Кіріспе

Жер бетіндегі нүктелердің шығыс-батыс позициясын анықтайтын географиялық координаттар — бойлық. Бойлық – Жер немесе басқа да әсем денедегі нүктенің шығыс-батыс позициясын анықтайтын географиялық координат. Бұл бұрыштық өлшем, әдетте градустармен көрсетіледі және грек әрпі лямбда (λ) арқылы белгіленеді. Меридиандар – бірдей бойлықтағы нүктелерді қосатын, полюстен полюске дейін созылатын, қиялданған жартылай шеңберлі сызықтар. Басты меридиан 0° бойлықты анықтайды; конвенция бойынша Жердің халықаралық референттік меридианы Ұлыбритания аралындағы Лондонның оңтүстік-шығысындағы Гринвичтегі Корольдік обсерваториясының жанынан өтеді. Оң бойлықтар басты меридианның шығысында, ал теріс бойлықтар – батысында жатады. Жердің айналуының нәтижесінде бойлық пен уақыт өлшеу арасында тығыз байланыс бар. Ғылыми тұрғыдан дәл жергілікті уақыт бойлыққа байланысты өзгереді: 15° бойлықтың айырмашылығы жергілікті уақыт бойынша бір сағаттық айырмашылықты білдіреді, себебі Күнге қатысты орналасуы әртүрлі. Жергілікті уақытты уақыттың абсолютті өлшемімен салыстыру арқылы бойлықты анықтауға болады. Эраға байланысты, абсолютті уақыт екі жерден де көрінетін аспан құбылысынан, мысалы, ай тұтылуынан немесе телеграф немесе радио арқылы берілетін уақыт сигналынан алынуы мүмкін. Принцип қарапайым болғанымен, тәжірибеде бойлықты анықтаудың сенімді әдісін табуға ғасырлар кетті және бұл үшін ең ұлы ғалымдардың күш-жігері қажет болды. Меридиан бойындағы орналасқан жердің солтүстік-оңтүстік позициясы ендігімен беріледі, ол шамамен экваторлық жазықтық пен сол жердегі жер бетінен түсетін нормаль арасындағы бұрышқа тең. Бойлықты әдетте геодезиялық нормаль немесе гравитация бағыты қолданып анықтайды. Астрономиялық бойлық, Жердің гравитациялық өрісіндегі вертикальды бұрылулар мен шағын өзгерістерге байланысты, кәдімгі бойлықтан сәл өзгеше болуы мүмкін (астрономиялық ендікті қараңыз).

Тарих

Ұзындығы туралы түсінікті алғаш рет ежелгі грек астрономдары жасаған. Гиппарх (б.з.д. 2-ғасыр) Жердің шар тәрізді екенін тұжырымдайтын координаттар жүйесін қолданды және оны бүгінгі күнімізге ұқсас 360°-қа бөлді. Оның негізгі меридианы Александрия қаласынан өтеді. Ол сондай-ақ екі түрлі жердегі ай тұтылуының жергілікті уақытын салыстыру арқылы бойлықты анықтау әдісін ұсынды, осылайша бойлық пен уақыт арасындағы байланысты түсінуді көрсетті. Клавдий Птолемей (б.з. 2-ғасыр) бұрмалануды азайтатын қисық параллельдерді пайдалана отырып, карталау жүйесін жасады. Ол сонымен қатар Ұлыбританиядан Таяу Шығысқа дейінгі көптеген жерлер туралы мәліметтерді жинады. Ол Канар аралдары арқылы негізгі меридианды жүргізді, сондықтан барлық бойлық мәндері оң болады. Птолемейдің жүйесі дұрыс болғанмен, ол қолданған деректер көбінесе нашар болды, бұл Жерорта теңізінің ұзындығын шамамен 70%-ға асырып бағалауға әкелді. Рим империясы құлағаннан кейін Еуропада географияға деген қызығушылық күрт төмендеді. Үнді және мұсылман астрономдары бұл идеяларды одан әрі дамытып, көптеген жаңа жерлерді қосты және Птолемейдің деректерін жиі жетілдірді. Мысалы, әл-Баттани екі ай тұтылуын бір мезгілде бақылау арқылы Антакия мен Ракка арасындағы бойлық айырмашылығын 1°-тан аз қателікпен анықтады. Бұл сол кездегі қол жетімді әдістермен қол жеткізілетін ең жақсы нәтиже саналады: тұтылуды жалаңаш көзбен байқау және жергілікті уақытты астролябиді пайдалану арқылы қолайлы "сағат жұлдызының" биіктігін өлшеу. Орта ғасырдың соңғы кезеңінде батыста географияға деген қызығушылық қайта жанданып, саяхаттар көбейді, ал араб ғылымы Испания мен Солтүстік Африкамен байланыс арқылы таныла бастады. XII ғасырда Толедодағы әл-Заркали еңбегінің негізінде Еуропаның бірқатар қалалары үшін астрономиялық кестелер дайындалды. 1178 жылдың 12 қыркүйегінде болған ай тұтылуы Толедо, Марсель және Херефорд арасындағы бойлық айырмашылықтарын анықтау үшін пайдаланылды. Кристофер Колумб өзінің бойлық орнын анықтау үшін екі рет ай тұтылуын пайдалануға тырысты, біріншісі 1494 жылдың 14 қыркүйегінде Саона аралында (екінші сапарында), екіншісі 1504 жылдың 29 ақпанында Ямайкада (төртінші сапарында). Ол астрономиялық кестелерді анықтама ретінде қолданған деп болжанады. Оның бойлықты анықтауы 13° және 38° батысқа қарай үлкен қателіктерді көрсетті. Рэндлс (1985) португал және испандықтардың 1514 және 1627 жылдар аралығында Америка мен Азиядағы бойлықты өлшеуін құжаттаған. Қателер 2° мен 25° аралығында болды. Телескоп 17 ғасырдың басында ойлап табылған. Бастапқыда бақылау құралы болған, бірақ келесі жарты ғасырдағы даму оны дәл өлшеу құралына айналдырды. Маятник сағаты Кристиан Гюйгенс 1657 жылы патент алды және бұрынғы механикалық сағаттарға қарағанда шамамен 30 есе дәлдікті арттырды. Осы екі өнертабыс бақылау астрономиясы мен картографияға революция жасады. Құрлықта телескоптар мен маятник сағаттарының дамуынан бастап 18 ғасырдың ортасына дейін ұзақтығы әбден дәл анықталған жерлердің санының тұрақты өсуі байқалды, көбінесе бір градустан аз қателікпен, және әрқашан 2°-дан 3°-ға дейін. 1720 жылдарға қарай қателер үнемі 1°-дан аз болды. Теңізде сол кезеңде жағдай мүлдем басқаша болды. Екі мәселе шешілмей қалды. Біріншісі - навигатордың дереу нәтижеге қажеттілігі. Екіншісі - теңіз ортасы. Мұхит толқынында нақты бақылау жасау құрлықтағыға қарағанда әлдеқайда қиын, ал маятник сағаттары мұндай жағдайда жақсы жұмыс істемейді.

Хронометр

Кеме қатынасының қиындықтарына байланысты Еуропаның бірнеше теңіз державалары теңіздегі географиялық ұзындықты анықтау әдісі үшін сыйлықтар ұсынды. Олардың ең танымалсы – 1714 жылы британ парламенті қабылдаған Ұзындық заңы. Ол 1° және 0,5° аралығындағы шешімдер үшін екі деңгейде сыйақы ұсынды. Екі шешім үшін де сыйақы берілді: Тобиас Майердің кестелері негізінде жасалған ай қашықтығы, бұл кестелер Астроном Королі Невил Маскелиннің теңіз альманахина айналдырылды; және Йоркширлік ағаш шебері және сағатшы Джон Харрисон жасаған хронометрлер үшін. Харрисон үш онжылдықтан астам уақыт бойы бес хронометр жасады. Бұл жұмысты Ұзындық кеңесі мыңдаған фунт стерлингпен қолдады және марапаттады, бірақ ол 20 000 фунт стерлингке дейінгі ақшаны алу үшін күресті, ақыры 1773 жылы парламент араласуынан кейін қосымша төлем алды. Бұл әдістердің екеуі де тез арада кемеде кеңінен қолданыла бастаған жоқ. Бастапқы жылдары хронометрлер өте қымбат болды, ал ай қашықтығын есептеу әлі де күрделі және көп уақытты қажет ететін болды. Ай қашықтығы 1790 жылдан кейін ғана кеңінен қолданыла бастады. Хронометрлердің артықшылығы – бақылаулар мен есептеулер оңай болды, және 19-ғасырдың басында олар арзандаған сайын, 1850 жылдан кейін сирек қолданылатын ай қашықтығын алмастыра бастады. 1839 жылы Уитстон мен Кук Британияда, ал 1844 жылы Морс АҚШ-та алғашқы жұмыс істейтін телеграфтарды орнатты. Телеграфты географиялық ұзындықты анықтау үшін уақыт сигналын беруге болатыны тез түсінілді. Бұл әдіс ұзақтықты анықтау үшін, әсіресе Солтүстік Америкада, телеграф желісі кеңейген сайын, Батыс Еуропа трансатлантикалық кабельдер аяқталғаннан кейін ұзақ қашықтықтарда қолданыла бастады. 1878 жылы Америка Құрама Штаттарының жағалау және геодезиялық қызметі деп аталған Америка Құрама Штаттарының жағалау зерттеулер қызметі бұл дамуда ерекше белсенділік танытты, және тек АҚШ-та ғана емес. Қызмет Орталық және Оңтүстік Америка, Батыс Үндістан, сондай-ақ 1874-1990 жылдары Жапония мен Қытайға дейін картаға түсірілген жерлердің тізбектерін құрды. Бұл аймақтардың дәл карталарын жасауға үлкен үлес қосты. Теңізшілер дәл карталардан пайда алғанымен, олар кемеде жүргенде телеграф сигналдарын қабылдай алмады, сондықтан бұл әдісті навигация үшін қолдана алмады. Бұл сымсыз телеграф (радио) 20-ғасырдың басында пайда болғанда өзгерді. 1907 жылдан бастап кемелерге арналған сымсыз уақыт сигналдары Галифакстан (Новая Шотландия) және 1910 жылдан бастап Париждегі Эйфель мұнарасынан беріле бастады. Бұл сигналдар кеме жүргізушілерге хронометрлерін жиі тексеріп, реттеуге мүмкіндік берді. Радио-навигациялық жүйелер Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін кеңінен қолданыла бастады. Барлық жүйелер тұрақты навигациялық маяктардан берілетін хабарларға негізделді. Кемедегі қабылдағыш осы хабарлар бойынша кеменің орнын есептеп шығарды. Олар нашар көріну жағдайында астрономиялық бақылаулар мүмкін болмағанда дәл навигацияға мүмкіндік берді және 1990 жылдардың басында GPS пайда болғанға дейін коммерциялық кеме қатынасының стандартты әдісіне айналды.

Тағайындау

Ұзындықты анықтаудың негізгі әдістері төменде келтірілген. Бір ерекшелікпен (магниттік деклинация) олардың барлығы ортақ қағидаға негізделген, ол – оқиға немесе өлшеу арқылы абсолютті уақытты анықтау және екі түрлі жердегі жергілікті уақытты салыстыру. Ай аралығы. Жерді айналып жүрген орбитасында Ай жұлдыздарға қатысты сағатына 0,5° шамасында жылдамдықпен қозғалады. Ай мен тиісті жұлдыз арасындағы бұрыш секстантпен өлшенеді және (кестелер мен ұзақ есептеулерден кейін) абсолютті уақыттың мәнін береді. Юпитердің серіктері. Галилей жеткілікті дәлділікпен серіктердің орбиталарын білгенде, олардың орналасуы абсолютті уақытты өлшеуге мүмкіндік беретінін ұсынды. Бұл әдіс телескопты қажет етеді, себебі серіктерді қалың көзбен көруге болмайды. Аппульстар, тұтылулар және жасырулар. Аппульс – екі объектінің (Ай, жұлдыз немесе планета) арасындағы ең аз көрінетін қашықтық; тұтылу – жұлдыз немесе планета Айдың артына өтетін кезде пайда болады, бұл, по сути, бір түрлі жасыру. Ай тұтылулары да қолданылып келді. Осы оқиғалардың кез келгенінің уақыты абсолютті уақытты өлшеу ретінде пайдаланылуы мүмкін. Хронометрлер. Сағат ұзындығы белгілі бастапқы нүктенің жергілікті уақытына келтіріледі, ал кез келген басқа орынның ұзындығын оның жергілікті уақытын сағаттың уақытымен салыстыру арқылы анықтауға болады. Магниттік деклинация. Компас мұңы әдетте дәл солтүстікке бағытталмайды. Шынайы солтүстіктен ауытқу орналасқан жерге байланысты өзгереді және бұл ұзындықты анықтау үшін негіз болуы мүмкін екені ұсынылды. Магниттік деклинациядан басқа, барлық әдістер практикалық болып шықты. Дегенмен, құрлықта және теңіздегі жағдайлар мүлдем әртүрлі болды. Бір нүктенің ұзындығын оның орналасқан жері мен Ұлыттық әмбебап уақыт (UTC) арасындағы уақыт айырмасын есептеу арқылы анықтауға болады. Күнде 24 сағат және шеңберде 360 градус болғандықтан, күн аспанда сағатына 15 градус жылдамдықпен қозғалады (360° ÷ 24 сағат = сағатына 15°). Егер бір жердің уақыт белдеуі UTC-ден үш сағатқа озып кетсе, онда ол жер шамамен 45° ұзындықта (3 сағат × 15° сағатына = 45°) болады. «Шамамен» деген сөз қолданылу себебі – бұл нүкте уақыт белдеуінің ортасында болмауы мүмкін; сондай-ақ, уақыт белдеулері саяси тұрғыдан анықталады, сондықтан олардың орталықтары мен шекаралары көбінесе 15° еселі меридиандарда жатпайды. Алайда, бұл есептеуді орындау үшін UTC-ге келтірілген хронометр (сағат) және жергілікті уақытты күн немесе астрономиялық бақылау арқылы анықтау қажет. Егжей-тегжейлі мәліметтер мұнда сипатталғаннан күрделірек: толық ақпарат алу үшін «Әлемдік уақыт» және «Уақыт теңдеуі» мақалаларын қараңыз.

Құндылықтар

Ұзындығы 0° меридианындағы бұрыштық өлшем ретінде беріледі, батысқа қарай -180°-ден шығысқа қарай +180°-ға дейін. Грек әрпі λ (лямбда) Жер бетіндегі нүктенің 0° меридианына қатысты шығыс немесе батысқа орналасқан жерін көрсету үшін қолданылады. Ұзындықтың әр градусы 60 минутқа, ал әр минут 60 секундқа бөлінеді. Сондықтан, ұзындық сексагезимал түрінде мысалы, 23° 27′ 30″ E ретінде көрсетіледі. Жоғары дәлдік үшін секундтар ондық бөлшек түрінде жазылуы мүмкін. Басқа бір тәсілде градус және минут қолданылады, онда минуттің үлесі ондық санмен көрсетіледі, мысалы: 23° 27.5′ E. Градустар да ондық бөлшек түрінде көрсетілуі мүмкін: 23.45833° E. Есептеулер үшін бұрыштық өлшем радианға айналдырылуы мүмкін, сондықтан ұзындық π-нің (пи) таңбасы бар бөлшегі немесе 2-нің таңбасы жоқ бөлшегі ретінде де көрсетілуі мүмкін. Есептеулер үшін батыс жартышардағы "батыс/шығыс" қосымшасы теріс таңбамен алмастырылады. Халықаралық стандарт (ISO 6709) бойынша "шығыс оң" принципі оң жақты Картезиандық координаттар жүйесімен үйлеседі, мұнда Солтүстік полюс жоғары орналасқан. Нақты ұзындық нақты ендікпен (солтүстік жартышарда оң) біріктіріліп, Жер бетіндегі нақты орны анықтайды. Керексіз жайт, бірақ кейде шығыс үшін теріс конвенция да қолданылады, көбінесе АҚШ-та. Жер жүйесі зерттеу орталықтары бұрынғы нұсқаларының бірінде батыс жартышармен шектелген қолданбалар үшін "координаталарды енгізуді жеңілдету" мақсатымен оны қолданған. Қазіргі таңда олар стандартты тәсілге көшті. Ұзындық полюстерде ерекше жағдайға ие, ал басқа орналасулар үшін жеткілікті дәлдіктегі есептеулер полюстерде немесе оларға жақын жерлерде дұрыс болмауы мүмкін. Сондай-ақ, ±180° меридианындағы үзіліс есептеулерде сақтықпен қарастырылуы керек. Мысалы, екі ұзындықтың айырмасын шығару арқылы шығысқа қарайғы орын ауыстыруды есептеу, егер екі нүкте осы меридианның екі жағында болса, дұрыс нәтиже бермейді. Осы қиындықтарды болдырмау үшін кейбір қолданбалар басқа көлденең координаталарды қолданады.