Я начал писать на Хабр про яхты, потому как я люблю яхтенный спорт, но почему-то оказалось, что мои две первые статьи были про трагедии на море. Но море — это не всегда про трагедии, это ещё про научный прогресс, про командный спорт, и немножко про звёзды.
Сегодня я решил написать про навигацию. Навигация — это страшное колдунство, даже в наш просвещённый век радио и GPS. Я заранее прошу морских волков не кидать мне в панамку, потому что я буду писать простым языком, и опущу некоторые нюансы и технические детали ради красоты слога.
Дисклеймер: я не профессиональный географ и не историк, я просто люблю гонять на парусных яхтах там, где не видно берега и где навигация это не интересной дисциплина, а жизненная необходимость. Плюс у меня есть довольно редкий сегодня скилл уметь проложить курс на бумажной карте с карандашом и циркулем (обязательная дисциплина для тех, кто хочет получить корочку яхт-мастера). Я не ставлю целью написать научный реферат по навигации, я просто хочу рассказать интересную историю о том, как европейские моряки учились определять своё местоположение на карте. Я не буду пытаться охватить весь мир - одна Полинезия, это целая большая статья, а сконцентрируюсь на местных европейских ребятах. Морские термины сами по себе отдельный язык, который нужно долго учить, поэтому я буду писать по-русски, рискуя нарваться на морских волков и технические поправки с их стороны. Я не буду даже пытаться описать все инструменты, которыми пользовались древние навигаторы, поэтому, если я что-то в статье не упоминаю, то это, скорее всего, ради экономии места, потому как статья и так уже длинная.
Навигация — это набор инструментов для того, чтобы хомо сапиенс мог понять, где он есть, и куда ему надо идти или плыть. Эволюция обделила нас эхолокацией, умением видеть в темноте, хитрым чувством магнетизма, и вообще всем, чем пользуется весь животный мир для решения этой проблемы. Но хитрые хомо прокачали размер мозга и научились инструментами и практикой компенсировать, то, чем нас обделила эволюция. Навигация проще там, где есть ориентиры. На сухой земле это горы, деревья, поселения, реки и другие объекты.
На реках навигация проста, как два пальца — по течению, или против течения. Кстати, в древнем Египте вниз по течению Нила плыли на вёслах, а вверх — на парусах — там есть до сих пор устойчивый ветер с севера на юг, который помогает. Археологи это используют, когда расшифровывают картины: если судно под парусом, то оно плывёт с севера на юг, если на вёслах — то с юга на север.
История навигации — это история развития человеческого разума, наблюдательности и технологий, а Хабр — это про технологии.
На заре парусных и весельных технологий народ плавал вдоль берега, где мама видит. Там всё просто — местные знали, что где и хорошо ориентировались в знакомых водах. На средиземке было проще, чем в других местах, потому что приливы и отливы были в районе трёх сантиметров и никого не напрягали. Бриты, ирландцы и шотландцы знали о приливах и отливах больше, исключительно потому, что их остров омывала Атлантика и прилив в реке Северн достигает 13 метров даже сегодня.
Наши предки жили гораздо ближе к природе и пользовались наблюдениями за луной, солнцем, звездами и планетами, для нужд сельского хозяйства, для того, чтобы знать который час и для навигации на земле и на воде. Вот поэтому «два пальца левее Альголя» мне было смешно ровно до того момента, когда я правил яхтой в 3 утра на полярную звезду.
Нам в 21м веке звезды особенно не нужны и людей, которые умеют по ним ориентироваться можно пересчитать на пальцах (хабровчане не в счёт, я знаю, что процент продвинутых пользователей звёздного неба здесь высок).
Европейцы не были единственными мореходами, но карты и технологии тех времён сохранились лучше в европейских хрониках. Поэтому я расскажу, как бледнолицые моряки научились плавать через океаны за лутом.
Если не вдаваться в детали, то у навигации, где не видно берегов, проблемы две: как высоко/низко над экватором мы находимся и где мы относительно по ширине глобуса. Первую проблему мореплаватели решили давно с ориентированием по звёздам. Полярная звезда идёт выше — мы идём на север. Появляются новые интересные звёзды — мы плывём на юг.
Этот нехитрый лайфхак нашли и использовали египтяне, греки, финикийцы, китайцы и викинги. Единственный баг был в том, что если, скажем, условный Крит был на юг от Афин, то попасть на него, идя строго на юг, было сложно — не тот ветер и вы уже на Родосе, или, упаси боги, в Африке.
Римляне, и до них греки, решили, что нафиг рисковать, и плавать надо днём, когда видно. Средиземка тем и хороша, что, в принципе там можно всегда прижиматься к берегу и приплыть куда надо. Хитрый грек Эратосфен (266 - 194 до н. э.) работая в Александрийской библиотеке (да, да, той самой) рассчитал окружность земли с погрешностью меньше чем 1%, и нарисовал карты, где можно было понять, как далеко от одного порта до другого.
Широту можно было легко определить по звёздам, а долготу надо было прикидывать на глаз, исходя из старой задачи, где из пункта А в пункт Б вышла трирема с примерной скоростью 40 гребцов в час и где она будет через 2 дня, если не кормить гребцов от слова совсем.
Проблемы гребцов греков и римлян не волновали, потому что их всегда можно было набрать методом копья и кинжала. Поэтому навигация и ранние карты всех устраивали очень долго хотя использовать морской транспорт в плохую погоду и ночью было опасно и был не иллюзорный шанс налететь на мель, риф, или на берег.
Города, которым хотелось, чтобы доставка к ним людей и грузов работала и двигала вперёд науку, коммерцию и работорговлю, ставили в портах маяки, чтобы корабли шли на них и доходили без потерь. Стометровый Александрийский маяк, говорили, ночью был виден с расстояния 50 километров. Днём, понятно, огня было не видно, а вот столб дыма очень хорошо показывал направление. Маяк простоял почти полторы тысячи лет (с ~350 до нашей эры и до первого века нашей), пока три сильных землетрясения не разрушили его. Но, хоть и самый большой - маяк в Александрии был далеко не единственным.
Маяки в навигации используют и сегодня, особенно ночью. Всегда приятно увидеть живой свет с берега, особенно если он именно там, где и ожидалось. Особенным плюсом идут секторные маяки, которые меняют цвет в зависимости от того идешь ты в порт по безопасному курсу или нет. Про маяки можно ещё целую статью написать.
Две тысячи лет назад в Китае, во время династии Хань выяснили, что некоторые металлы умеют показывать на север при любой погоде. Китайцы всегда умели торговать технологиями и успешно продали компас всем участникам Шелкового Пути. Поэтому не прошло и двести лет, как компас пришёл в средневековую Европу.
Компас — это был крутая технология, которая всегда показывала на север. Вернее, примерно на север. Ну, на магнитный север точно. Если рядом не стоял железный Феликс трон для капитана. Проблем с севером много и решаются они сложно. Возьмём, например, разницу между географическим севером (который где-то посредине Северного Ледовитого Океана) и магнитным, который сейчас плавно мигрирует из Канады в Сибирь.
Карты путешествий магнитного полюса показывают, что двигается полюс достаточно быстро, чтобы одно поколение капитанов, которые всегда знали, в какой стороне Гренландия, к концу карьеры могли по ней промахнуться. В ясную ночь, конечно, можно было всегда скорректировать курс по Полярной Звезде, а вот в пасмурные дни это не работало.
Даже ваш покорный слуга, когда сдавал экзамен на яхт мастера, уже в этом тысячелетии, сидел над бумажными картами с транспортиром, карандашами и чьей-то матерью и думал о том что True Virgins Seldom Make Good Company.
Проблема передачи знаний долго решалась текстовым методом: моряки подробно записывали мельчайшие детали каждого плавания в тетрадки - ветер, течения, ориентиры на берегу и очень не любили ими делиться с конкурентами.
Но вернёмся к нашим баранам — нарисованые карты нагляднее и удобнее и бараньи шкурки отлично для этого подошли. Так появились портоланы — карты от моряков для моряков, где схематично рисовались острова, порты, эстуарии, и прочие интересные вещи, упрощающие навигацию по средиземному морю.
Первый портолан, который у нас есть — это карта XIII века (1290 год). Меркатор родился только 300 лет спустя, поэтому проекции были сделаны от руки, но карты работали, по крайней мере, на воде. А если работает — не трогай! В итоге, как только у европейцев появилась нормальная навигационная карта известного мира, они перестали заморачиваться и стали просто тупо её копировать.
Португальцы в XV веке выяснили, что для подсчёта угла к любому небесному телу можно приспособить астролябию, изобретённую древними арабами. Астролябия могла помочь найти точный угол к луне, звёздам, или солнцу, но у неё был нехилый баг: она работала только в ясную погоду и при небольшой качке.
Зная направление на север и маршрут на хорошей карте, мореходы осмелели и стали ходить дальше от берега.
Даже ушлые китайцы с компасом не смогли решить проблему долготы, и поэтому мореходство было опасным делом, когда направление ветра и представление о том, куда надо добраться, были, в основном гаданием на кофейной гуще. Если кто из олдов помнит канонический порядок тостов в хорошей компании, то первый — за живых, второй — за мёртвых, а третий — за тех, кто в море, ибо х. з. живы они или нет.
ТТХ для средневековых кораблей зависел на 90% от хотелок спонсора и на 10% от рекомендаций инженеров, поэтому у нас есть Васса и Мэри Роз, которые пошли ко дну со всем экипажем из-за высокого центра гравитации, открытых иллюминаторов «для проветрить» и прикрученных к полу золотых диванов. Про диваны не факт, но центровка там была никакая. С несовершенными инженерными решениями справлялись с помощью рома, жестоких наказаний для экипажа, и здоровым чувством пофигизма, основанном на ошибке выжившего. Дно средиземного моря хранит замечательную коллекцию кораблей, которым не повезло.
В XVI веке Грег Меркатор всё-таки натянул сову на глобус сделал хорошую проекцию трёхмерного мира на плоскую карту. Хорошие карты — половина пути к успеху и народ дружно ломанулся открывать новый мир.
Инвесторы в стартапы по типу «мы там поплывём искать золото и если что выпадет, то поделимся» развязали кошельки.
Колумб, кстати, знал, что земля круглая, а денег на экспедицию ему не давали потому, что до Индии было (и есть) от Европы почти 10 тысяч километров и ему банально не хватило — бы еды на такой вояж. Опять-же, историю пишут победители, и мы не знаем, сколько кораблей пошло ко дну в атлантике, ища Индию до Колумба. Я думаю, что много.
К слову, вот тот треугольник между Европой, берегом слоновой кости и Карибами, он не случайный. В Атлантическом океане между Европой, Африкой и Америкой есть постоянное течение, которое вывезет корабли сначала за рабами, потом за рынком их сбыта, а потом вернет с лутом домой.
Проблема долготы всё ещё была актуальной, но развитие математики и физики искало решения.
Вариант с триремой и 40 гребцами был решён, и формула «расстояние равно скорости умноженной на время» был рабочим вариантом. Проблемы, как всегда, были в деталях. Не изменился ли курс? Была скорость статичной, или ветер дул, как хочет? Вообще, какая была скорость? Чтобы измерить скорость, надо было бросить за борт палку, или веревку с узлами и посчитать, как быстро она пройдёт длину корабля. На глаз. Даже ночью.
Корабли с математически не подкованным экипажем бились о рифы или терялись в море, но так, как их количество было достаточным, торговля продолжалась.
Англичане, которые бойко катались туда-сюда через Атлантику и торговали там рабами, сахаром и другими ништяками, а также отправляли социально неугодных типов в Австралию и возили тоннами чай из Индии, очень не любили, когда корабли терялись и тонули из-за навигационных ошибок. Когда Лондонское страховое агентство Ллойдс взвинтило страховку для кораблей до уровня, несовместимого с профитом, британский парламент в 1714 году принял акт, который обещал 20,000 фунтов стерлингов (где-то 3 с хвостиком миллиона по теперешним ценам) тому, кто сможет найти решение проблемы долготы.
Проблему долготы решил Джон Гаррисон, который терпеливо допиливал свой хронометр с 1735 и до 1765 года, чтобы доказать, что это работает. Решение просто, как всё гениальное. Наша планета вращается вокруг солнца с постоянной скоростью, учитывая скорость вращения, если знать точное время в Гринвиче в полдень в Атлантике, то можно посчитать, как далеко мы от доброй старой Англии.
Если упрощённо (морские волки, молчать!) то за час Земля вращается на 15 градусов, на один градус за 4 минуты. Проблема была в том, чтобы сделать часы, которые не будут сбиваться с ритма за долгое плаванье. Джон Гаррисон создал первые надёжные морские хронометры, устойчивые к вибрациям и климатическим изменениям.
Его изобретения позволили морякам точно измерять время в порту отправления и сравнивать его с местным солнечным временем, что дало возможность впервые точно определять долготу и кардинально повысило безопасность и эффективность навигации. Испанцы, голландцы и португальцы нервно курили в сторонке, глядя, как бриты бороздят просторы Большого Театра.
Пока Британия правила морями, в теорию охоты навигацию было мало что добавлено. Улучшились, итеративно, карты, создавались атласы и расчёты позиций, измерение угла к небесным светилам стало ещё точнее после изобретения секстанта, но по-настоящему прорывной технологии не было.
Начало двадцатого века и развитие точных наук пришло и в навигацию, где за каких-то 80 лет ситуация кардинально изменилась в лучшую сторону.
В 1906 году был послан первый радиосигнал, и доказано, что радио - это волна. Зная направление на источник радиоволн и время после передачи и до получения сигнала, стало можно очень точно определить позицию корабля.
В 1907 году на сцену вышел гироскопический компас, который всегда показывал на географический север, а не на блуждающий магнитный.
Настоящий двигатель прогресса в ХХ веке - война. Радионавигацию, которая уже давно была известна, поставили на поток в 1943 году, когда выходить в море было вдвойне опасно из-за немецкого флота, который норовил потопить всё, что плавало. Систему наземных станций LORAN (Long Range radio navigation) установили на восточном побережье Америки, чтобы обеспечить навигацией союзные корабли на расстоянии почти тысячи километров от берега. К проекту быстро подключились Канада, СССР и другие морские державы. После войны военные продолжали выпускать новые, более совершенные варианты приёмников, а старые версии быстро расхватали рыбаки, владельцы танкеров и другие гражданские пользователи. В 1979 году систему официально открыли для мирных целей. LORAN даёт позицию с погрешностью около 10 метров и используется до сих пор, но в основном, как дублирующая система навигации.
Проблема с наземными станциями для морской навигации в том, что они наземные и радиус действия у них ограниченный. Но если привязать передающее устройство к спутнику в космосе, то проблема ограниченного радиуса решается сама собой и даже приёмники менять не надо. Что в итоге и сделали. Эта система летает до сих пор, но более известна как Global Positioning System (GPS), хотя, если точнее GPS - это американская система и есть ещё российский GLONASS, китайский BeiDou и европейский Galileo. У Японии и Индии есть свои местные системы, но без глобального охвата.
Я не буду рассказывать о том, как работает и использутся GPS в навигации сегодня, скажу только что вариант этой технологии есть на любой посудине и отличается только форм-фактором. У меня, например, стоит приложение Boaty на телефоне с платными картами стандарта британского адмиралтейства, которое мне показывает где я, и куда идёт моя яхта.
На суперяхте будет стоять что-то вот такое, но принцип тот-же.
Вот, в принципе, и всё. С неба и звёзд начали, и небом кончили, просто теперь в небо смотрит не кожаный мешок навигатор, а приёмник GPS. Навигация по звёздам всё ещё работает, и если сдохнет электроника, то позицию по широте всегда можно определить по углу к Полярной Звезде, если в Северном Полушарии. Долготу - по разнице времени в полдень между вами и нулевым меридианом в Гринвиче.
А как-же радары, сонары и Automatic Identification System (AIS), спросите вы? А я, как практик, отвечу, что для безопасности на морских магистралях эти технологии абсолютно незаменимы, а вот для навигации - нет. AIS, например, передаёт позицию отдельного корабля на спутник, а не принимает координаты. Если у вас на яхте есть AIS - приёмник, а он у большинства яхт должен быть по стандарту Safety of Life at Sea (SOLAS), то можно посмотреть на соседей по акватории. В офшорных гонках, мы по AIS смотрим, где у нас соперники, каким курсом идут, как быстро, и по результатам думаем о тактике. А всеь мировой флот показвает Marine Traffic в реальном времени.
Большинство супертанкеров, а также военных и гражданских судов сегодня имеют беспрецедентный доступ к данным о местоположении, погоде, течениях и к вычислительным мощностям ( только плати ). Благодаря этому значительную часть пути они проходят в автоматическом режиме. При желании к навигационным системам можно подключить нейронку и доверить управление «кремниевым мозгам».
Страховая компания Lloyds of London оценивает рынок AI для судоходной отрасли в целом (не только для навигации) в 1,5 млрд долларов, и, по их прогнозам, эта цифра, вероятно, удвоится в ближайшие пять лет. Робо-танкеры, которые способны самостоятельно ходить из порта в порт, можно запускать уже сегодня — технологии готовы.
Проблема в другом: до сих пор нет консенсуса и международных соглашений о том, как классифицировать такие автономные суда и кто несёт ответственность в случае инцидентов. Столкновение стотонной автономной махины с объектом или другим судном может иметь катастрофические последствия. Однако ИМО работает над этим вопросом. Будем подождать.
Большое спасибо, тем, кто дочитал статью до конца. Всем попутного ветра и шесть футов под килем!