которой находится лодка. На протяжении всей линии будет равное значение направления на лодку.

Но одной линии недостаточно, чтобы определить точку, в которой находилась лодка, когда ваш друг измерял глубину. Необходимы, как минимум, две пересекающиеся линии, а еще лучше три. Для этого у другого приметного ориентира также выставите наблюдателя, который работает одновременно с первым. Совместив линии от всех наблюдателей, вы получите точку, в которой находилась лодка в момент измерения глубины.

На рис. 7.2 [22] показан принцип определения места лодки по результатам измерения направлений с трех различных пунктов. В точке пересечения линий вы и нанесете на будущую карту глубину, измеренную вашим другом, который находится в лодке.

Рис. 7.2. Определение координат лодки по трем линиям положения.

На море процесс определения точки, в которой измерялась глубина, проводится аналогично.

Измерения направлений могут проводиться не только с берега на судно, но и, наоборот, с судна на берег. В этом случае наблюдатель, стоящий на борту, измеряет направления на береговые ориентиры, наносит на бумагу и получает место судна в точке их пересечения.

Итак, определено место, на котором должна быть указана глубина. Для того чтобы составить карту рельефа дна, необходимо покрыть измеренными глубинами всю акваторию. Вспомните планшеты, с которыми вы познакомились в первых главах этой книги. Сколько там нанесено глубин? Очень много! И для большинства из них проводились отдельные измерения, строились отдельные линии положения и только потом, по их пересечению, определялось место нанесения глубины на лист чистой бумаги.

Как видите, процесс определения координат очень трудоемкий и очень длительный, но без него измеренные глубины невозможно нанести на карту.

С тех пор как люди стали ходить по морям и выполнять работы по измерению глубин, стало понятно, что необходимо определять координаты судна. В каждой точке, где измерялась глубина, определяли ее координаты и только потом наносили эту глубину на карту.

Рядом с берегом определение координат проводили относительно береговых ориентиров, так же как в примере, когда вы с друзьями строили карту рельефа дна озера.

В качестве ориентиров в старину использовались очертания берегов и отличительные объекты местности, например скалы или отдельные, хорошо видимые строения. Потом для этого стали строить специальные сооружения – маяки. Самый известный из них – Александрийский маяк, он по праву считается одним из семи чудес света.

Александрийский, или, как его называли современники, Фаросский, маяк был построен на острове Фарос, рядом с входом в египетский порт Александрия. Строительство началось в год основания города – в 332 г. до нашей эры – по приказу Александра Македонского. Продолжалось строительство более 10 лет и было завершено уже после смерти Александра Македонского правителем Птоломеем I, впоследствии провозгласившим себя царем Египта. По дошедшим до наших дней описаниям, высота маяка составляла от 120 до 140 метров. На верхушке постоянно поддерживали горевший костер. Ночью мореходы ориентировались по свету костра, днем – по поднимавшемуся дыму, для чего в светлое время суток специально использовали сырые поленья, дающие много дыма (рис. 7.3 [23]).

Рис. 7.3. Александрийский маяк.

Значение маяка было настолько большим, что его изображение неоднократно чеканили на монетах разных государств (рис. 7.4 [23]).

Рис. 7.4. Александрийский маяк на монетах.

В первозданном виде маяк просуществовал до 365 г., после чего частично был разрушен землетрясением и вызванным им цунами. Маяк восстановили в меньших размерах, и он продолжал работать до 1323 г., когда очередное землетрясение его полностью разрушило. Подобных, правда не таких больших, маяков по побережью морей было множество, но Александрийский маяк самый известный из них.

На протяжении тысячелетий плавание осуществлялось только вдоль берега, и маяки обеспечивали определение координат судна как во время плавания, так и во время выполнения работ по измерению глубин. По мере развития судостроения суда стали все дальше уходить от берега.

Но что делать в открытом море, там, где береговые ориентиры не видны? Для этого использовали данные наблюдений за Солнцем, другими звездами, планетами и Луной. Существует несколько способов определения места судна по звездам. В этой книге, для общего представления, я расскажу об одном из них, самом простом и самом доступном.

Как вы знаете из уроков географии и из и. 7.1 этой книги, сферические координаты определяются широтой и долготой (рис. 7.5 [21]).

Рис. 7.5. Определение координат по широте и долготе.

При нахождении в открытом море, вне видимости берегов, на судне всегда есть карта, на которой нанесены меридианы и параллели, обозначающие широту и долготу. Место судна находится в точке пересечения измеренной широты и измеренной долготы.

Если внимательно рассмотреть рис. 7.5, то можно приблизительно определить координаты Москвы и Санкт-Петербурга.

Способ определения широты был изобретен в Древней Греции и состоял в измерении угла между горизонтом и направлением на Полярную звезду (рис. 7.6 [22]).

Рис. 7.6. Определение широты по измеренному углу между горизонтом и направлением на Полярную звезду.

Позднее появились способы определения широты, основанные на использовании результатов наблюдения за Солнцем, Луной и звездами.

Для измерения угла на протяжении сотен веков использовался достаточно простой и надежный прибор – астролябия, но его точность была невысокой. Стремление моряков иметь точные координаты привело к созданию нового прибора – квадранта, но и он не обеспечивал высокой точности измерений.

Только в 1730-х гг., основываясь на изобретенном английским ученым Исааком Ньютоном принципе совмещения изображений объектов при помощи зеркал, был создан принципиально новый прибор – секстан. Разработали секстан одновременно и независимо друг от друга английский математик Джон Хэдли и американский изобретатель Томас Годфри. Прибор оказался настолько удобным и надежным, что уже почти 300 лет, до настоящего времени, находится на всех судах (рис. 7.7 [24]).

Рис. 7.7. Приборы для измерения угла.

Секстаном пользуются не только моряки. Широко применяется он в процессе выполнения топографических работ на суше, где его называют «секстант». Ошибкой это не считается. Оба названия – секстан и секстант – обозначают один и тот же прибор. Исторически сложилось, что моряки используют первое название.

Широту измерили, что дальше? Как вы знаете из и. 7.1 и 7.2 этой книги, одной только широты (одной «навигационной изолинии») недостаточно для определения места судна. Необходимо еще знать долготу.

Долгота определялась по результатам измерения угла между Луной и звездами. Процесс наблюдений был долгим, неудобным, точность определения была крайне низкой.

В 1567 г. испанский король Филипп II обещал награду тому, кто научит моряков точно определять долготу в открытом океане. Его сын, Филипп III, подтвердил обещание: «Всякому, кто отыщет способ исчисления долготы – 6 тысяч дукатов единовременно и 2 тысячи дукатов пожизненного содержания». Награду за открытие также установили Португалия, Венеция, Голландия.

В XVII в. итальянский ученый Галилео Галилей разработал способ определения долготы с помощью телескопа и песочных часов. Способ включал наблюдения за Юпитером, его спутниками и Луной. При этом точность определения долготы резко возросла. Однако из-за неудобства (большое количество разнообразных наблюдений и вычислений) способ не нашел широкого применения среди моряков, и награда ученому вручена не была.

В 1714 г. английский парламент назначил премию в 20 тысяч фунтов стерлингов тому, кто предложит метод для определения долготы с точностью хотя бы до половины градуса. Назначенная премия по тем временам была огромной. В переводе на современные деньги она составляла 4,75 миллиона долларов.

Попытки разработать доступный способ определения долготы продолжались, и в период 1744–1759 гг. англичанин Джон Гаррисон решил эту задачу и получил премию. Для этого на судне необходимо было иметь всего два прибора:

1. Угломерный прибор (астролябия, квадрант или секстан).

2. Морской хронометр (часы, способные показывать точное время в условиях качки судна).

Суть предложенного способа заключалась в определении разницы между временем наступления местного судового полдня (12 ч 00 мин) и временем наступления полдня в обсерватории английского города Гринвича.

Перед выходом в море на морском хронометре выставляли точное гринвичское время. Весь поход судна за хронометром велось непрестанное наблюдение, чтобы он без сбоев работал до возвращения судна в порт.

Местный судовой полдень определяли с помощью угломерного прибора, через который велось наблюдение за Солнцем. Момент, когда оно находилось в точке наибольшего подъема над горизонтом, и считался местным судовым полднем. Одновременно фиксировали текущие показания гринвичского времени с морского хронометра. Рассчитывали разницу между этими текущими гринвичскими значениями и значением в 12 ч 00 мин 00 сек. Получившуюся разницу в минутах умножали на 0,25 и получали значение долготы в угловых градусах.

Здесь требуется небольшое пояснение. Земной шар поделен на 360°. Полный оборот Земля совершает ровно за 1 сутки – за 24 часа, а в одном часе – 60 минут. Теперь выполняем простой расчет:

360: 24: 60 = 0,25°, т. е. за 1 минуту времени Земля поворачивается на угол в 0,25°.

Благодаря изобретению Гаррисона гринвичский меридиан стал считаться нулевым. До настоящего времени от него ведут отсчет долготы во всем мире. Меридианам, находящимся слева от гринвичского, присваивается наименование западной долготы, находящимся справа – восточной долготы.

На рис. 7.8 [22] показан пример определения долготы судна методом, разработанным Джоном Гаррисоном с использованием секстана и морского хронометра.

Рис. 7.8. Пример определения долготы методом Гаррисона.

Если внимательно рассмотреть рисунок, то видно, что при наибольшей высоте Солнца в местный судовой полдень, морской хронометр зафиксировал гринвичское время 15 ч 34 мин 42 сек. Разница между этим значением и значением в 12 ч 00 мин составляет 3 ч 34 мин 42 сек.

Значит, в обсерватории города Гринвича, где проходит нулевой меридиан, полдень наступил 3 ч 34 мин 42 сек назад (или 214,7 минуты назад). Умножаем 214,7 на 0,25 и получаем долготу в 53,675°.

Учитывая, что Земля крутится вправо, гринвичский меридиан тоже находится правее, ведь полдень там уже прошел. Значит, судно, на котором проводятся измерения, находится левее. Поэтому определенному значению в 53,675° присваиваем обозначение западной долготы.

Тот из вас, кто не поленится посмотреть на карту мира или глобус, увидит, что судно, с которого проводились наблюдения, зафиксированные на рис. 7.8, находится в Атлантическом океане.

Метод постепенно совершенствовался. Не обязательно стало ждать полдня, достаточно было измерить угол между линией горизонта и направлением на солнце, зафиксировать время измерений, чтобы определить долготу.

В 1843 г. с очень высокой точностью, до сотой доли секунды, таким образом была определена долгота главной Российской обсерватории – Пулковской.

Так определялись координаты измеренных глубин в открытом море, там, где нет береговых ориентиров. На судне работало одновременно две группы. Первая измеряла глубину, вторая определяла координаты. Затем глубины, измеренные первой группой, наносились на карту в точках с координатами, определенными второй группой.

Описанными методами определения широты и долготы пользовались все первооткрыватели, когда составляли карты вновь открытых земель. Это происходило следующим образом. Группа людей с угловым измерительным прибором, хронометром и тетрадью для записи шла по побережью и периодически определяла широту и долготу. Затем точки по правилам смежной науки – топографии – соединяли между собой и получали контур береговой черты. Другая группа определяла координаты отличительных объектов, например холмов, кромки леса или приметных зданий. Так составлялась карта прибрежной полосы суши. После судно переходило в другое место побережья, и процесс составления карты новых земель продолжался.

Теперь вы можете представить, насколько трудоемкой и долгой была работа по составлению карт как морских, так и сухопутных.

Научно-технический прогресс оказал огромное влияние на развитие технических средств, используемых для определения координат судна, но все методы их применения до сих пор основываются на правилах, разработанных моряками много лет назад.

Современные технические средства определения координат судов делятся на следующие группы:

1. Визуальные.

2. Гидроакустические.

3. Радионавигационные.

4. Космические.

Визуальные средства используются вблизи берега, когда обеспечивается возможность наблюдения за береговыми ориентирами. Они, так же как и столетия назад, включают измерение направлений (пеленгов) на береговые ориентиры или измерение дистанций до береговых ориентиров. Только сейчас для этого используется не компас, а высокоточный морской пеленгатор или радиопеленгатор (рис. 7.9 [22]).

Рис. 7.9. Определение координат судна визуальными средствами.

Визуальные методы достаточно точные, но их использование зависит от близости к берегу, наличия ориентиров и самое главное – от видимости. В плохую погоду применение визуальных методов сильно затруднено.

Во 2-й половине XX в. для определения места судна стали использоваться гидроакустические технические средства. Суть метода заключалась в определении направления и дистанции на заблаговременно установленный подводный излучатель. Подводный излучатель носит название маяк-ответчик (рис. 7.10 [22]).

Рис. 7.10. Определение места судна гидроакустическими средствами.

Точность определения координат обеспечивала судовождение, но для составления морских карт была недостаточно высокой. Приходилось учитывать тот факт, что измеренная дистанция была наклонной. К тому же электрическая батарея, питавшая подводный маяк-ответчик, постепенно теряла свой заряд. И в этом случае требовалось выставлять новый подводный маяк.

Вдали от берега, там, где нет возможности использовать ориентиры для определения координат, применяют радионавигационные системы (РНС) и радиомаяки (РМ). На берегу устанавливается специальная аппаратура, излучающая радиосигналы. В состав РНС входит несколько станций, одна из которых является ведущей (ВЩ), остальные – ведомыми (ВМ).

Для определения места судна могут использоваться различные исходные данные, такие как: измерение дистанции, измерение направления (пеленга), измерение углов и их различные комбинации. В зависимости от длины радиоволны дальность действия колеблется от 30 до 1000 километров. Современные РНС своей зоной действия могут целиком покрыть отдельное море. Соседние системы устанавливаются так, чтобы судно могло идти из одного моря в другое, всегда находясь в зонах их действия (рис. 7.11 [22]).

Рис. 7.11. Определение координат судна по сигналам радионавигационной системы.

Чем больше длина волны, излучаемая РНС, тем больше дальность. Но с увеличением дальности уменьшается точность определения координат. Поэтому использование РНС для составления морских карт также ограничено.

Со 2-й половины XX в. для определения места судна все активнее применяются космические навигационные системы (КНС). Постепенно они становятся основным средством определения координат. Принцип действия КНС основан на определении расстояния или направления с судна на спутник. Вначале с наземных станций определяют точные координаты спутника по всей траектории его полета. Затем с идущего по морю судна специальной аппаратурой отслеживают перемещение спутника и по измеренным до него дальностям и направлениям определяют координаты судна.

Точно так же работает навигационная система в автомобильном навигаторе. Но на суше ее использование облегчается тем, что существуют карты дорог, по которым едут автомобили, и тем самым корректируют определенное КНС место машины. На море дорог нет, корректировать координаты почти нечем. Поэтому точность определения координат судна в море ниже, чем точность определения координат машины на дороге.

Используют КНС и самолеты. Но самолет не может столкнуться с подводной невидимой скалой, поэтому требования по точности определения координат для них несколько ниже, чем для судов (рис. 7.12 [22]).

Рис. 7.12. Принцип действия космической навигационной системы.

Кажется, КНС решает все проблемы с определением координат, но это не так. КНС почти не покрывает своей зоной действия районы, расположенные рядом с географическими полюсами. Она очень чувствительна к воздействию различных помех и поэтому из-за них может давать сбой или полностью прекращать свою работу. К тому же создание КНС очень «дорогое удовольствие». Но все же это самое перспективное средство определения координат объектов по всей поверхности Земли.

Как видите, даже при современном уровне развития науки и техники нет идеального средства определения координат. Каждое средство имеет свои преимущества и недостатки. И каждый раз, планируя выполнение работ по съемке рельефа дна, приходится выбирать наиболее подходящее из них для каждой конкретной ситуации.