História da longitude - History of longitude

Monumentos de Determinação Internacional da Longitude no Observatório Sheshan , Xangai

A história da longitude é um registro do esforço de astrônomos, cartógrafos e navegadores ao longo dos séculos para descobrir um meio de determinar a longitude .

A medição da longitude é importante tanto para a cartografia quanto para a navegação , em particular para fornecer navegação oceânica segura. Conhecimento de latitude e longitude era necessário. Encontrar um método preciso e confiável para determinar a longitude levou séculos de estudo e envolveu algumas das maiores mentes científicas da história humana. Hoje, o problema da longitude foi resolvido com uma precisão centimétrica por meio da navegação por satélite .

Longitude antes do telescópio

Eratóstenes, no século III aC, propôs pela primeira vez um sistema de latitude e longitude para um mapa do mundo. Seu meridiano principal (linha de longitude) passava por Alexandria e Rodes , enquanto seus paralelos (linhas de latitude) não eram espaçados regularmente, mas passavam por locais conhecidos, muitas vezes à custa de serem linhas retas. Por volta do século 2 aC, Hiparco estava usando um sistema de coordenadas sistemático, baseado na divisão do círculo em 360 °, para especificar lugares na Terra de maneira única. Portanto, longitudes podem ser expressas como graus a leste ou oeste do meridiano principal, como fazemos hoje (embora o meridiano principal seja diferente). Ele também propôs um método para determinar a longitude comparando a hora local de um eclipse lunar em dois lugares diferentes, para obter a diferença de longitude entre eles. Esse método não era muito preciso, dadas as limitações dos relógios disponíveis, e raramente era feito - possivelmente apenas uma vez, usando o eclipse de Arbela de 330 aC. Mas o método é correto, e este é o primeiro reconhecimento de que a longitude pode ser determinada pelo conhecimento preciso do tempo.

O mapa do Mediterrâneo de Ptolomeu sobreposto a um mapa moderno, com Greenwich como longitude de referência

Ptolomeu , no século 2 dC, baseou seu sistema de mapeamento em distâncias estimadas e direções relatadas por viajantes. Até então, todos os mapas usavam uma grade retangular com latitude e longitude como linhas retas que se cruzam em ângulos retos. Para grandes áreas, isso leva a uma distorção inaceitável, e para seu mapa do mundo habitado, Ptolomeu usou projeções (para usar o termo moderno) com paralelos curvos que reduziram a distorção. Não existem mapas (ou manuscritos de sua obra) anteriores ao século 13, mas em sua Geografia ele deu instruções detalhadas e coordenadas de latitude e longitude para centenas de locais que são suficientes para recriar os mapas. Embora o sistema de Ptolomeu seja bem fundamentado, os dados reais usados ​​são de qualidade muito variável, levando a muitas imprecisões e distorções. Além das dificuldades em estimar distâncias e direções retilíneas, a mais importante delas é uma superestimação sistemática das diferenças de longitude. Portanto, a partir das tabelas de Ptolomeu, a diferença em Longitude entre Gibraltar e Sidon é 59 ° 40 ', em comparação com o valor moderno de 40 ° 23', cerca de 48% alto demais. Luccio (2013) analisou essas discrepâncias e concluiu que grande parte do erro surge do uso de Ptolomeu de uma estimativa muito menor do tamanho da terra do que a dada por Eratóstenes - 500 estádios ao grau em vez de 700 (embora Eratóstenes não usaram graus). Dadas as dificuldades das medidas astronômicas de longitude nos tempos clássicos, a maioria, senão todos, os valores de Ptolomeu teriam sido obtidos a partir de medidas de distância e convertidos para longitude usando o valor 500. O resultado de Eratóstenes está mais próximo do valor verdadeiro do que o de Ptolomeu.

Antigos astrônomos hindus estavam cientes do método de determinar a longitude de eclipses lunares, assumindo uma Terra esférica. O método é descrito no Sûrya Siddhânta , um tratado sânscrito sobre a astronomia indiana que se pensa até o final do século 4 ou início do século 5 EC. Longitudes referiam-se a um meridiano principal que passa por Avantī, o moderno Ujjain . As posições relativas a este meridiano foram expressas em termos de comprimento ou diferenças de tempo, mas não em graus, que não eram usados ​​na Índia naquela época. Não está claro se esse método foi realmente usado na prática.

Estudiosos islâmicos conheciam a obra de Ptolomeu pelo menos desde o século 9 EC, quando foi feita a primeira tradução de sua Geografia para o árabe. Ele era tido em alta conta, embora seus erros fossem conhecidos. Um de seus avanços foi a construção de tabelas de localizações geográficas, com latitudes e longitudes, que se somaram ao material fornecido por Ptolomeu e, em alguns casos, o melhoraram. Na maioria dos casos, os métodos usados ​​para determinar as longitudes não são fornecidos, mas há alguns relatos que fornecem detalhes. Observações simultâneas de dois eclipses lunares em dois locais foram registradas por al-Battānī em 901, comparando Antakya com Raqqa . Isso permitiu que a diferença de longitude entre as duas cidades fosse determinada com um erro de menos de 1 °. Isso é considerado o melhor que pode ser alcançado com os métodos então disponíveis - observação do eclipse a olho nu e determinação da hora local usando um astrolábio para medir a altitude de uma "estrela de relógio" adequada. Al-Bīrūnī , no início do século 11 EC, também usou dados de eclipses, mas desenvolveu um método alternativo envolvendo uma forma inicial de triangulação. Para duas localizações diferentes em longitude e latitude, se as latitudes e a distância entre elas forem conhecidas, bem como o tamanho da terra, é possível calcular a diferença de longitude. Com este método, al-Bīrūnī estimou a diferença de longitude entre Bagdá e Ghazni usando estimativas de distância de viajantes em duas rotas diferentes (e com um ajuste um tanto arbitrário para as curvas das estradas). Seu resultado para a diferença de longitude entre as duas cidades difere em cerca de 1 ° do valor moderno. Mercier (1992) observa que esta é uma melhoria substancial em relação a Ptolomeu, e que uma melhoria adicional comparável na precisão não ocorreria até o século 17 na Europa.

Enquanto o conhecimento de Ptolomeu (e mais geralmente da ciência e filosofia grega) crescia no mundo islâmico, estava diminuindo na Europa. O resumo de John Kirtland Wright (1925) é desolador: "Podemos ignorar a geografia matemática do período cristão [na Europa] antes de 1100; nenhuma descoberta foi feita, nem houve qualquer tentativa de aplicar os resultados de descobertas mais antigas... .. Ptolomeu foi esquecido e os trabalhos dos árabes neste campo eram ainda desconhecidos ". Nem tudo foi perdido ou esquecido; Bede em seu De naturum rerum afirma a esfericidade da terra. Mas seus argumentos são os de Aristóteles , tirados de Plínio . Bede não acrescenta nada de original. Há mais coisas dignas de nota no final do período medieval. Wright (1923) cita uma descrição de Walcher de Malvern de um eclipse lunar na Itália (19 de outubro de 1094), que ocorreu pouco antes do amanhecer. Em seu retorno à Inglaterra, ele comparou notas com outros monges para estabelecer a hora de sua observação, que era antes da meia-noite. A comparação era muito casual para permitir uma medição das diferenças de longitude, mas o relato mostra que o princípio ainda era compreendido. No século 12, tabelas astronômicas foram preparadas para várias cidades europeias, com base no trabalho de al-Zarqālī em Toledo . Eles tiveram que ser adaptados ao meridiano de cada cidade, e está registrado que o eclipse lunar de 12 de setembro de 1178 foi usado para estabelecer as diferenças de longitude entre Toledo, Marselha e Hereford . As tabelas Hereford também adicionaram uma lista de mais de 70 locais, muitos no mundo islâmico, com suas longitudes e latitudes. Isso representa uma grande melhoria nas tabulações semelhantes de Ptolomeu. Por exemplo, as longitudes de Ceuta e Tiro são dadas como 8 ° e 57 ° (a leste do meridiano das Ilhas Canárias), uma diferença de 49 °, em comparação com o valor moderno de 40,5 °, uma superestimativa de menos de 20% . Em geral, o período medieval tardio é marcado por um aumento do interesse pela geografia e pela vontade de fazer observações, estimulado tanto pelo aumento das viagens (incluindo a peregrinação e as cruzadas ) quanto pela disponibilidade de fontes islâmicas a partir do contato com a Espanha e Norte da África No final do período medieval, a obra de Ptolomeu tornou-se diretamente disponível com as traduções feitas em Florença no final do século XIV e início do século XV.

Os séculos XV e XVI foram a época das viagens portuguesas e espanholas de descoberta e conquista . Em particular, a chegada dos europeus ao Novo Mundo levou à questão de onde eles realmente estavam. Cristóvão Colombo fez duas tentativas de usar eclipses lunares para descobrir sua longitude. O primeiro foi na Ilha Saona , agora na República Dominicana , durante sua segunda viagem. Ele escreveu: "No ano de 1494, quando eu estava na Ilha Saona, que fica na ponta oriental da ilha de Española (ou seja, Hispaniola ), houve um eclipse lunar em 14 de setembro, e notamos que havia uma diferença de mais mais de cinco horas e meia entre lá [Saona] e o Cabo S.Vincente, em Portugal ”. Ele não foi capaz de comparar suas observações com as da Europa, e presume-se que usou tabelas astronômicas como referência. O segundo foi na costa norte da Jamaica em 29 de fevereiro de 1504 (durante sua quarta viagem). Suas determinações de longitude mostraram grandes erros de 13 e 38 ° W, respectivamente. Randles (1985) documenta a medição da longitude pelos portugueses e espanhóis entre 1514 e 1627 nas Américas e na Ásia. Os erros variaram de 2 a 25 °.

Telescópios e relógios

John Flamsteed 's arco mural . O telescópio foi montado em uma estrutura com raio de cerca de 2 metros. Ele foi preso a uma parede alinhada ao meridiano. Havia cremalheira e um micrômetro, que não são mostrados

Em 1608, uma patente foi submetida ao governo da Holanda para um telescópio refrator. A ideia foi adotada por Galileu , entre outros, que fez seu primeiro telescópio no ano seguinte e começou sua série de descobertas astronômicas que incluíam os satélites de Júpiter, as fases de Vênus e a resolução da Via Láctea em estrelas individuais. Ao longo do meio século seguinte, as melhorias na ótica e o uso de montagens calibradas, grades óticas e micrômetros para ajustar as posições transformaram o telescópio de um dispositivo de observação em uma ferramenta de medição precisa. Também aumentou muito a gama de eventos que podem ser observados para determinar a longitude.

O segundo desenvolvimento técnico importante para a determinação da longitude foi o relógio de pêndulo , patenteado por Christiaan Huygens em 1657. Isso deu um aumento na precisão de cerca de 30 vezes em relação aos relógios mecânicos anteriores - os melhores relógios de pêndulo tinham precisão de cerca de 10 segundos por dia. Desde o início, Huygens pretendia que seus relógios fossem usados ​​para determinar a longitude no mar. No entanto, os relógios de pêndulo não toleravam o movimento de um navio suficientemente bem e, após uma série de tentativas, concluiu-se que outras abordagens seriam necessárias. O futuro dos relógios de pêndulo estaria na terra. Junto com os instrumentos telescópicos, eles revolucionariam a astronomia observacional e a cartografia nos próximos anos. Huygens também foi o primeiro a usar uma mola de equilíbrio como oscilador em um relógio de trabalho, e isso permitiu que relógios portáteis precisos fossem feitos. Mas foi só com o trabalho de John Harrison que esses relógios se tornaram precisos o suficiente para serem usados ​​como cronômetros marítimos .

Métodos de determinação da longitude

A longitude relativa a uma posição (por exemplo Greenwich ) pode ser calculada com a posição do sol e a hora de referência (por exemplo UTC / GMT).

O desenvolvimento do telescópio e relógios precisos aumentou a gama de métodos que podem ser usados ​​para determinar a longitude. Com uma exceção (declinação magnética), todos eles dependem de um princípio comum, que era determinar um tempo absoluto a partir de um evento ou medição e comparar o tempo local correspondente em dois locais diferentes. (Absoluto aqui se refere a uma hora que é a mesma para um observador em qualquer lugar da Terra.) Cada hora de diferença da hora local corresponde a uma mudança de 15 graus de longitude (360 graus divididos por 24 horas).

O meio-dia local é definido como a hora em que o sol está no ponto mais alto do céu. Isso é difícil de determinar diretamente, pois o movimento aparente do sol é quase horizontal ao meio-dia. A abordagem usual era tomar o ponto médio entre dois momentos em que o sol estava na mesma altitude. Com um horizonte desobstruído, o ponto médio entre o nascer e o pôr do sol pode ser usado. À noite, o tempo local poderia ser obtido a partir da rotação aparente das estrelas em torno do pólo celeste, seja medindo a altitude de uma estrela adequada com um sextante, ou o trânsito de uma estrela através do meridiano usando um instrumento de trânsito.

Para determinar a medida do tempo absoluto, os eclipses lunares continuaram a ser usados. Outros métodos propostos incluem:

Distâncias lunares

A distância lunar é o ângulo entre uma estrela adequada e a lua. As linhas pontilhadas mostram as distâncias entre Aldebaran e a lua, com 5 horas de intervalo. Lua não está à escala.

Esta é a primeira proposta sugerida pela primeira vez em uma carta de Amerigo Vespucci referindo-se às observações que ele fez em 1499. O método foi publicado por Johannes Werner em 1514 e discutido em detalhes por Petrus Apianus em 1524. O método depende do movimento de a lua em relação às estrelas "fixas", que completa um circuito de 360 ​​° em 27,3 dias em média (um mês lunar), dando um movimento observado de pouco mais de 0,5 ° / hora. Assim, uma medição precisa do ângulo é necessária, uma vez que a diferença de 2 minutos de arco (1/30 °) no ângulo entre a lua e a estrela selecionada corresponde a uma diferença de 1 ° na longitude - 60 milhas náuticas (110 km) em O equador. O método também exigia tabelas precisas, cuja construção era complexa, uma vez que tinham de levar em consideração a paralaxe e as várias fontes de irregularidade na órbita da lua. Nem os instrumentos de medição nem as tabelas astronômicas eram precisos o suficiente no início do século XVI. A tentativa de Vespúcio de usar o método o colocou a 82 ° a oeste de Cádiz , quando na verdade ele estava a menos de 40 ° a oeste de Cádiz, no litoral norte do Brasil.

Satélites de Júpiter

Em 1612, tendo determinado os períodos orbitais dos quatro satélites mais brilhantes de Júpiter ( Io, Europa, Ganimedes e Calisto ), Galileu propôs que, com um conhecimento suficientemente preciso de suas órbitas, seria possível usar suas posições como um relógio universal, o que tornaria possível a determinação de longitude. Ele trabalhou neste problema de vez em quando durante o resto de sua vida.

Um telescópio de latão preso a óculos retangulares conectados a um castiçal e alguns pontos intrincados para olhar.
Celatone de Galileu (réplica de 2013).

O método exigia um telescópio, já que as luas não são visíveis a olho nu. Para uso na navegação marítima, Galileu propôs o celatone , um dispositivo em forma de capacete com um telescópio montado de forma a acomodar o movimento do observador no navio. Isso foi mais tarde substituído pela ideia de um par de conchas hemisféricas aninhadas separadas por um banho de óleo. Isso forneceria uma plataforma que permitiria ao observador permanecer estacionário enquanto o navio rolava sob ele, como uma plataforma suspensa . Para fornecer a determinação do tempo a partir das posições das luas observadas, um Jovilabe foi oferecido; tratava-se de um computador analógico que calculava o tempo a partir das posições e que recebeu o nome de suas semelhanças com um astrolábio . Os problemas práticos eram graves e o método nunca foi usado no mar.

Em terra, esse método se mostrou útil e preciso. Um exemplo antigo foi a medição da longitude do local do antigo observatório de Tycho Brahe na Ilha de Hven . Jean Picard em Hven e Cassini em Paris fizeram observações durante 1671 e 1672, e obteve um valor de 42 minutos e 10 segundos (tempo) a leste de Paris, correspondendo a 10 ° 32 '30 ", cerca de 12 minutos de arco (1/5 ° ) superior ao valor moderno.

Apulsos e ocultações

Dois métodos propostos dependem dos movimentos relativos da lua e de uma estrela ou planeta. Um apelo é a distância menos aparente entre os dois objetos, uma ocultação ocorre quando a estrela ou planeta passa por trás da lua - essencialmente um tipo de eclipse. Os tempos de qualquer um desses eventos podem ser usados ​​como a medida do tempo absoluto, da mesma forma que em um eclipse lunar. Edmond Halley descreveu o uso desse método para determinar a longitude de Balasore na Índia, usando observações da estrela Aldebaran (o "Olho do boi", sendo a estrela mais brilhante da constelação de Touro ) em 1680, com um erro de pouco mais da metade de um grau. Ele publicou um relato mais detalhado do método em 1717. Uma determinação da longitude usando a ocultação de um planeta, Júpiter , foi descrita por James Pound em 1714.

Cronômetros

A primeira a sugerir viajar com um relógio para determinar a longitude, em 1530, foi Gemma Frisius , uma médica, matemática, cartógrafa, filósofa e fabricante de instrumentos da Holanda. O relógio seria acertado para a hora local de um ponto de partida cuja longitude fosse conhecida, e a longitude de qualquer outro lugar poderia ser determinada comparando sua hora local com a hora do relógio. Embora o método seja perfeitamente correto e tenha sido parcialmente estimulado por recentes melhorias na precisão dos relógios mecânicos, ele ainda requer uma cronometragem muito mais precisa do que estava disponível na época de Frisius. O termo cronômetro não foi usado até o século seguinte, e levaria mais de dois séculos antes que se tornasse o método padrão para determinar a longitude no mar.

Declinação magnética

Este método é baseado na observação de que a agulha de uma bússola geralmente não aponta exatamente para o norte. O ângulo entre o norte verdadeiro e a direção da agulha da bússola (norte magnético) é chamado de declinação ou variação magnética , e seu valor varia de um lugar para outro. Vários escritores propuseram que o tamanho da declinação magnética poderia ser usado para determinar a longitude. Mercator sugeriu que o pólo norte magnético era uma ilha na longitude dos Açores, onde a declinação magnética era, nessa altura, próxima de zero. Essas idéias foram apoiadas por Michiel Coignet em sua Instrução Náutica .

Halley fez extensos estudos de variação magnética durante suas viagens no Paramour rosa . Ele publicou o primeiro gráfico mostrando linhas isogônicas - linhas de declinação magnética igual - em 1701. Um dos objetivos do gráfico era ajudar a determinar a longitude, mas o método acabou falhando, pois as mudanças na declinação magnética ao longo do tempo provaram ser muito grandes e muito pouco confiável para fornecer uma base para a navegação.

Terra e mar

Mapa de contorno moderno (azul) sobreposto ao mapa-múndi de 1719 de Herman Moll . A parte sul da América do Sul fica muito a oeste no mapa de Moll, mas a costa oeste das Américas geralmente está dentro de 3 ° de longitude

As medições de longitude em terra e no mar complementaram-se. Como Edmond Halley apontou em 1717: "Mas, uma vez que seria desnecessário perguntar exatamente em que longitude está um navio, quando a do porto para o qual ele está destinado ainda é desconhecida, seria desejável que os príncipes da terra fazer com que tais observações sejam feitas, nos portos e nas cabeceiras principais de seus domínios, cada um por si, que possa de uma vez por todas estabelecer verdadeiramente os limites da terra e do mar. " Mas as determinações de longitude em terra e mar não se desenvolveram em paralelo.

Em terra, o período desde o desenvolvimento de telescópios e relógios de pêndulo até meados do século 18 viu um aumento constante no número de lugares cuja longitude foi determinada com precisão razoável, muitas vezes com erros de menos de um grau, e quase sempre dentro 2–3 °. Na década de 1720, os erros eram consistentemente menores que 1 °.

No mar, durante o mesmo período, a situação era muito diferente. Dois problemas se mostraram intratáveis. O primeiro foi a necessidade de resultados imediatos. Em terra, um astrônomo em, digamos, Cambridge Massachusetts poderia esperar pelo próximo eclipse lunar que seria visível tanto em Cambridge quanto em Londres; definir um relógio de pêndulo para a hora local alguns dias antes do eclipse; cronometrar os eventos do eclipse; envie os detalhes através do Atlântico e espere semanas ou meses para comparar os resultados com um colega de Londres que fez observações semelhantes; calcular a longitude de Cambridge; em seguida, envie os resultados para publicação, o que pode ser um ou dois anos após o eclipse. E se Cambridge ou Londres não tiveram visibilidade por causa da nuvem, espere pelo próximo eclipse. O navegador marítimo precisava dos resultados rapidamente. O segundo problema era o ambiente marinho. Fazer observações precisas em ondas no oceano é muito mais difícil do que em terra, e os relógios de pêndulo não funcionam bem nessas condições. Assim, a longitude no mar só poderia ser estimada a partir do cálculo morto (DR) - usando estimativas de velocidade e curso de uma posição inicial conhecida - em um momento em que a determinação da longitude em terra estava se tornando cada vez mais precisa.

Para evitar problemas com o desconhecimento da posição de alguém com precisão, os navegadores, sempre que possível, confiam em tirar proveito de seu conhecimento da latitude. Eles navegariam até a latitude de seu destino, virariam em direção a seu destino e seguiriam uma linha de latitude constante. Isso era conhecido como descer para oeste (se for para oeste, caso contrário , leste ). Isso impedia que um navio fizesse a rota mais direta (um grande círculo ) ou uma rota com ventos e correntes mais favoráveis, prolongando a viagem por dias ou mesmo semanas. Isso aumentava a probabilidade de rações curtas, o que poderia levar a problemas de saúde ou até mesmo à morte de membros da tripulação por escorbuto ou fome, com risco resultante para o navio.

Um famoso erro de longitude que teve consequências desastrosas ocorreu em abril de 1741. George Anson , comandando o HMS  Centurion , estava contornando o cabo Horn de leste a oeste. Acreditando ter passado pelo Cabo, ele rumou para o norte, apenas para encontrar a terra bem à frente. Uma corrente particularmente forte de leste o colocou bem a leste de sua posição de cálculo morto, e ele teve que retomar seu curso de oeste por vários dias. Quando finalmente passou pelo Horn, ele rumou para o norte, para as ilhas Juan Fernández , para levar suprimentos e socorrer sua tripulação, muitos dos quais estavam com escorbuto. Ao chegar à latitude de Juan Fernández, ele não sabia se as ilhas ficavam a leste ou a oeste, e passou 10 dias navegando primeiro para leste e depois para oeste antes de finalmente chegar às ilhas. Durante esse tempo, mais da metade da companhia do navio morreu de escorbuto.

Iniciativas governamentais

Em resposta aos problemas de navegação, várias potências marítimas europeias ofereceram prêmios por um método para determinar a longitude no mar. A Espanha foi a primeira, oferecendo uma recompensa por uma solução em 1567, e isso foi aumentado para uma pensão permanente em 1598. A Holanda ofereceu 30.000 florins no início do século XVII. Nenhum desses prêmios produziu uma solução.

Mapa da França apresentado à Academia em 1684, mostrando o contorno de um mapa anterior (Sanson, contorno claro) em comparação com o novo levantamento (contorno sombreado mais pesado).

A segunda metade do século XVII viu a fundação de dois observatórios, um em Paris e outro em Londres. O Observatório de Paris foi o primeiro, fundado como uma ramificação da Académie des Sciences francesa em 1667. O edifício do Observatório, ao sul de Paris, foi concluído em 1672. Os primeiros astrônomos incluíam Jean Picard , Christiaan Huygens e Dominique Cassini . O Observatório não foi criado para nenhum projeto específico, mas logo se envolveu na pesquisa da França que levou (após muitos atrasos devido a guerras e ministérios antipáticos) ao primeiro mapa da França da Academia em 1744. A pesquisa usou uma combinação de triangulação e observações astronômicas, com os satélites de Júpiter usados ​​para determinar a longitude. Em 1684, dados suficientes foram obtidos para mostrar que os mapas anteriores da França apresentavam um grande erro de longitude, mostrando a costa atlântica muito longe a oeste. Na verdade, descobriu-se que a França era substancialmente menor do que se pensava anteriormente.

O Observatório Real de Greenwich , a leste de Londres, foi estabelecido alguns anos depois, em 1675, e foi estabelecido explicitamente para resolver o problema da longitude. John Flamsteed , o primeiro Astrônomo Real, foi instruído a "aplicar-se com o máximo cuidado e diligência na retificação das tabelas dos movimentos dos céus e dos lugares das estrelas fixas, de modo a encontrar a longitude tão desejada de lugares para o aperfeiçoamento da arte da navegação ". O trabalho inicial foi catalogar estrelas e sua posição, e Flamsteed criou um catálogo de 3.310 estrelas, que serviu de base para trabalhos futuros.

Embora o catálogo de Flamsteed fosse importante, ele por si só não fornecia uma solução. Em 1714, o Parlamento britânico aprovou “Uma lei para fornecer uma recompensa pública para a pessoa ou pessoas que descobrirem a longitude no mar” e estabeleceu um conselho para administrar o prêmio. As recompensas dependiam da precisão do método: de £ 10.000 (equivalente a £ 1.456.000 em 2019) para uma precisão dentro de um grau de latitude (60 milhas náuticas (110 km) no equador) a £ 20.000 (equivalente a £ 2.912.000 em 2019) para precisão de meio grau.

Esse prêmio, no devido tempo, produziu duas soluções viáveis. O primeiro eram as distâncias lunares, que exigiam observação cuidadosa, tabelas precisas e cálculos bastante extensos. Tobias Mayer produziu tabelas com base em suas próprias observações da lua e as apresentou ao Conselho em 1755. Essas observações foram encontradas para fornecer a precisão necessária, embora os cálculos demorados necessários (até quatro horas) fossem uma barreira para o uso rotineiro . A viúva de Mayer recebeu no devido tempo um prêmio do Conselho. Nevil Maskelyne , o recém-nomeado Astrônomo Real que estava no Conselho de Longitude, começou com as tabelas de Mayer e depois de seus próprios experimentos no mar experimentando o método da distância lunar, propôs a publicação anual de previsões pré-calculadas da distância lunar em um almanaque náutico oficial para o objetivo de encontrar a longitude no mar. Estando muito entusiasmado com o método da distância lunar, Maskelyne e sua equipe de computadores trabalharam febrilmente durante o ano de 1766, preparando tabelas para o novo Almanaque Náutico e Efemérides Astronômicas. Publicado pela primeira vez com dados para o ano de 1767, incluía tabelas diárias das posições do Sol, Lua e planetas e outros dados astronômicos, bem como tabelas de distâncias lunares dando a distância da Lua ao Sol e nove estrelas adequadas para observações lunares (dez estrelas nos primeiros anos). Esta publicação mais tarde se tornou o almanaque padrão para marinheiros em todo o mundo. Uma vez que foi baseado no Observatório Real, ajudou a levar à adoção internacional um século depois do Meridiano de Greenwich como um padrão internacional.

Cronômetro de Jeremy Thacker

O segundo método foi o uso de cronômetro . Muitos, incluindo Isaac Newton , estavam pessimistas de que um relógio com a precisão necessária poderia algum dia ser desenvolvido. Um grau de longitude é equivalente a quatro minutos de tempo, portanto, a precisão necessária é de alguns segundos por dia. Naquela época, não havia relógios que pudessem chegar perto de manter uma hora tão precisa enquanto eram submetidos às condições de um navio em movimento. John Harrison , um carpinteiro e relojoeiro de Yorkshire acreditava que isso poderia ser feito e passou mais de três décadas provando isso.

Harrison construiu cinco cronômetros, dois dos quais foram testados no mar. Seu primeiro, H-1, não foi testado nas condições exigidas pelo Conselho de Longitude. Em vez disso, o Almirantado exigiu que ele viajasse para Lisboa e voltasse. Perdeu um tempo considerável na viagem de ida, mas teve um desempenho excelente na perna de volta, que não fez parte do julgamento oficial. O perfeccionista em Harrison impediu-o de enviá-lo no julgamento exigido para as Índias Ocidentais (e, em qualquer caso, era considerado grande demais e impraticável para uso em serviço). Em vez disso, ele embarcou na construção do H-2. Este cronômetro nunca foi para o mar e foi imediatamente seguido pelo H-3. Durante a construção do H-3 , Harrison percebeu que a perda de tempo do H-1 na viagem de ida de Lisboa se devia ao mecanismo que perdia tempo toda vez que o navio dava uma guinada no Canal da Mancha. Harrison produziu o H-4 , com um mecanismo completamente diferente que foi testado no mar e atendeu a todos os requisitos para o Prêmio da Longitude. No entanto, não foi premiado pelo Conselho e foi forçado a lutar por sua recompensa, recebendo finalmente o pagamento em 1773, após a intervenção do parlamento.

Os franceses também estavam muito interessados ​​no problema da longitude, e a Academia examinou propostas e também ofereceu prêmios em dinheiro, principalmente depois de 1748. Inicialmente os avaliadores foram dominados pelo astrônomo Pierre Bouguer que se opôs à ideia dos cronômetros, mas depois de sua morte em 1758, as abordagens astronômicas e mecânicas foram consideradas. Dois relojoeiros dominaram, Ferdinand Berthoud e Pierre Le Roy . Quatro testes de mar aconteceram entre 1767 e 1772, avaliando distâncias lunares, bem como uma variedade de cronômetros. Os resultados de ambas as abordagens melhoraram continuamente à medida que os testes prosseguiam, e ambos os métodos foram considerados adequados para uso na navegação.

Distâncias lunares versus cronômetros

Embora os cronômetros e as distâncias lunares tenham se mostrado métodos viáveis ​​para determinar a longitude, demorou um pouco para que ambos se tornassem amplamente usados. Nos primeiros anos, os cronômetros eram muito caros e os cálculos necessários para as distâncias lunares ainda eram complexos e demorados, apesar do trabalho de Maskelyne para simplificá-los. Ambos os métodos foram inicialmente usados ​​principalmente em viagens científicas especializadas e de agrimensura. Com base nos diários de bordo e manuais náuticos de navios, as distâncias lunares começaram a ser utilizadas por navegadores comuns na década de 1780 e tornaram-se comuns a partir de 1790.

Embora os cronômetros possam lidar com as condições de um navio no mar, eles podem ser vulneráveis ​​às condições mais adversas de exploração e levantamento terrestre, por exemplo, no noroeste americano, e as distâncias lunares foram o principal método usado por topógrafos como David Thompson . Entre janeiro e maio de 1793, ele fez 34 observações em Cumberland House, Saskatchewan , obtendo um valor médio de 102 ° 12 'W, cerca de 2' (2,2 km) a leste do valor moderno. Cada uma das 34 observações teria exigido cerca de 3 horas de cálculo. Esses cálculos de distância lunar tornaram-se substancialmente mais simples em 1805, com a publicação de tabelas usando o método Haversine por Josef de Mendoza y Ríos .

A vantagem de usar cronômetros era que, embora as observações astronômicas ainda fossem necessárias para estabelecer a hora local, as observações eram mais simples e menos exigentes de precisão. Uma vez que a hora local foi estabelecida e todas as correções necessárias feitas na hora do cronômetro, o cálculo para obter a longitude foi direto. A desvantagem do custo tornou-se gradualmente menor à medida que os cronômetros começaram a ser fabricados em quantidade. Os cronômetros usados ​​não eram os de Harrison. Outros fabricantes, em particular Thomas Earnshaw , que desenvolveu o escapamento de retenção com mola, simplificou o design e a produção do cronômetro. De 1800 a 1850, à medida que os cronômetros se tornaram mais acessíveis e confiáveis, eles substituíram cada vez mais o método da distância lunar.

Um gráfico de 1814 mostrando parte da Austrália do Sul, incluindo Port Lincoln. Com base na pesquisa de Flinders de 1801-2

Os cronômetros precisavam ser verificados e redefinidos em intervalos. Em viagens curtas entre locais de longitude conhecida, isso não era um problema. Para viagens mais longas, particularmente de levantamento e exploração, os métodos astronômicos continuaram a ser importantes. Um exemplo da maneira como cronômetros e lunares se complementavam no trabalho de levantamento é a circunavegação da Austrália de Matthew Flinders em 1801-3. Pesquisando a costa sul, Flinders começou em King George Sound , um local conhecido da pesquisa anterior de George Vancouver . Ele prosseguiu ao longo da costa sul, usando cronômetros para determinar a longitude das feições ao longo do caminho. Chegando à baía que chamou de Port Lincoln , ele montou um observatório costeiro e determinou a longitude a partir de trinta conjuntos de distâncias lunares. Ele então determinou o erro do cronômetro e recalculou todas as longitudes dos locais intermediários.

Os navios geralmente carregavam mais de um cronômetro. Dois forneciam redundância modular dupla , permitindo um backup caso um parasse de funcionar, mas não permitindo nenhuma correção de erro se os dois exibissem um tempo diferente, pois em caso de contradição entre os dois cronômetros, seria impossível saber qual deles estava errado (a detecção de erros obtida seria a mesma de ter apenas um cronômetro e verificá-lo periodicamente: todos os dias ao meio-dia contra contagem morta ). Três cronômetros forneciam redundância modular tripla , permitindo a correção de erros se um dos três estivesse errado, de modo que o piloto pegaria a média dos dois com leituras mais próximas (voto de precisão média). Existe um velho ditado a esse respeito, que afirma: "Nunca vá para o mar com dois cronômetros; pegue um ou três." Algumas embarcações carregavam mais de três cronômetros - por exemplo, o HMS Beagle carregava 22 cronômetros .

Em 1850, a grande maioria dos navegadores oceânicos em todo o mundo havia parado de usar o método das distâncias lunares. No entanto, navegadores experientes continuaram a aprender lunares até 1905, embora para a maioria isso fosse um exercício de livro, uma vez que eram um requisito para certas licenças. Littlehales observou em 1909: "As tabelas de distância lunar foram omitidas do Connaissance des Temps para o ano de 1905, após terem mantido seu lugar nas efemérides oficiais francesas por 131 anos; e do British Nautical Almanac para 1907, após terem sido apresentadas anualmente desde o ano de 1767, quando as tabelas de Maskelyne foram publicadas. "

Topografia e telegrafia

A pesquisa em terra continuou a usar uma mistura de triangulação e métodos astronômicos, aos quais foi adicionado o uso de cronômetros assim que se tornaram prontamente disponíveis. Um dos primeiros usos de cronômetros em levantamento topográfico foi relatado por Simeon Borden em sua pesquisa de Massachusetts em 1846. Tendo verificado o valor de Nathaniel Bowditch para a longitude da State House em Boston, ele determinou a longitude da Primeira Igreja Congregacional em Pittsfield , transportando 38 cronômetros em 13 excursões entre os dois locais. Os cronômetros também eram transportados por distâncias muito maiores. Por exemplo, o US Coast Survey organizou expedições em 1849 e 1855 nas quais um total de mais de 200 cronômetros foram enviados entre Liverpool e Boston , não para navegação, mas para obter uma determinação mais precisa da longitude do Observatório em Cambridge, Massachusetts , e portanto, para ancorar o US Survey no meridiano de Greenwich.

Os primeiros telégrafos de trabalho foram estabelecidos na Grã-Bretanha por Wheatstone e Cooke em 1839, e nos EUA por Morse em 1844. A ideia de usar o telégrafo para transmitir um sinal de tempo para determinação da longitude foi sugerida por François Arago para Morse em 1837, e o O primeiro teste dessa ideia foi feito pelo capitão Wilkes da Marinha dos Estados Unidos em 1844, sobre a linha de Morse entre Washington e Baltimore. Dois cronômetros foram sincronizados e levados às duas agências telegráficas para realizar o teste e verificar se a hora era transmitida com precisão.

O método logo entrou em uso prático para determinação da longitude, em particular pelo US Coast Survey, e em distâncias cada vez maiores, à medida que a rede telegráfica se espalhava pela América do Norte. Muitos desafios técnicos foram enfrentados. Inicialmente, os operadores enviavam sinais manualmente, ouviam os cliques na linha e os comparavam com os tiques do relógio, estimando frações de segundo. Relógios de quebra de circuito e gravadores de caneta foram introduzidos em 1849 para automatizar esses processos, levando a grandes melhorias tanto na precisão quanto na produtividade. Com o estabelecimento de um observatório em Quebec em 1850, sob a direção de Edward David Ashe, uma rede de determinações telegráficas de longitude foi realizada para o leste do Canadá, e ligada à de Harvard e Chicago.

The Telegraphic Net of Longitude in the USA, 1896. Dados de Schott (1897). As linhas pontilhadas mostram as duas conexões telegráficas transatlânticas com a Europa, uma via Canadá.

Uma grande expansão da "rede telegráfica de longitude" foi devido à conclusão bem-sucedida do cabo telegráfico transatlântico entre o sudoeste da Irlanda e a Nova Escócia em 1866. Um cabo de Brest na França para Duxbury Massachusetts foi concluído em 1870 e deu a oportunidade de verifique os resultados por uma rota diferente. No intervalo, as partes terrestres da rede melhoraram, incluindo a eliminação de repetidores. Comparações da diferença entre Greenwich e Cambridge Massachusetts mostraram diferenças entre as medidas de 0,01 segundo de tempo, com um erro provável de ± 0,04 segundos, equivalente a 45 pés. Resumindo a rede em 1897, Charles Schott apresentou uma tabela das principais localizações nos Estados Unidos cujas localizações haviam sido determinadas por telegrafia, com as datas e pares e o erro provável. A rede foi expandida para o noroeste americano com conexão telegráfica ao Alasca e ao oeste do Canadá. Links telegráficos entre Dawson City , Yukon, Fort Egbert , Alaska e Seattle e Vancouver foram usados ​​para fornecer uma determinação dupla da posição do 141º meridiano onde ele cruzou o rio Yukon e, assim, fornecer um ponto de partida para um levantamento da fronteira entre os EUA e o Canadá ao norte e ao sul durante 1906-1908

Detalhe da carta náutica de Paita , Peru, mostrando a determinação telegráfica da longitude feita em 1884

A Marinha dos Estados Unidos expandiu a teia nas Índias Ocidentais e nas Américas Central e do Sul em quatro expedições nos anos 1874-90. Uma série de observações ligou Key West , Flórida, às Índias Ocidentais e à Cidade do Panamá . Um segundo abrangia locais no Brasil e na Argentina , e também ligava a Greenwich via Lisboa . O terceiro ia de Galveston, Texas , passando pelo México e América Central, incluindo o Panamá, e depois ao Peru e Chile, conectando-se à Argentina via Córdoba . A quarta adicionou localizações no México, América Central e Índias Ocidentais, e estendeu a rede para Curaçao e Venezuela .

A leste de Greenwich, determinações telegráficas da longitude foram feitas de locais no Egito, incluindo Suez, como parte das observações do trânsito de Vênus em 1874, dirigido por Sir George Airy , o astrônomo real britânico . As observações telegráficas feitas como parte do Grande Levantamento Trigonométrico da Índia, incluindo Madras , foram vinculadas a Aden e Suez em 1877. Em 1875, a longitude de Vladivostok no leste da Sibéria foi determinada por conexão telegráfica com São Petersburgo . A Marinha dos Estados Unidos usou Suez, Madras e Vladivostok como pontos de ancoragem para uma cadeia de determinações feitas em 1881-1882, que se estendeu pelo Japão , China , Filipinas e Cingapura .

A teia telegráfica circulou o globo em 1902 com a conexão da Austrália e da Nova Zelândia ao Canadá através da All Red Line . Isso permitiu uma dupla determinação das longitudes de leste e oeste, que coincidiram com um segundo do arco (1/15 de segundo).

A rede telegráfica de longitude era menos importante na Europa Ocidental, que já havia sido pesquisada em detalhes usando triangulação e observações astronômicas. Mas o "Método Americano" foi usado na Europa, por exemplo, em uma série de medições para determinar a diferença de longitude entre os observatórios de Greenwich e Paris com maior precisão do que anteriormente disponível.

Métodos sem fio

Marconi recebeu sua patente para telegrafia sem fio em 1897. O potencial para usar sinais de tempo sem fio para determinar a longitude logo se tornou aparente.

A telegrafia sem fio foi usada para estender e refinar a teia telegráfica de longitude, dando potencialmente maior precisão e alcançando locais que não estavam conectados à rede telegráfica com fio. Uma determinação inicial foi aquela entre Potsdam e The Brocken na Alemanha, uma distância de cerca de 100 milhas (160 km), em 1906. Em 1911, os franceses determinaram a diferença de longitude entre Paris e Bizerte na Tunísia, uma distância de 920 milhas (1.480 km), e em 1913-14 uma determinação transatlântica foi feita entre Paris e Washington .

Os primeiros sinais de tempo sem fio para uso de navios no mar começaram em 1907, em Halifax, na Nova Escócia . Os sinais de tempo foram transmitidos da Torre Eiffel em Paris a partir de 1910. Esses sinais permitiram que os navegadores verificassem e ajustassem seus cronômetros com frequência. Uma conferência internacional em 1912 alocou horários para várias estações sem fio ao redor do mundo transmitirem seus sinais, permitindo uma cobertura quase mundial sem interferência entre as estações. Sinais de tempo sem fio também foram usados ​​por observadores em terra no campo, em particular agrimensores e exploradores.

Os sistemas de navegação por rádio passaram a ser amplamente utilizados após a Segunda Guerra Mundial . Vários sistemas foram desenvolvidos, incluindo o Decca Navigator System , a guarda costeira dos EUA LORAN-C , o sistema Omega internacional e o Alpha soviético e CHAYKA . Todos os sistemas dependiam de transmissões de balizas de navegação fixas. Um receptor a bordo calculou a posição da embarcação a partir dessas transmissões. Esses sistemas foram os primeiros a permitir uma navegação precisa quando as observações astronômicas não podiam ser feitas devido à pouca visibilidade, e se tornaram o método estabelecido para o transporte comercial até a introdução dos sistemas de navegação por satélite no início dos anos 1990.

Em 1908, Nikola Tesla previu:

Na mais densa neblina ou escuridão da noite, sem bússola ou outros instrumentos de orientação, ou um relógio, será possível guiar uma embarcação pelo caminho mais curto ou ortodrômico , para ler instantaneamente a latitude e longitude, a hora, a distância de qualquer ponto, e a verdadeira velocidade e direção do movimento.

Sua previsão foi cumprida parcialmente com sistemas de navegação por rádio e totalmente com modernos sistemas de computador baseados em GPS .

Veja também

Referências

links externos