О туазе, квадрантах, зенитном секторе и долготном призе.
Здравствуйте, друзья. Это тексты и картинки к подкасту "Геодезия и отвага". Долгий и подробный рассказ о невыдуманной истории международной экспедиции, которая в XVIII веке отправилась из Франции в Латинскую Америку, чтобы решить спор о форме Земли: вытянутая она как дыня или сплюснутая как тыква. На протяжении восьми лет ученые попадали в самые ужасные передряги: в войну и извержение вулкана, на убийственную корриду и в снегопад на экваторе. История Французской геодезической миссии, к сожалению, малоизвестна в русскоязычном пространстве и я, Лена Журавлева, геодезист, стараюсь это исправить.
Нашу научную экспедицию к берегам Перу мы оставили в том месте, где морской министр Франции, выделивший бюджет на проект, пришел в ужас от кадровой политики ученых и сам занялся подбором персонала, выделением кредитов и денег, а также дипломатической перепиской с испанским двором. Луи Годену, как идеологу, оставалось лишь позаботиться о плане работ и инструментах.
Планирование работ
В чем заключалась задача экспедиции? Требовалось измерить длину дуги меридиана в 1 градус и сравнить, на сколько она отличается от 1 градуса Парижского меридиана.
Планирование работ происходило в публичном пространстве кофеен и трактиров, широко обсуждалось в уже упомянутом нами Градо и в личной переписке всей ученой братии. Над чашками и бокалами разворачивались карты и шли ожесточенные споры.
Луи Годен, руководитель, ослепленный легким успехом, заявляет о том, что лучше измерить длину не 1 градуса меридиана (около 111 км), а целых четырех. Определенный смысл в этом действительно есть: чем большее расстояние мы измеряем, тем больше мы обезопашены от влияния случайных погрешностей. Но четыре градуса! Почти пять сотен километров в малоизученном высокогорье!
На злобу дня в Академию пришло едкое письмо из России, где в самом вежливом тоне Жозеф Делилль, создатель Санкт-Петербургской обсерватории предложил коллеге не мелочиться и чего уж - измерить дугу меридиана до самой огненной Земли. Чтобы дважды не ходить. Напомню, что в Огненной земле настолько холодно, что водятся пингвины. Впрочем, Делилль имел право быть сколько угодно резким: Годен был его учеником.
Маленькая историческая справка
В 1735 году, о котором мы говорим, в России царствовала Анна Иоановна, племянница Петра I: Екатерина I уже умерла, а ее дочь Елизавета еще не захватила престол. Кстати, если вы окажетесь в Москве, сходите поглядеть на Царь-колокол. Когда Луи Годен готовил свою экспедицию, царь колокол отличали в Кремле в специально подготовленной яме. А в Академии Наук Петербурга за астрономию отвечал Жозеф Николя Делилль, приглашенный из Парижа еще Петром I. Делилль фактически основал отечественную астрономию: создал службу точного времени, систему обучения российских астрономов, собрал необходимые инструменты в Кунсткамере (она служила обсерваторией). Естественно, опыт работ в нашей большой стране (а Делилль занимался и по масштабным картографированием Империи) давал ему повод давать едкие комментарии коллеге, который больше Франции земли не видывал.
Как измерить длину дуги меридиана?
Что именно собирались делать ученые, когда доберутся до тайного города Кито, что в Перу? Помните, в самом первом эпизоде мы говорили об Эратосфене и градусных измерениях? Градусные измерения: это когда между двумя точками, расположенными на одном меридиане, измеряют расстояние и разность широт.
Про измерение расстояния: к 18 веку (и, кстати, до конца века двадцатого) для этой цели применялся метод триангуляции. Это способ наиболее точно измерить расстояние между точками, выстроив между ними цепочку стыкующихся треугольников. В треугольниках измерялись все углы и одна сторона (там, где это удобно). Далее треугольники решались (для тех, кто подзабыл геометрию: решить треугольник - значит найти в нем все углы и все стороны) и - вычислялось расстояние между северной и южной точкой в линейной мере.
Кстати, вот исторический анекдот про измеряемую сторону треугольника. Базис, как он называется в триангуляции. Деллиль в России (и еще кое-то из его коллег в Швеции) считал, что удобно будет измерять базис по замерзшему льду реки или залива, поскольку он образует ровную, поверхность с идеальной видимостью. Увы, замерзающих заливов в Перу не водится.
Тот план, который Годен изначально представил в Академии касался измерений в горной долине между западной и восточной цепью Анд. Это казалось разумным: горные вершины послужат отличным ориентиром для наблюдений, а города Кито (на севере) и Куэнка (на юге), упомянутые на карте, должны иметь хоть какие-то подъездные дороги. Однако потом Годен увлекся идеей измерять не меридиан, а параллель, его коллеги вообще хотели держаться ближе к побережью, так что планирование миссии застопорилось и окончательный ответ на вопрос “а что именно мы там будем делать” не был дан до самого отплытия из Франции.
В защиту такого подхода следует сказать, что предварительная подготовка работ велась по очень приблизительным картам, самой свежей из которых было лет двадцать. Последним французом, побывавшим в Перу был Амеде Франсуа Фрезье (торговец, инженер и шпион). Любопытно, что широко известен он совсем не разведдеятельностью, а клубничным десертом. Именно он привез чилийскую землянику в в королевскую оранжерею. И свое французское имя fraise, ананасная земляника, ее потомок, носит по его фамилии. В общем, планирование экспедиции, хотя и было занимательным, содержало слишком много белых пятен. Все станет понятно на местности. А пока следовало позаботиться об инструментах.
Про инструменты
Раз надо измерять углы в треугольниках. то возникает вопрос: чем? Этим вопросом озаботился Шарль Лакондамин. приобретя квадранты у мастера Ланглуа за полторы тысячи ливров каждый. Лангуа, похоже, был единственным или самым известным мастером по изготовлению геодезических инструментов).
Что такое квадрант? Это угломерный прибор, который представляет из себя латунную дугу с делениями (на четверть круга, от того и происходит название инструмента). К этой дуге подвижно прикрепляются две (в нашем случае) металлические зрительные трубы длиной около 60 см (Лакондамин пишет о 2-футовых квадрантах). При измерении угла одна труба точно наводится на один объект, другая - на другой, и по размеченной дуге (при помощи микрометра) определяется угол. Причем инструмент мог закрепляться как в горизонтальном положении (для определения горизонтальных углов на местности), так и в вертикальном, чтобы определять высоты светил над горизонтом. Такой прототип современного нам тахеометра. Только у тахеометров деления наносятся на стеклянный круг, а не на латунную дугу.
Чем же предполагалось измерять расстояния? Помните, что ученым предстояло измерить длину стороны треугольника (базис)? И базис был немаленьким: около 12 км. Его должно было измерять с наивысшей доступной точностью. Cейчас, с помощью GPS, это можно было бы сделать до десятых долей миллиметра, в те времена - делалось с помощью мерных вех до десятков сантиметров.
Мерные вехи (полуметровые) изготавливались из дерева и на концах (пятках) обивались медью. Но дерево может расширяться или сжиматься. Поэтому в Перу привезли эталон длины. Чтобы сравнивать с ним длину вехи. Эталонный туз изготовил тот же мастер, что и изготавливал квадранты: господин Ланглуа.
Про туаз
Бытовой единицей длины во Франции, Испании и Англии были футы. Они, в свою очередь делились на дюймы, а те на линии (кстати, термин “трехлинейка оттуда и происходит). Да вот беда: футы в разных странах в разные времена были разные. Нужна была какая-то однозначная единица. И такая имелась: туаз (~ 1,9 м) был зафиксирован материально (и документально) еще со средних веков. Туазом считалась длина железного прута, вмурованного в стену замка Большой Шатле в Париже.
Со временем оказалось, что что все меры длины далеко ушли от “парижского туаза”. Их ведь изготавливали по образцу друг друга, а не по образцу железяки в стене. Не изымать же теперь из обращения все линейки, веревки и не переделывать же все землемерные и имущественные документы! Это и сейчас большая проблема в современной геодезии и кадастре, а в 17 веке и подавно.
Так что изготовили альтернативный “академический туаз”, чтобы тот служил эталоном для существующих линеек. Вот с него Ланглуа и изготовил копию (Северный туаз), чтобы ученые взяли бы ее с собой в Перу.
Про Гринвич
Поскольку объем измерений и важность миссии были беспрецедентными, то и инструменты требовались самые точные, которые можно было достать. Годен отправился в Англию. У знаменитого мастера Джорджа Грэхема: он приобрел октант (половинку квадранта), точный маятник (для определения времени) и зенитный сектор, наиточнейший прибор для определения широты,
Немного подробностей, чтобы было ясны трудности путешествия. Зенитный сектор - это 3-4 метровая зрительная труба (вроде телескопа в обсерватории). Его надо было крепить к балкам и несущим конструкциям обсерватории (да еще так, чтобы он свободно покачивался в направлении север-юг). К тому же к нему прилагались линзы, колесики, винтики микрометра: все это могло легко погнуться, разболтаться и повредиться при транспортировке.
Как определяли широту? Надо было выбрать удобное место, куда не задувало (дом, сад, церковь), проделать в потолке дыру. Собрать раму, на которой был бы подвешен сектор. Ночью наблюдатель лежал бы на скамейке (или земле) под окуляром, ловя в поле зрения звезду и по шкале определял угол наклона трубы. Его помощник (ночью, значит это все делалось при свечах) записывал точное время “захвата звезды” и все повторялось до тех пор, пока звезда находилось в поле зрения. Если погода была облачной, кто-то отвлекался или свеча гасла, то процедура повторялась ночь за ночью до успешного завершения и сходимости результатов. Спасибо вам, создатели GPS у нас в телефоне.
Кстати, почему Годен отправился за приборами в Гринвич, а не обратился к соотечественникам? Потому что англичане считались лучшими в мире мастерами по изготовлению инструментов, ведь они были искусными мореплавателями.
Эпоха кругосветных путешествий предполагает способность хорошо ориентироваться. То есть, в любой момент знать, где ты. В терминах того времени: знать свою широту и долготу. Определить их положение можно, наблюдая звезды (ночью) или солнце (днем). Определение широты “насколько я севернее или южнее” особенной сложности не представляло. По большому счету оно вычислялось по углу солнца (звезды) относительно горизонта (он легко просматривается на море) в местный полдень. Местный полдень - это (в первом приближении) самая высокая точка, на которую поднимается солнце над горизонтом. Чтобы померить угол между горизонтом и солнцем можно было использовать астролябию, квадрант, октант или другие угломерные приборы.
Про долготу
С долготой (насколько я к западу или к востоку) дело обстоит труднее. Практически - долготу тащили за собой, постоянно занося смену курса в бортовой журнал (примерно раз в полчаса днем и ночью), сверяясь с компасом. Однако, если курс меняется сам по себе (из-за ветра, течения, шторма, морского боя) - легко было потеряться. Ошибка лишь в одну угловую минуту в широте и долготе дает разброс до почти 2 км. В обсерваториях определение долготы осуществлялось через измерение времени: разность долгот - это разность местного времени при наступлении одного и того же астрономического события. То есть, если сегодня я наблюдаю затмение луны Юпитера в 22.45, то из астрономического ежегодника я могу понять, в какой час это должно происходить в Париже. И, по разности времени, могу понять, на сколько градусов я нахожусь к востоку или западу от Парижской обсерватории. Маятниковые часы появились совсем недавно и считались наилучшими, но для морской качки не подходили. Вопрос определения долготы был таким актуальным, что был даже (Ньютоном) обещан долготный приз тому, кто сконструирует высокоточный хронометр для морских путешествий. И только на эту работу потребовалось полвека. Кстати, долготный при в несколько этапов получил Джон Харриссон - ученик мастера, у которого Годен приобретал свой зенитный сектор.
К маю 1735 года подготовка Экваториальной градусной экспедиции была завершена. Для нужд миссии был выделен 44-пушечный военный корабль Портофе. Интенданту порта Рошфор (оттуда должен был отплыть корабль) были даны указания снабдить научную миссию всем необходимым. Необходимое включало: " ружья и порох, мечи, палатки, одеяла, хирургические инструменты, кухонную утварь и повара, мсье Сен-Лорана, который, как о нем говорили, провел в Перу пять или шесть лет, так что мог сойти за испанца". Портофе отплыл из Рошфора 15 мая 1735 года и держал курс к карибскому острову Эспаньола, половиной которого владели французы, половиной - испанцы. Великое приключение начиналось.
Арктическая градусная экспедиция
А 25 мая 1735 года, через две недели, Пьер Мопертюи, глава парижских ньютонианцев, променявший плащ мушкетера на карьеру математика, читал доклад в Академии. Он приводил свои новейшие соображения по поводу Фигуры Земли, а также обосновывал необходимость второй, поддерживающей экспедиции.
Не на экватор, а к самому Полярному Кругу. Туда, где разница в кривизне Земли по сравнению с нулевой широтой будет наиболее выражена. Почему:
- Две миссии на экватор и на полюс дадут более надежный результат, чем одна на экватор (бесспорно).
- А также северная экспедиция будет дешевле.
- Северная миссия быстрее привезет результаты. Мало ли что может произойти на той стороне мира за несколько лет. Коллегам угрожают дикие звери, неизвестные болезни, войны, кораблекрушение и самое главное - внутренние конфликты команды.
Морепа, морской министр, спонсировавший экваториальную экспедицию, крепко задумался. К нему уже начали поступать неприятные новости о крайне расточительности и надменности Луи Годена, который не мог найти общего языка ни с капитаном, ни с коллегами. Судьба экваториальной экспедиции была под угрозой. После недолгих размышлений он дал Мопертюи добро на Арктическую миссию. Так градусных экспедиций стало две.
#история науки #геодезия и отвага #история франции #астрономия #геодезия #градусные измерения #xviii век #история
