Historie navigace: Lodní deník z Endeavour 1. část

 Navigace na přelomu staré a nové éry

„Dle znamenitého pozorování Slunce a Měsíce shledávám naši zeměpisnou délku 178° 18′ 30“ západně od Greenwich. Zeměpisná délka dle logu je 175° 52′ západně. Tento rozdíl připisuji nepřetržitým západním vlnám, se kterými se potýkáme od našeho opuštění ostrova, a mořskému proudu, o němž se domnívám, že míří západním směrem.“ Denní záznam z 5. října roku 1769 v lodním deníku His Majesty’s Bark Endeavour poblíž Nového Zélandu, během Cookovy první objevné plavby.

Na Kráse jachtingu nyní přinášíme trojdílnou sérii článků věnovaných historii námořní navigace. Zanesou nás do doby, v níž vznikala tzv. new navigation – nová navigace, do druhé poloviny 18. století. Toto století přineslo pro navigaci tři zásadní novinky: oktant (předchůdce sextantu); metodu lunárních vzdáleností; a námořní chronometr. Sečtělejší čtenář možná již tuší, že chronometr umožnil určování zeměpisné délky na moři. V článcích nenajdeme o chronometru téměř zmínku (necháme si ho na některá další témata). Články budou věnovány lodnímu deníku z HMB Endeavour, která na své palubě ještě žádný chronometr neměla. Přesto se zeměpisné délce budeme dotýkat často a vyvrátíme jeden z rozšířených mýtů, že před vynálezem chronometru neměli mořeplavci o zeměpisné délce ani ponětí.

Ofocené stránky lodních deníků z objevných plaveb britských lodí můžeme nalézt na stránkách British Atmospheric Data Centre v odkazu [1]. Barevné skeny některých deníků také na stránkách National Library of New Zealand [2]. Deník, který popíšeme v tomto seriálu, psal master (důstojník zodpovědný za navigaci) na Endeavour, Robert Molineux (na tehdejších lodích bylo pravidlem, že svůj vlastní lodní deník vedli kromě kapitána také poručíci, master, a kadeti – midshipsmen – adepti na budoucí důstojníky). Kromě doby, do níž spadá, byl vybrán také z toho důvodu, že v porovnání s ostatními deníky je veden vzorně a velice pečlivě.

Náš seriál nebude úplným přepisem deníku, protože to by čtenáře umořilo nudou. Lodní deník (Ship’s Log), jak uvidíme dále, obsahoval především výčet údajů důležitých pro navigaci. Vedle logu obvykle kapitán lodi vedl i takzvaný Journal, který shrnoval události daných dnů (Journaly z Cookových plaveb nalezneme v odkazu [1] také). Pusťme se nyní do rozboru údajů, které lze v deníku nalézt.

Denní záznamy

Začněme běžným záznamem z 28. srpna 1768. Na obr. 1 je zobrazena celá dvoustrana deníku, pokrývající celkem čtyři dny. Na prvním řádku čteme hlavičku, která se v různých obměnách opakuje v celém deníku: „The Passage of His Majestys Bark Endeavour From England towards Madeira“ (plavba barku jeho veličenstva Endeavour z Anglie na Madeiru). Poté následují názvy jednotlivých sloupců: H, K, F, Courses, Winds, Remarks on… příslušné datum.

Nejdůležitější navigační údaje jsou obsaženy ve sloupcích H, K, F a Courses. Sloupec H obsahuje označení hodin: vždy od jedné hodiny odpoledne do půlnoci a pak od jedné ráno do příštího poledne (den v lodním deníku tedy začínal a končil polednem, proč tomu tak bylo uvidíme později). Pro každou hodinu je uvedena rychlost lodi v uzlech (sloupec K, neboli Knots) a jejich osminách (sloupec F neboli Fathoms, česky sáhy). Rychlost lodi se měřila každou hodinu (na lodích obchodního loďstva každé dvě hodiny) pomocí zařízení zvaného Log (viz obr. 2). Šlo o cívku s navinutou šňůrou, na jejímž konci bylo upevněno prkénko (anglicky log, odtud název přístroje), zatížené závažíčky tak, aby ve vodě plavalo ve svislé poloze. Prkénko se vhodilo do vody za plující lodí a jeho odpor vytahoval šňůru z cívky. Po uplynutí třiceti sekund (měřeno přesýpacími hodinami) námořník cívku zastavil, šňůra byla vytažena zpět a její odvinutá délka určovala rychlost lodi. První písemná zmínka o logu se objevuje v knize A regiment for the sea od angličana Williama Bournea z roku 1574. Před vynálezem logu byla rychlost lodi určována odhadem, ostatně i Bourne píše, že hrdí iberijští námořníci ještě v jeho době stanovovali rychlost lodi pouhým odhadem a nespoléhali se na nějaké anglické vynálezy.

Pro usnadnění odečtu délky odvinuté šňůry byla tato opatřena uzlíky, odvinutí jednoho uzlu představovalo rychlost lodi 1 námořní míle za hodinu. V 18. století již bylo dělení šňůry pokročilejší: na místě původních uzlíků se objevil úvazek z kusu šňůry a uzlíky byly na tomto úvazku; na prvním jeden, na druhém dva, atd. Námořník tedy již nemusel uzlíky počítat během odvíjení. Jednoduchým výpočtem se dojde k závěru, že vzdálenost mezi uzly na šňůře (při použití třicetisekundových přesýpacích hodin) je rovna téměř přesně osmi sáhům (jeden sáh je 1,83 m). Proto byla tato vzdálenost rozdělena na osm dílů označených bílou stužkou. Rychlost lodi pak byla vyjadřována v uzlech (NM/h) a jejich osminách (Fathoms), takže např. první údaj na obrázku: K:6, F:4, představuje rychlost lodi 6,5 uzlu.

Použití logu bylo pro zkušeného navigátora uměním a nepředstavovalo pouze slepý odečet počtu odvinutých uzlíků. Šňůra logu se z cívky musela odvíjet tak rychle, jak rychle bylo prkénko logu odnášeno od lodi. Proto se mnohdy cívka nenechávala odvíjet sama pouze tahem šňůry, ale bylo jí třeba ručně pomáhat. Šňůra se také mohla postupně zkracovat neustálým namáčením, nebo se prodlužovat tažením za lodí při vyšších rychlostech. Také přesýpací hodiny nemusely ukazovat přesně, v závislosti na vlhkosti písku nebo velikosti otvoru skrz nějž se sypal, která byla ovlivněna teplotou. Tyto nepřesnosti musel mít navigátor na paměti (navigační manuály na ně upozorňují), musel je kontrolovat, a určenou rychlost o ně umět zkorigovat.

J. H. Moore v knize New Practical Navigator [3] popisuje způsob, jak ověřit dobu chodu přesýpacích hodin pomocí kyvadélka: „Kyvadlo se připevní na hedvábné vlákno připevněné smyčkou na jeho horním konci na špendlík nebo hřebík, aby se mohlo volně otáčet. Vzdálenost mezi koncem smyčky a středem kyvadla nechť je 39 a čtvrt palce. Po rozhoupání kyvadla bude doba jeho kyvu, měřená mezi dvěma průchody svislicí spuštěnou od špendlíku, rovna jedné sekundě.“ W. Hutchinson v knize Treatise by Practical Seamenship [4] doporučuje k tomuto účelu použít kuli do muškety zavěšenou na vlákně dlouhém 30 palců.

Další sloupec na obr. 1 (Courses) udává kurz lodi podle kompasu. Ten byl zjevně zapisován pouze v případě, že se kurz lodi změnil. Růžice námořních kompasů (viz obr. 3) byly až do konce 19. století rozděleny na 32 směrů (po 11,25 stupně), označovaných anglicky jako points (v češtině se ujalo označení čárky). Ve sloupci kurzů na první straně tedy čteme pro 1 hodinu odpoledne kurz WSW (západojihozápad) a v 10 hodin ráno SWBS (tedy south-west by south; jedna čárka od jihozápadu směrem na jih).

Ve sloupci Winds (vítr) (vítr) jsou údaje o směru větru a v poslední části Remarks (poznámky) jsou údaje o počasí a síle větru, postavených plachtách, důležitých činností na lodi, a další navigační údaje, kterým se budeme věnovat posléze.

V dolní polovině strany následují obdobné údaje pro další den, a pod nimi jsou dva řádky, každý příslušející k jednomu z denních záznamů výše. Informace obsažené v těchto řádcích jsou klíčové pro pochopení toho, jakým způsobem probíhala navigace na lodích této doby v praxi. Popišme si tedy tento problém nejprve obecně.

Denní souhrny a měření zeměpisné šířky

Dnešní jachtař se podívá na údaj v GPS a okamžitě zná svou polohu, kterou může zakreslit do mapy, na níž jsou patřičně označeny stupně zeměpisné délky a šířky. Za zeměpisnou délku dnes bez výjimky považujeme délku měřenou od nultého poledníku, kterým byl mezinárodní dohodou v roce 1884 stanoven poledník greenwichský. Tak tomu v osmnáctém století samozřejmě nebylo. Každý stát měřil délku od poledníku své námořní observatoře. Tato délka byla ovšem údaj, který se používal při tvorbě map. Navigátor na lodi bez použití přesného chronometru (případně metody lunárních vzdáleností, k níž se dostaneme ve třetím dílu) neměl jak tento údaj změřit. To ovšem neznamenalo (navzdory značně rozšířenému klišé), že by o zeměpisné délce neměl ponětí! Pouze její chápaní a určování bylo odlišné od toho, jak ji chápeme dnes. Cookovy plavby se ovšem uskutečnily v době, kdy se dnešní pojetí zeměpisné délky a její stanovování rodilo, proto i v tomto deníku uvidíme dále i údaje, které jsou současným navigátorům bližší. Kompletní přerod si ale vyžádal téměř celé následující století, a proto nepředbíhejme událostem.

Ve staletích před Cookem a ještě dlouho po něm byla základní navigační metoda označována jako dead reckoning, do češtiny překládána jako nautické spočtení (v angličtině se setkáváme také s označením position by account, tedy poloha výpočtem). Abychom tuto metodu mohli uplatnit, je třeba v pravidelných intervalech zapisovat rychlost lodi (resp. vzdálenost uplutou od posledního záznamu) a kurz. Na konci dne z těchto záznamů získáme buď graficky, nebo výpočtem na základě jednoduché trigonometrie, o kolik se loď posunula od poledne předchozího dne. Ukázky takového zpracování můžeme najít v navigačních manuálech, viz následující obr. 4 z knihy  Treatise of Practical Navigation z roku 1734 [5]. V prvním sloupci „Courses Correct.“ jsou kurzy z lodního deníku, opravené o magnetickou deklinaci, snos větrem a další efekty. Druhý sloupec „Dist.“ jsou vzdálenosti v mílích upluté pod daným kurzem. Pak následuje sloupec „Diff. Lat.“, v němž je průmět této vzdálenosti do severo-jižního směru (vyjadřuje tedy rozdíl zeměpisných šířek), a v posledním sloupci „Diff. Long.“ , vyjadřujícím rozdíl zeměpisných délek, jsou průměty upluté vzdálenosti do východo-západního směru. Oba sloupce se poté posčítají, čímž se získají údaje, o kolik se loď posunula v zeměpisné šířce a zeměpisné délce.

Poznámka ke čtení obrázků z tištěných knih v tomto článku: v 18. století bylo ještě v angličtině v užívání tzv. ostré s. Používalo se pro malé s stojící na začátku nebo uprostřed slova, a vypadalo v tisku jako malé f bez prostřední nožičky.

Vraťme se ale k popisu spodních řádků v lodním deníku na obr. 1. První dva sloupce, Course a Distance, ukazují výsledek tohoto výpočtu pro každý den. V deníku tedy čteme, že celková vzdálenost uplutá 28. srpna 1768 byla 128 mil, ve směru S44°W (toto značení, které je mnohem přesnější než 32 kompasových směrů, říká, že kurz byl 44° od jihu směrem k západu, dnes bychom ho tedy vyjádřili kurzem 180+44=224°). Obdobně 29. srpna byla uplutá vzdálenost 39 mil ve směru S26°W. Z těchto údajů, získaných pro každý den, lze poté do mapy vynést lomenou čáru, představující výsledné denní pohyby lodě.

Ve třetím sloupci Latitude Observed najdeme zeměpisnou šířku pro poledne daného dne. Tato šířka byla observovaná, tedy stanovená měřením výšky Slunce. Nejčastěji toto měření probíhalo v pravé poledne (tzv. kulminace Slunce), kdy je Slunce nad obzorem nejvýše. K tomu jsou potřeba ještě tabulky deklinace Slunce (deklinace Slunce je zjednodušeně řečeno zeměpisná šířka místa na Zemi, z nějž bychom viděli Slunce přímo nad hlavou. Ta se v průběhu roku mění od 23,5°N, kdy je Slunce nad obratníkem Raka a nastává letní slunovrat, po 23,5°S, kdy je nad obratníkem Kozoroha). Z maximální výšky Slunce H a jeho deklinace pro daný den Dec se zeměpisná šířka lodi vypočte pomocí jednoduchého vztahu šířka = 90° + Dec – H,  (je-li Slunce na jih od nás), případně: šířka = -90° + Dec + H (je-li Slunce na sever od nás).

Tabulky deklinace Slunce pro každý den v roce byly vydávány spolu s astronomickými kalendáři pro námořníky ještě před Kolumbem (např. Zakutův almanach z roku 1473), později se staly součástí navigačních příruček, kde byly uváděny vždy na několik až několik desítek let dopředu od vydání. Od roku 1767 pak britská admiralita ve spolupráci s greenwichskou hvězdárnou vydává pro každý rok Námořní almanach, obsahující kromě deklinace Slunce především tabulky tzv. lunárních vzdáleností. Tomu se budeme ještě věnovat podrobněji ve třetím dílu.

V Cookově době byly nejčastějšími přístroji užívanými k měření výšky Slunce oktant a sextant. Oktant vynalezl v roce 1730 londýnský výrobce přístrojů John Hadley, sextant pracuje na stejném principu, ale umožňuje měřit i úhly větší než 90°. Sextanty byly na rozdíl od převážně dřevěných oktantů navíc kovové, což umožňovalo vyrábět přístroje menší velikosti a větší přesnosti. Oktant i sextant jsou vyobrazeny na obr. 5 (vlevo je oktant z konce 18. století, vpravo je sextant, který používal Cook na své třetí plavbě okolo světa). Pro svou jednoduchost a nízkou cenu se na lodích druhé poloviny 18. století ještě stále používal i tzv. Davisův kvadrant (anglicky zvaný též back-staff, jako varianta ke cross-staff, jak angličané nazývali Jakubovu hůl). Navrhl ho poprvé anglický mořeplavec John Davis ve své knize Seaman’s secrets, vydané v roce 1595 [6]. Šlo o dřevěný přístroj sloužící k měření výšky pouze Slunce: štěrebinou na jeho konci sledoval navigátor mořský horizont, a posuvný otvor na stupnici musel umístit tak, že stín jím vrhaný padal na štěrbinu s horizontem. Davisův kvadrant z roku 1767 je na obr. 6.

Rozdíl poledních zeměpisných šířek, změřených ve dvou po sobě jdoucích dnech, mohl být konfrontován se vzdáleností uplutou v severojižním směru, stanovenou z nautického spočtení (toto byl hlavní důvod, proč denní záznamy vždy začínají a končí polednem; kdyby tomu tak nebylo, musela by se denní uplutá vzdálenost stanovovat zvlášť i pro tento interval). Nautické spočtení bylo prováděno z rychlosti lodě měřené vůči vodě – pokud se tedy tyto údaje navzájem lišily, mohl z toho navigátor usuzovat na rychlost mořského proudu (alespoň v severo-jižním směru), jak ostatně uvidíme na dalších záznamech ve druhém dílu seriálu.

Čtvrtý sloupec Longitude made from (volně přeloženo jako zeměpisná délka uražená od…) se nejvíce liší od zeměpisné délky, jak ji chápeme dnes. Jde o rozdíl zeměpisných délek lodi a obvykle nějakého posledního jednoznačně identifikovaného útvaru na pevnině nebo ostrova. Takže zatímco na této straně čteme pro 28. srpna: „Longitude made from: the Lizard 3° 31′ W“, tedy rozdíl zeměpisných délek mezi mysem Lizard a lodí je 3° 31′ směrem na západ, a pro další den „ditto (=taktéž) 3° 56′ W“, na dalších stranách deníku uvidíme, že se budou výchozí body měření zeměpisné délky měnit. Tento údaj byl určován také z nautického spočtení, každý den se počítal přírůstek k zeměpisné délce na základě údajů ve sloupcích Course a Distance.

Pátý sloupec Thermometer je pouze doplňkový navigační údaj. Jedná se o teplotu vody (ve stupních Farnheita) a může sloužit k rozpoznání toho, že loď vplula do mořského proudu jiné teploty (a tedy obvykle i mířícího jiným směrem).

Poslední sloupec Bearings and Distance at Noon udává polední polohu lodě na základě náměru a vzdálenosti, opět k nějakému významnému bodu. Na dohled od pevniny jsou tyto údaje určovány přímo, ale na otevřeném moři opět pouze z nautického spočtení.

Dlužno podotknout, že údaje ve spodních řádcích (alespoň u zodpovědných navigátorů) nebyly získávány pouze mechanickou aplikací matematiky na kurzy a rychlosti lodě, ale naopak vyjadřovaly polohu lodě podle nejlepšího svědomí navigátora, který se do nich snažil promítnout všechny efekty, které by mohli mít vliv. Mezi nejdůležitější patří vliv mořského proudu. Jeho určování si ukážeme na dalších stranách deníku.

Výpočty polohy a oprav bohužel v denících nenajdeme. Prováděly se křídou na břidlicové tabulky, a pokud na papír, nebylo třeba je archivovat. Postup pro jejich provedení nalezneme tedy pouze v tištěných navigačních manuálech. Uveďme zde jako příklad výpočet, pomocí nějž bylo možné opravit uraženou zeměpisnou délku (v našem příkladu a anglických příručkách označovaná jako Departure) a uplutou vzdálenost pouze na základě měření zeměpisné šířky. Najdeme jej opět například v Patounově manuálu Treatise of Practical Navigation [5] (viz obr. 7).

V příkladu je uplutá vzdálenost podle logu (mezi polednem jednoho a následujícího dne) označena jako AC. Ze známého kurzu lodi (úhel BAC) určíme Departure jako BC a rozdíl zeměpisných šířek jako AB. K dispozici však máme skutečná měření zeměpisných šířek, jejichž rozdíl je AD. Pak můžeme na základě podobnosti trojúhelníků stanovit, jaká byla skutečná uplutá vzdálenost (AE) a skutečný rozdíl délek (Departure) DE. Platí: AB:AD = BC:DE, a dále AB:AD = AC:AE.

Další z příkladů úpravy údajů podle úsudku navigátora nalezneme v denním záznamu z 20. prosince 1768, kde čteme:

„Allowed 3° southing in the Course for Bad steerage and add 16 miles to the Distance for the swell & error of the Logg.“ (Počítáno s 3° více k jihu kvůli špatnému kormidlování a 16 mílemi rozdílu v upluté vzdálenosti kvůli vlnám a chybě logu).

Než přejdeme k dalšímu tématu, zastavme se ještě opět u otázky určování zeměpisné šířky. Jak již bylo řečeno, nejčastějším způsobem bylo měření polední (tj. maximální) výšky Slunce, z níž za pomoci deklinace Slunce pro daný den určíme naši šířku snadno. Co když ale navigátor okamžik poledne propásl, nebo bylo v ten okamžik právě zataženo? I na tento případ myslely navigační příručky. Jedna z náhradních metod spočívá ve změření dvou výšek Slunce mimo poledne, k nimž musíme znát také čas, který uplynul mezi těmito dvěma měřeními, deklinaci Slunce, a alespoň přibližnou zeměpisnou šířku lodi, stanovenou z nautického spočtení. Z těchto údajů lze vypočítat skutečnou zeměpisnou šířku. Tento výpočet zabírá půl strany tištěného textu (viz. [7], str. 276), a proto není divu, že i v deníku z Endeavour nalezneme pouze jedno takové měření ze dne 26. ledna 1769:

Záznam uvádí:
Observed by two altitudes of the Sun & found the Latitude to be 56° 51′ S.
Time by a good second Watch:

	Alt. Corrected
1st Alt. = 11H 04′ 00“ A.M.	49° 50′
2nd Atl. = 1H 21′ 00“ P.M.	49° 12′

Pozorovány dvě výšky Slunce & zjištěna zeměpisná šířka 56° 51′ S.
Čas podle dobrých sekundových hodinek:

	Výšky opravené
1. výška = 11H 04m 00s dopol.	49° 50′
2. výška = 1H 21m 00s odpol.	49° 12′

Tento záznam vyžaduje několik komentářů. Všimněme si zmínky o použití hodinek. Ačkoliv námořní chronometr byl v těchto letech teprve u konce první fáze vývoje, kapesní hodinky patřily k výbavě námořních kapitánů už druhé století (první kapesní hodinky byly sestrojeny začátkem 16. století). Oproti chronometru, který se za den rozešel maximálně o několik sekund a navíc jeho „chod“ byl pravidelný a předvídatelný, šly hodinky většinou nerovnoměrně a za den se rozešly i o několik minut. Pro účely odměření časového intervalu mezi dvěma ne příliš vzdálenými měřeními ale postačovaly.

Vzhledem k tomu, že se jedná o první místo v deníku, uvádějící i naměřené výšky (nikoliv pouze výsledky z nich odvozené), zastavme se na chvíli u těchto údajů. V deníku čteme, že se jedná o tzv. „výšky opravené“. Samotné měření výšky pomocí přístroje bylo třeba opravit o několik faktorů, známých astronomům již od starověku, a manuály na ně pamatují od doby, kdy začalo být používáno měření výšek k určování polohy na moři. Tyto opravy jsou:

• Úhlový poloměr Slunce (Semidiameter): Pomocí přístrojů obvykle určujeme úhlovou výšku dolního nebo horního okraje slunečního disku nad horizontem, protože okraj je dobře viditelný a jasně definovaný. Zajímá nás ale výška středu Slunce, proto musíme k měření přičíst nebo odečíst Semidiameter. Úhlový poloměr Slunce je zhruba 16′, ale tato hodnota se mírně mění v průběhu roku, protože se mění i vzdálenost Země od Slunce.
• Deprese horizontu (Dip of Horizon): měření probíhá od linie mořského horizontu, ten je ale o několik úhlových minut pod ideální horizontální rovinou a tato odchylka, kterou je třeba vždy odečíst od měření, je tím větší, čím výše je oko navigátora nad mořskou hladinou.
• Refrakce: ta je způsobena lomem paprsků světla v zemské atmosféře, v důsledku čehož se nám objekty na obloze zdají výše, než ve skutečnosti jsou. Může dosahovat hodnot od 34′ do 0′, v závislosti na výšce objektu nad horizontem.

Tabulku těchto oprav, převzatou z Robertsonových Základů navigace [7] ukazuje obr. 11.

Opravy výšky uváděné v příručkách jsou uvedeny s přesností na úhlové vteřiny. Přesnost přístrojů užívaných k navigaci se ale pohybovala okolo jedné úhlové minuty (dnešní nejpřesnější sextanty měří s tolerancí 0,1′). Tato iluzorní a zbytečně vysoká přesnost, plynoucí z toho, že některé údaje lze vypočítat s mnohem vyšší přesností, než je lze měřit, byla ve vědě obvyklá po mnoho století, a vymítil ji až rozvoj teorie chyb měření v 19. století.

Konec první části.

Pokud se chcete podívat, jak se dobové navigační přístroje používají, můžete při práci s nimi vidět přímo Petra Scheiricha.

[vimeo http://www.vimeo.com/45234314 w=500&h=281]

Odkazy a zdroje:

[1] Lodní deníky na British Atmospheric Data Centre

[2] Barevné skeny některých deníků na National Library of New Zealand

[3] John Hamilton Moore: The New Practical Navigator, 1807

[4] William Hutchinson: A treatise … by Practical Seamanship, 1791

[5] Archibald Patoun: A Compleat Treatise of Practical Navigation, 1734

[6] Kniha John Davis: The Seamans Secrets, 1595, vyšla také jako příloha knihy The Voyages and Works of John Davis, the Navigator, 1880, str. 229.

[7] J. Robertson: The Elements of Navigation, vol. II, 1786

[8] www.cogsandpieces.com