Jak se neztratit na moři

Dle znamenitého pozorování Slunce a Měsíce shledávám naši zeměpisnou délku 178° 18' 30" západně od Greenwiche. Zeměpisná délka dle logu je 175° 52' západně. Tento rozdíl připisuji nepřetržitým západním vlnám, se kterými se potýkáme od našeho opuštění ostrova [Nového Zélandu], a mořskému proudu, o němž se domnívám, že míří západním směrem.

Lodní deník His Majesty’s Bark Endeavour, 5. října 1769, první Cookova objevná plavba

Navigátor lodi Endeavour se v tomto záznamu odkazuje na jeden z tehdy nových způsobů určení zeměpisné délky – metodu lunárních vzdáleností. Tato metoda je pro tento článek příliš komplikovaná.¹⁾ Nahlédneme však do historie jiných způsobů, jak se neztratit na moři.

Ačkoliv slovo navigace (z latinského navigare – plavit se, plout) původně označovalo plavbu jako takovou, dnes označuje metody vedoucí k tomu, abychom zjistili, kde jsme, kam plout, abychom dorazili do cíle, a kam neplout, abychom neztroskotali.

Existuje značně rozšířená romantická představa, kterou lze shrnout do jedné věty: Staří mořeplavci se řídili pomocí hvězd. Pokusíme se tuto představu poopravit. Staří mořeplavci skutečně navigovali také pomocí hvězd, ale tato takzvaná astronavigace byla pouze jednou z mnoha používaných metod. Co by ostatně nebozí mořeplavci dělali při zatažené obloze?

Vítr – kompas starověku

Čilý námořní ruch ve starověkém Středozemním moři a jeho blízkém okolí si vystačil buď s plavbou na dohled od pobřeží (zpravidla ve dne; v noci loď čekala na kotvě), nebo přeplavbami napříč mořem, které za dobrého větru trvají kdekoliv ve Středozemním moři maximálně několik dnů. Právě vítr byl nejen zdrojem pohybu lodí, ale také klíčovou navigační pomůckou. Bez nadsázky jej můžeme označit za kompas starověku.

Přeplout otevřené moře pouze pomocí větru a nezabloudit vyžaduje jednak čekání na příznivý vítr, a také spoléhání na to, že vítr nebude po několik dnů výrazně měnit směr. Větry vanoucí ve Středomoří se tímto způsobem opravdu často chovají a starověcí mořeplavci si toho byli dobře vědomi. Staleté zkušenosti ve sledování počasí jim umožnily různé směry větrů rozeznat předem. Význam správného větru pro mořeplavbu byl tak ohromný, že jednotlivé větry dostaly i svá jména (např. řecké Boreas, Notos, Apeliotes a Zephyros). V pozdějších staletích pak jména těchto větrů dala v některých jazycích vzniknout názvům světových stran. Původ zde má i pojem větrná růžice, používaná dodnes k označení světových stran na mapách.

Maják na chorvatském ostrově Veli Rat.Snímek Stanislav Vaněk

Loď hnaná větrem nemusí nutně plout pouze s větrem v zádech, ale má-li vítr sloužit jako orientační pomůcka pro doplutí do cíle, pak je třeba udržovat stabilní kurz lodě vůči směru větru a spoléhat se na to, že se jeho směr nezmění. Popřípadě tuto změnu včas odhalit a kurz tomu přizpůsobit.

Představme si otevřené moře bez dohledu pevniny a kompletně zataženou oblohu. Vítr během několika hodin změní směr o 90° a my to bez kompasu nemáme jak zjistit. V domnění, že směr větru je stálý, plujeme jinam, než jsme zamýšleli. Zkušený navigátor má ale i v takových podmínkách vodítko – vlny. Směr pohybu vln na otevřeném moři souhlasí se směrem větru, protože je to vítr, který vlnění vyvolává. Vlny se však pohybují setrvačností ještě dlouho poté, co vítr ustane. Obdobně se zpožděním reagují i na změnu směru větru. Pokud vítr začne měnit směr, lze to odhalit ze změny jeho směru vůči směru vln.

Při jasné obloze je situace samozřejmě snazší. Zejména v noci, kdy k určení světových stran (dnes) dobře poslouží Polárka. Pro starověké národy byla ovšem Polárka pouze bezvýznamnou hvězdou na konci oje Malého vozu. V důsledku precese zemské osy se bod, okolo nějž se zdánlivě otáčí obloha a který zároveň ukazuje směr k severu, pozvolna posouvá. V 5. století před naším letopočtem byl tento bod – severní nebeský pól – poblíž dvou hvězd – „zadních kol“ Malého vozu. Řekové je proto označovali jako strážce pólu. To, že starověcí mořeplavci určovali světové strany pomocí hvězd, víme z písemných zmínek Homéra (asi 8. století př. n. l.) a také řeckého básníka Arata (okolo 270 př. n. l.). Je to první známé využití hvězd k navigaci. Nikoliv však k určení polohy, ale pouze směru plavby.

Starověkou mořeplavbu uzavřeme zmínkou o dvou pomůckách sloužících především k příbřežní navigaci, kterými byly periplus a olovnice. Periplus (z řec. περίπλους – obeplutí) byla plavební příručka, obsahující seznam přístavů, důležitých orientačních bodů a vzdáleností (vyjádřených obvykle ve dnech plavby) mezi nimi. Olovnice je jednoduché zařízení, jehož podoba a princip se v podstatě nezměnily až do začátku 20. století. Pouhé stanovení hloubek může sloužit k hrubému určení směru plavby nebo dokonce polohy. Pokud se hloubka při opakovaném měření zmenšuje, lze z toho vyvodit (např. v noci či mlze), že loď se blíží k pevnině nebo k plavební překážce (mělčině, útesu…). Je-li k dispozici mapa se zanesenými hloubkami z dřívějších měření, pak dokonce i jedno měření hloubky určuje polohu na linii stejných hloubek (izobatě). Starověk dal vzniknout také přístroji zvanému astroláb (Hipparchos, okolo 150 př. n. l.), viz níže.

Kamal Arabů a Indů

Kamal (z arabštiny: průvodce; obr. 2) byl prvním přístrojem k určení polohy (byť pouze zeměpisné šířky) na základě astronomického pozorování. První písemnou zmínku o něm uvádí Ahmad ibn Mājid v Knize o užitku principů a pravidel navigace (okolo 1490 n. l.), ale jeho první užití se datuje už do 11. století n. l.

Kamal – jednoduché zařízení k měření výšky Polárky nad horizontem.Snímek Bordwall, CC BY-SA 3.0

Jde o dřevěnou destičku ve tvaru obdélníku, z jejíhož středu vede provázek s uzlíky. Destička se umístí svisle do takové vzdálenosti od oka navigátora, aby její spodní okraj zakryl horizont a horní okraj Polárku. Vzdálenost od oka (vyjádřená v počtu uzlíků na provázku) pak určuje úhlovou výšku Polárky nad obzorem. Tato výška je přibližně rovna zeměpisné šířce pozorovatele (byla by jí rovna přesně, pokud by se Polárka na obloze nacházela přímo na nebeském pólu. Tak tomu ale není ani dnes – Polárka je necelý stupeň od pólu – a v minulosti byl tento úhel ještě větší).

Evropané vyplouvají na oceán

Druhou polovinu 15. století můžeme označit za první revoluci v mořeplavbě a navigaci. Iberijští mořeplavci opustili bezpečí příbřežní plavby a vydali se na oceán – na atlantická souostroví, na jih Afriky, do Severní a Jižní Ameriky. Daleké cesty otevřeným mořem jim umožnil především kompas (do Evropy se dostal z Číny nejspíše ve 12. století) a nové metody navigace.

Jednou z těchto nových metod je nautické spočtení. V pravidelných intervalech se při něm do lodního deníku a mapy zaznamená kurz a rychlost (a z ní odvozená uplutá vzdálenost). Tyto dva údaje na mapě postupně vytvářejí lomenou čáru, na jejímž konci je vždy aktuální poloha lodi. Kurz lodi se určuje kompasem, rychlost se zpočátku pouze odhadovala, asi od druhé poloviny 16. století měřila zařízením zvaným log.

Log (nebo také logchip; obr. 4) byl plochý kus dřeva ve tvaru kruhové výseče, jehož oblá část byla zatížena kousky olova tak, aby log plaval ve svislé poloze těsně pod hladinou. K němu byla pomocí tří provazů upevněna dlouhá šňůra, navinutá na cívce. Cívka se držela na palubě a mohla se volně odvíjet, zatímco prkénko bylo díky pohybu lodi odnášeno vodou pryč. Šňůra byla rozdělena na stejně dlouhé části, vyznačené uzlíky. Počet uzlíků, které se odvinuly za daný čas (obvykle 30 s), měřený přesýpacími hodinami, udával rychlost lodi. Odtud také pochází jednotka rychlosti používaná v mořeplavbě – uzel.

Námořní astroláb z vraku lodě Holandské východoindické společnosti Vergulde Draeck, která ztroskotala na západoaustralském korálovém útesu Ledge Point 28. dubna 1656. WA Maritime Museum, Perth.Snímek GordonMakryllos, CC BY-SA 4.0

Ačkoliv jde pouze o přibližné určení polohy,²⁾ jehož chyba s časem narůstá, bylo nautické spočtení nejrozšířenější a nejdůležitější metodou určení polohy až do konce 20. století, kdy jej nahradila satelitní navigace. Měření upluté vzdálenosti se mezitím zpřesnilo novými přístroji, ale dodnes se používá nautické spočtení pro plánování plavby. Všechny ostatní způsoby zjištění polohy včetně astronavigace sloužily pouze jako doplněk, umožňující čas od času, když to podmínky dovolily, polohu z nautického spočtení zpřesnit.

Musíme také vyvrátit jedno často se opakující klišé, že před vynálezem chronometru (přesného měření času) neměli mořeplavci informaci o své zeměpisné délce. Zeměpisná délka je samozřejmě jedním z výsledků nautického spočtení, byť pouze přibližná a zatížená značnou chybou. Až do vynálezu chronometru ji pouze nebylo možno nezávislou metodou zpřesnit.

Pokud jde o zeměpisnou šířku, tu dokázali evropští mořeplavci již od 15. století určovat astronomicky – buď měřením úhlové výšky Polárky, nebo úhlové výšky Slunce v jeho nejvyšším bodě dráhy po obloze, během tzv. pravého poledne. Sloužila jim k tomu řada přístrojů, v 15. století to byly astroláb a kvadrant, začátkem století 16. k nim přibyla Jakubova hůl neboli cross-staff a koncem téhož století Davisův kvadrant neboli back-staff.

Astroláb

Téměř v každé muzeální expozici věnované navigaci se setkáte s astrolábem a téměř vždy to je přístroj, který nemá s mořeplavbou nic společného. Tímto často prezentovaným astrolábem (obr. 3), říkejme mu astroláb astronomický, je přístroj, který již ve starověku navrhl řecký astronom Hipparchos (v muzeích jsou novověké verze). Jde o jakéhosi předchůdce otočné mapy oblohy, výšek nad obzorem a azimutů. Kulatá mříž s hroty, kde každý představuje nějakou jasnou hvězdu na obloze, je otočná na pozadí souřadnicové sítě. Po obvodu mříže jsou časové značky a po obvodu desky v pozadí značky datové. Pootočením mříže tak, aby aktuální čas příslušel aktuálnímu datu, bylo možné zjistit výšky a azimuty hvězd. Častější použití přístroje bylo opačné – změřením výšky zvolené hvězdy (k tomu sloužilo rameno vybavené průzory na jeho zadní straně) a příslušným otočením mříže šlo pro aktuální datum zjistit místní čas.

Proč nemá tento přístroj nic společného s navigací? Souřadnicová síť v pozadí totiž funguje pouze pro pevně danou zeměpisnou šířku. Každá jiná šířka by vyžadovala svou vlastní síť; a zeměpisná šířka se samozřejmě během plavby průběžně mění. Astronomický astroláb byl tedy přístrojem značně rozšířeným, ale pouze po hvězdárnách na souši.

Ve sbírkách věnovaných navigaci se nejspíše objevuje tak často proto, že navigátoři skutečně používali i astroláb, ale ten má s tím astronomickým společné pouze rameno s průzory a stupnici výšek po obvodě a sloužil pouze k měření výšek hvězd (Polárky) a Slunce.

Log – zařízení používané k měření rychlosti lodi od konce 16. do konce 19. století, Musée de la Marine, Paříž.Snímek Rémi Kaupp, CC BY-SA 3.0

Osmnácté století – druhá revoluce v navigaci

Ačkoliv metoda nautického spočtení byla (a do jisté míry je i dnes) stále nejrozšířenější formou navigace, 18. století představuje pro navigaci další kvalitativní skok. Zasloužily se o to zejména vynálezy sextantu a chronometru.

Sextantu (obr. 5) předcházel oktant (obr. na obálce). Oba přístroje se principiálně shodují až na rozdíl ve velikosti stupnice. Princip vymyslel již Isaac Newton v roce 1699, ale protože jej nepublikoval, je vynález oktantu připisován londýnskému matematikovi Johnu Hadleymu (1730). Slouží k měření úhlových výšek objektů nad horizontem pomocí odrazu objektu od zrcátka na otočném rameni a přivedení jeho obrazu do zorného pole, kde se sleduje současně s mořským horizontem. Praktičnost tohoto uspořádání, možnost seřízení přístroje před každým měřením a později jeho vylepšení o dalekohled vedly k tomu, že se přesnost měření výšek objektů zlepšila z jednotek stupňů u astrolábů a kvadrantu, či desítek úhlových minut u Jakubovy hole a Davisova kvadrantu až na jednu úhlovou minutu. Přesnost jedné úhlové minuty v měření výšek znamená přesnost jedné námořní míle (1852 m) v určení polohy na zemském povrchu.

O chronometru – mechanických hodinách, které si udržují dostatečně přesný chod bez ohledu na houpání lodi, změny teploty a tlaku – byly napsány celé knihy. Cesta k němu začala již ve středověku hracími skříňkami s různými regulátory chodu a vyvrcholila v druhé polovině 18. století. Byť se za vynálezce chronometru často označuje anglický tesař John Harrison, který jeho vývoji věnoval většinu svého života, jeho historie je složitější. Harrison sám ani pojem chronometr nepoužíval, ten zavedli až jeho následovníci a v sériově vyráběných chronometrech se uplatnila i řada francouzských patentů.

Jak souvisí čas se zeměpisnou délkou? V důsledku rotace Země nastávají na různých polednících astronomické úkazy, jako např. východy, poledne a západy slunce v různých okamžicích. Poledne v Praze nastává o hodinu dříve než poledne v Londýně a tam zase o pět hodin dříve než v New Yorku. Protože měření času je již od pradávna spjato s pohybem Slunce, každé místo na Zemi má svůj místní čas, který je dán polohou Slunce na obloze pro dané místo. Místní čas v New Yorku ukazuje o 5 hodin méně než místní čas v Londýně atd. Rozdíl místních časů mezi dvěma místy na Zemi udává rozdíl jejich zeměpisných délek (pokud rozdíl časů v hodinách vynásobíme 15, dostaneme rozdíl délek ve stupních).

Sextant – přesný přístroj k měření úhlové výšky objektů nad horizontem.Snímek Petr Scheirich

Z polohy Slunce na obloze můžeme měřit místní čas, ale bez dálkového spojení (telegrafem nebo rádiem) nemáme šanci zjistit, jaký je místní čas na jiném místě na Zemi. Jediná možnost je vézt si místní čas z tohoto referenčního místa s sebou. A právě to umožnil až chronometr – na něm si mořeplavci vezli čas, který ukazovaly hodiny např. na greenwichské observatoři v Londýně. Rozdíl místního času změřeného na lodi a času, který udával chronometr, pak představoval rozdíl zeměpisných délek mezi polohou lodi a poledníkem greenwichské observatoře, který se stal mezinárodně uznávaným nultým poledníkem až koncem 19. století.

V určení zeměpisné délky má svou roli také již zmiňovaný sextant. Chceme-li znát délku s dostatečnou přesností, musí být kromě přesného referenčního času na chronometru přesně určen také místní čas. A jeho vůbec nejpřesnější stanovení vychází z měření výšky Slunce; potřebujeme tedy přesný přístroj, který toto měření umožní.

Sextantem a chronometrem zdaleka historie námořní navigace nekončí. Další vylepšení ať již měřicích přístrojů, nebo metod, jak z měření určit polohu, přicházela v 19. a 20. století. Sextant se příliš nezměnil, log nahradil otáčkoměr lodního šroubu, chronometr se výrazně vylepšil a bezdrátový telegraf a rádio umožnily dozvědět se přesný referenční čas kdekoliv a kdykoliv na světě. Základní principy námořní navigace používané po staletí nahradily až satelitní systémy z druhé poloviny 20. století.