Spójrz na zegarek i popatrz na Słońce. Nawigacja przed epoką GPS‑u

Synonimem nawigacji jest współcześnie skrót GPS. Zanim jednak to przydatne rozwiązanie stało się standardem, całkiem nieźle radziliśmy sobie bez satelitarnego wsparcia. Pomagała w tym zdobywana przez stulecia wiedza i sprzęt, który mimo swojej prostoty bezbłędnie wskazywał drogę do celu.

Czereśniak nawiguje według buczków

Przez długi czas nawigacja dotyczyła przede wszystkim morza. Na lądzie było zazwyczaj pod dostatkiem różnych charakterystycznych miejsc, a odległość między nimi była na tyle mała, by nie przejmować się dokładnym wyznaczaniem swojego położenia. Wystarczy przypomnieć radę, jaką usłyszał kowal Baldwin w „Królestwie niebieskim”, gdy zapytał o drogę do Jerozolimy: „Szukasz ludzi mówiących po włosku i jedziesz dalej, aż zaczną mówić w innym języku”.

Przez setki lat niewiele się w tej kwestii zmieniło. Pamiętacie, jak w „Czterech pancernych” Czereśniak tłumaczył drogę przez las?

Ścieżką wedle trzech buczków. Potem będzie jedna polanka, potem będzie druga polanka, potem będzie trzecia polanka i góreczka z brzezinką. A za tą brzezinką będzie rzeczka, a za rzeczką takie wielgachne, wielgachne kominy.

Niestety, problem zaczynał się, gdy w pobliżu nie było ani trzech buczków, ani polanek, ani nawet ludzi mówiących po włosku. Było tylko morze, w dowolnym kierunku wyglądające mniej więcej podobnie. Od czego jednak ludzka pomysłowość?

Fenicjanie wyruszają na morza

Początkowo stosowano nawigację nazywaną współcześnie terrestryczną. Statki pływały w pobliżu lądu tak, aby nie tracić go z oczu, a nawigowanie w taki sposób nie różniło się zbytnio od wyglądania trzech buczków i polany. Takie przywiązanie żeglarzy do lądu siłą rzeczy nie sprzyjało dalekomorskim podróżom, jednak już w starożytności istniała kraina, której mieszkańcy wyruszali na dalekie morskie wyprawy.

Fenicjanie, zamieszkujący wówczas nadmorskie tereny współczesnej Syrii, Libanu i Izraela, nie tylko wynaleźli alfabet i pieniądze, ale też zasłynęli jako utalentowani kupcy, żeglujący po całym Morzu Śródziemnym. W swoich wyprawach docierali prawdopodobnie aż do Wysp Brytyjskich. Co więcej, istnieją źródła wskazujące, że feniccy żeglarze opłynęli Afrykę, a nawet (choć to mocno dyskusyjna teza) dopłynęli do Ameryki, eksplorując tereny współczesnej Brazylii.

Najstarszym znanym przyrządem nawigacyjnym jest prawdopodobnie wspominana już w Biblii laska Jakuba. Dłuższe ramię tego przyrządu należało skierować w stronę nieba, a krótsze przesunąć tak, by swoimi końcami wskazywało na linię horyzontu i wybrane ciało niebieskie, np. na Gwiazdę Polarną. Dzięki zastosowaniu funkcji trygonometrycznych umożliwiało to określenie szerokości geograficznej miejsca, z którego dokonano obserwacji. Na podobnej zasadzie działał przyrząd o zbliżonym przeznaczeniu, choć odmiennym wyglądzie - kwadrant.

Choć przy użyciu laski Jakuba w 284 roku p.n.e. po raz pierwszy skatalogowano widoczne na północnej półkuli gwiazdy, przydatne w nawigacji, to przez stulecia przyrząd ten pozostawał w zapomnieniu. Do nawigacji morskiej laska Jakuba wróciła po niemal tysiącleciu, gdy w 1325 roku Levi Ben Gerson ponownie zaczął ją stosować do określenia wysokości kątowej ciał niebieskich.

Kolejny przyrząd, którego istnienie znajduje wiarygodne potwierdzenie, szczegółowo opisałem w artykule „Kamień słoneczny – średniowieczny GPS wikingów”. Aby określić kurs statku, żeglarze z północy obserwowali Słońce i gwiazdy. Niestety, nie zawsze było to możliwe. Słońce często znikało w nieprzeniknionej mgle, a dzień polarny nie sprzyjał odnajdywaniu drogi za pomocą gwiazd.

Rozwiązaniem okazał się solarsteinn – kamień słoneczny. Mianem tym określano kryształy kalcytu (szpatu islandzkiego), które skierowane do Słońca, zmieniały barwę nawet wtedy, gdy zmiana oświetlenia była niewidoczna dla ludzkich oczu. Kamień słoneczny pomagał również w odnalezieniu Słońca skrytego za horyzontem.

Ten prosty przyrząd okazał się wyjątkowo skuteczny. Z jego pomocą Wikingowie nie tylko terroryzowali wybrzeża niemal całej Europy, łącznie z Morzem Śródziemnym, ale również dopłynęli do Ameryki.

Wzmianka o kolejnym istotnym wynalazku pojawiła się w 1117 roku w Chinach. Zhu Yu opisuje w swojej książce magnetyczną igłę umieszczoną w naczyniu z wodą. Warto przy tym zauważyć, że o ile jest to pierwszy opis takiego urządzenia, to prawdopodobnie jakiegoś przodka kompasu używano znacznie wcześniej – magnetyt był znany m.in. starożytnym Grekom.

Opisany przez Zhu Yo przyrząd szybko zaczął ewoluować. Początkowo igły magnetyczne miały dość fantazyjne kształty, jednak już w XIII wieku w Europie ktoś wpadł na pomysł, by je uprościć i zamknąć w pudełku z podziałką kątową.

Wraz z pierwszymi kompasami pojawiły się mapy, które można uznać za pierwowzór map nawigacyjnych. Miały możliwie wiernie odwzorowaną linię brzegową i zachowane kierunki, dzięki czemu, znając własne położenie, dało się wyznaczyć kierunek, w którym należało płynąć.

Przełom w kartografii przyniósł jednak dopiero wynalazek Gerharda Kremera, zwanego Merkatorem. Ten flamandzki matematyk, kartograf i konstruktor urządzeń nawigacyjnych opracował w połowie XVI wieku odwzorowanie nazwane w późniejszych latach jego nazwiskiem. Odwzorowanie Merkatora albo odwzorowanie walcowe równokątne pozwala nanieść obraz powierzchni Ziemi na płaską mapę.

Mimo zniekształceń, najmniejszych w rejonie równika i bardzo dużych w okolicach biegunów, daje to możliwość łatwego odnajdywania na mapie punktów o określonych współrzędnych. Dzięki temu uproszczono np. wyznaczanie na mapie kursu czy przebytej trasy.

Astrolabium wraz z kompasem stanowiło podstawowe wyposażenie statków, na których Europejczycy w czasach wielkich odkryć geograficznych zapuszczali się w coraz odleglejsze zakątki świata. Pod względem przeznaczenia było to rozwinięcie laski Jakuba, jednak przyrząd znacznie różnił się od dwóch przesuwanych listewek. Choć podobny sprzęt znano już w starożytności, a do nawigacji od VII wieku wykorzystywali je Arabowie, popularność na europejskich statkach zdobyło dopiero około XIV wieku.

Astrolabium składało się z okrągłej płyty z naniesioną podziałką i celownika, który po pionowym ustawieniu urządzenia kierowano w stronę znanego ciała niebieskiego. Dzięki określeniu kąta, pod jakim obserwowano dane ciało niebieskie, możliwe było określenie szerokości geograficznej. Urządzenie mogło być również używane do pomiaru upływu czasu.

Prawdziwym przełomem, umożliwiającym precyzyjne określenie położenia, okazał się wynalazek nieco późniejszy. Skonstruowany w 1730 roku oktant i jego doskonalsza wersja, znana pod nazwą sekstantu, pozwoliły na precyzyjne wyznaczanie szerokości geograficznej.

W połączeniu z dokładnie odmierzającym czas zegarem (a w dawnych wiekach nie było to wcale takie oczywiste), umożliwiającym obliczenie różnicy pomiędzy czasem górowania Słońca a czasem na południku zerowym, pozwalało to na określenie dwóch niezbędnych współrzędnych: szerokości i długości geograficznej.