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東張西望線上看,如何测量经度

互联网 2021-04-10 20:26:33

http://www.bookzone.com.tw/Publish/excerpt.asp?bookno=WS063海上行不由徑

緯度比較好決定,經度較難。地理大發現初期,航海者在大海中就常常沿著固定的緯度東西向航行,或沿著某經線南北向航行。沿著經線走,緯度較沒問題;沿著緯線走,可利用船速估計所行的距離,再換算成經度的差。

哥倫布第一次西航,從加納利群島出發,想維持加納利群島的緯度(28.5°)西行,只是因為海流的影響,走向稍為偏南。哥倫布會到達西印度群島,而不是其他的地方,其實是沿緯線航行的必然結果。

海 難

梭貝爾(Dava Sobel)的書《尋找地球刻度的人》(Longitude),談的就是人類測量經度的歷史。她提到一次海難事件,強調經度的難以捉摸。

這是英國海軍元帥夏威爾(Shovell)的故事。1707年夏威爾在地中海打敗法國的艦隊,出了地中海後沿經線北行。經過十二天的大霧,結果迷失了位置。他以為艦隊在法國西北角不列塔尼半島外的威珊島(Ile d'ouessant)的西邊安全海域上,於是勇敢繼續北行,卻一下子發現英格蘭西南角的夕利群島(Scilly)就出現在眼前,四艘軍艦撞沉海底,二千士兵陪葬著元帥的一世英名。

威珊與夕利兩群島經度相差1度,東西相距約80公里;估計船速決定經度,估計居然差了80公里!

國王的贖金

海難不只這一件,相繼的海難迫使英國國會於1714年通過「經度法案」,要賞獎給發明實際測定經度方法的人。標準及獎金如下:能準到二分之一度者,獎金2萬英鎊;三分之二者1萬5千英鎊;一度者1萬英鎊。2萬英鎊在當時是個大數目,所以又稱為(相當於)「國王的贖金」(King's ransom)。

木衛法

當時的競爭者都從天文入手。一種是木衛法,起源於伽利略。伽利略發現木星的四顆衛星,測得這些衛星被木星遮蔽到出現再到遮蔽的週期。不過被遮蔽的時刻和觀測者所在的經度有關;反過來,觀測這些衛星被遮蔽的時刻,就可推得所在地的經度。

可惜,在顛簸的船隻上用望遠鏡觀測木衛被遮蔽的時刻,談何容易,何況天氣不好時什麼都看不到了,只有在陸地上慢慢觀測慢慢算,才能把經度算得準。被請到法國的義大利天文學家卡西尼就用木衛法,確定了法國海岸線的正確位置。可惜經度法案要的是海上也通用的方法。

月距法

另一種天文想法是月距法,亦即月亮在天空運行時,和太陽或某些參考星星間在觀測者所張的角度,它和觀測者所在的地點及觀測的年月日時間都有關。英國皇家天文台長,從第一任開始就對月距法有興趣,每位天文台長都為此法之精進而努力。可惜月亮的運行軌道太複雜,雖歷經數任天文台長,但月距法的進展緩慢。

鐘錶法

經度法案之後,加入競爭的是鐘錶法。想法很簡單:帶一只標示倫敦時間的鐘錶上船,到某地正午時(可觀測太陽的仰角變化來決定),看這只鐘錶是幾點幾分,就知道該地與倫敦的時間差。以1小時等於經度差15度換算,就知道該地的經度。

不暈船的鐘錶

這種方法天文學家很瞧不起,因為它沒有深奧的天文理論與觀測,純粹是機械的研製。偏偏就有一位技藝高超的鐘錶匠哈里遜(John Harrison, 1693-1776),傾全力要製造一只超準又「不會暈船」的鐘錶。

當時的鐘用的是鐘擺,稍微一晃就停擺了。換用彈簧,又有熱漲冷縮及潮濕乾燥的問題,海上氣候變化多端,普通鐘錶一下子就暈船失常。

經度法案要求要有多準呢?15度相當於1小時,所以1度(赤道上距離111公里)相當於4分鐘,半度相當於2分鐘。當時從英國到美洲大概要6個星期,所以一天之快慢不能超過3秒鐘,否則累積起來就會超過2分鐘──其實這是赤道上的要求,若在緯度30度,則要打7折(cos 30°≒0.7),成為2秒鐘;緯度愈高,要求愈嚴。

哈里遜花了一輩子的時間,於1759年完成他自認滿意且經過測試的傑作。但在那些天文學家的挑剔阻撓之下,直到接近生命的尾聲,才於1773年得到應有的承認。

有了不暈船的鐘錶,海上定位的問題就解決了。

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