Рауль Ибаньес - Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика

• Название: Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика
• Автор: Рауль Ибаньес
• Издательство: ООО «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014

Современный человек пользуется картами практически ежедневно: карты украшают стены школ, они помогают нам ориентироваться на местности, находить кратчайший путь из одного пункта в другой, изучать историю, географию, экономику и ряд других наук.

Карты — важный рабочий инструмент для некоторых специалистов: моряков, летчиков, машинистов, топографов и проч. Но много ли мы знаем о том, как создаются карты? Для чего существует такое количество разнообразных карт и насколько все они точны?

Прочитав эту книгу, вы узнаете множество новых и любопытных фактов о геометрии карт.

---

Карту известной части мира, на которой можно увидеть неправильную сетку меридианов и параллелей, составил еще Эратосфен, однако систему меридианов и параллелей, разделенных равными интервалами, первым предложил греческий астроном Гиппарх Никейский (ок. 180 года до н. э. — ок. 120 года до н. э.). В своих картах он разделил обитаемый мир одиннадцатью параллелями и предложил определять широту, одновременно наблюдая лунные затмения. Кроме того, Гиппарх первым в Древней Греции, вслед за вавилонянами, стал делить окружность на 360°, каждый градус — на 60 минут, каждую минуту — на 60 секунд.

Карта Эратосфена с неравномерной сеткой меридианов и параллелей.

ОСОБЫЕ ПАРАЛЛЕЛИ

Земля, и в частности ее центр, вращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите, форма которой очень близка к окружности. Орбита Земли лежит в плоскости, называемой плоскостью эклиптики, относительно которой земная ось наклонена на 23°30′. В один из дней года (примерно 21 июня), когда земная ось указывает на Солнце, Северное полушарие находится ближе всего к Солнцу, и этот день, который называется днем летнего солнцестояния, становится самым длинным в году. В Южном полушарии этот же день будет самым коротким. В полдень дня летнего солнцестояния Солнце находится точно над параллелью, расположенной на 23°30′ северной широты, которая называется Северным тропиком. В день зимнего солнцестояния (22 декабря) земная ось, напротив, указывает в противоположную от Солнца сторону, и в Северном полушарии этот день — самый короткий в году.

Схема движения Земли, на которой отмечены дни равноденствия и солнцестояния.

Южный тропик — параллель, расположенная на 23°30′ южной широты. Солнце находится точно над этой параллелью ровно в полдень в день зимнего солнцестояния. В дни весеннего и осеннего равноденствия земная ось указывает соответственно либо вправо, либо влево от Солнца, и в полдень солнечные лучи падают на экватор. Так как в день летнего солнцестояния солнечные лучи падают перпендикулярно Северному тропику (23°30′ северной широты), то в тех частях нашей планеты, которые отстоят от Северного тропика больше чем на 90°, то есть находятся южнее 66°30′ южной широты, в этот день все 24 часа будет темно. К северу от 66°30′ северной широты в этот день все 24 часа светит Солнце. В день зимнего солнцестояния все происходит с точностью до наоборот.

В день зимнего солнцестояния к северу от параллели 66°30′ северной широты (Северного полярного круга) ночь длится 24 часа.

* * *

Математическое определение широты корректно и понятно, но как определить широту в открытом море или на суше, вдали от цивилизации? Сейчас для этого используется технология GPS, однако раньше людям приходилось прибегать к более естественным решениям. Чтобы определить широту, нужно учесть, что угол φ равен разности между углом, под которым Солнце находится в полдень, в точке, широту которой мы хотим определить, и углом, под которым расположено Солнце относительно экватора в полдень того же дня. Эти углы можно определить, например, с помощью гномона.

Широта φ точки Р на поверхности Земли равна разности между углом αр, под которым солнечные лучи освещают точку Р в полдень, и углом αЕ между солнечными лучами и экватором в полдень того же дня.

Если мы из города, широта которого известна, отправимся в другой город, то мы сможем определить широту последнего, сравнив углы, под которыми солнечные лучи освещают Землю в полдень одного и того же дня. Ночью для определения широты можно использовать Полярную звезду (она указывает направление на Северный полюс с погрешностью ровно в 1° и почти не меняет своего положения на небе) или любую другую яркую звезду. В течение многих веков широту определяли с помощью таблиц-альманахов, в которых указывалось положение Солнца и других небесных тел в различные дни и часы, а также с помощью инструментов, позволявших измерять угловую высоту небесных тел: астролябии, квадранта или поперечного жезла (позднее на смену ему пришел секстант). Все эти способы можно использовать и сейчас.

Долгота и меридианы

Если широта указывает положение в направлении «север — юг», то долгота — в направлении «запад — восток». Сначала рассмотрим окружности, получаемые сечением земной сферы плоскостями, содержащими ось вращения земли (см. следующий рисунок). Меридианами будут полуокружности, заключенные между полюсами. Над всеми точками одного меридиана астрономический, или солнечный полдень наступает в одно и то же время. Слово «меридиан» происходит от латинского meridianus, что означает «полуденный».

На схеме слева изображены меридианы — большие круги земной сферы, проходящие через полюса. На схеме справа показано, как определяется долгота произвольной точки Р.

Первое важное отличие меридианов от параллелей заключается в том, что не существует какого-то особого меридиана, который можно было бы считать нулевым. Эратосфен считал нулевым меридиан Александрии, Птолемей — меридиан островов Фортуны (Канарских островов и острова Мадейра), который был западной границей известного в то время мира. По патриотическим и религиозным причинам в качестве нулевого меридиана в разное время выбирались меридианы Мекки, Иерусалима, Парижа, Рима, Мадрида, Копенгагена, Кабо-Верде и другие, что вызывало большую путаницу. Наконец в XVIII веке, после того как в 1767 году был опубликован самый полный на тот момент морской астрономический альманах, Гринвичская королевская обсерватория в Англии стала всеобщей точкой отсчета.

В результате в 1884 году на международной конференции в Вашингтоне (США) в качестве нулевого меридиана был выбран именно меридиан Гринвича. Долгота точки земной поверхности — это угол поворота относительно Гринвичского меридиана, то есть угол между меридианом рассматриваемой точки, точнее плоскостью этого меридиана и плоскостью, в которой лежит нулевой меридиан (этот угол на рисунке выше обозначен буквой θ). Долгота Бильбао равна 2°55′43″ западной долготы, то есть Бильбао отстоит от Гринвичского меридиана на 2° 55 минут и 43 секунды на запад. Долгота принимает значения от —180° до 180°, то есть от 180° восточной долготы до 180° западной долготы.

За 24 часа Земля совершает полный оборот вокруг своей оси, то есть поворот на 360°. Таким образом, каждый час Земля поворачивается на 15°. Рассмотрим пример. Житель Бильбао пообщался со своим другом из Рима и оказалось, что солнечный полдень в Риме (Рим находится на востоке от Бильбао) наступает примерно на час позже. Следовательно, разница в долготе между этими городами будет равна примерно 15° (точная долгота Рима равна 12°30′ восточной долготы). Иными словами, чтобы определить долготу точки, нужно знать разницу во времени между этой точкой и Гринвичским меридианом. Как мы уже говорили, эту разницу проще всего определить в полдень.

Задача об определении долготы

Аналогично задаче об определении широты можно поставить задачу об определении долготы произвольной точки Земли. И вновь для того, чтобы найти решение, необходимо взглянуть на небо, хотя определить долготу будет намного сложнее: в течение дня, то есть по мере того как Земля вращается вокруг своей оси, одни небесные тела на востоке скрываются, другие, на западе, появляются. Следовательно, определить положение «запад — восток» по звездам сложнее. Поиски решения задачи о долготе продолжались четыре столетия. Великие морские державы, например Испания, Нидерланды, Англия и Франция, предлагали внушительные премии (не будем забывать, насколько важным было мореходство для этих стран в XV веке), а великие ученые, такие как Галилео Галилей, Жан-Доминик Кассини, Христиан Гюйгенс, Исаак Ньютон и Эдмунд Галлей, активно участвовали в поисках решения. Крупнейшей премией, возможно, была премия, учрежденная в 1714 году британским парламентом и составлявшая 20 тысяч фунтов.

* * *

ПЕРВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ КОЛУМБА

3 августа 1492 года Христофор Колумб отправился в путешествие по Атлантическому океану в поисках Азии. Сначала флотилия Колумба из 90 моряков на трех судах — «Пинта», «Нинья» и «Санта-Мария» (размеры последней составляли около 22 м в длину и 7,5 м в ширину) — направилась в сторону Канарских островов. От Канарских островов 6 сентября корабли отплыли на запад, следуя примерно вдоль прямой линии (для простоты курс был проложен вдоль одной параллели) между 26-й и 30-й параллелями. По оценкам Колумба, через 25–30 дней экспедиция должна была достичь Японии. 12 октября (21 октября по современному календарю) Колумб высадился на острове Сан-Сальвадор (туземцы называли его Гуанахани) и начал обследовать окрестности, посчитав, что достиг островов у берегов Японии.