指南针的应用是原始航海时代地结束,预示着计量航海时代的来临。——李约瑟(中国科学院外籍院士、科学史学家)
在原始航海时代,指南针还没有被发现应用。人们最早依靠天上的星星作为判断方向的工具。太阳的东升西落指明了东西向,而北半球的人们在正午时看到的太阳是正南方,又指明了南北方向。
那么夜晚如何辨别方向呢?北半球的人们很早就注意到了重要星象——北斗七星的指北功能,并将其作为定方向、定季节、定时辰的标尺。
北斗七星形态与季节变化
有经验的水手,能根据北极星和基础三角法得到离赤道的距离。这个距离的度量就是“纬度”。
只需要简单地假设北极星在北极的正上方,再测量北极星与地平线的夹角就可以得到纬度。
基础三角法测量北极星仰角
很多简单的设备都可以完成这项工作,比如星盘、木头或金属制作的简易仪器都可以精确地测量天体角度。举个例子,如果北极星仰角为40°,那么所处的位置就在北纬40°。
在赤道看到的北极星基本在地平线附近,因此赤道为0°;在北极看到的北极星在天空的正上方(粗略假设),北极星仰角为90°,因此北极的纬度为90°。
基础三角法的几何原理
在中世纪,欧洲的航海家们往往需要去往南半球。在那里,北极星隐藏在地平线之下,没法用来确认位置。而南极的上方也没有一颗对应的星体,最接近的替代星体是南十字星,因此它也被水手们用来在南半球确认纬度。
只有在南半球才能看到的南十字星
既然两极都有可以判定纬度的星体,我们能不能在赤道也找到一颗星体作为判定的依据呢?答案是肯定的,人们发现能通过测量太阳与地平线的角度来测定纬度。但是值得注意的是,我们可以近似假设北极星和南十字星分别在两极天空的正上方,但是太阳并不会一直照射在赤道上。
由于地球自转轴相对于地球公转面是倾斜的,随着季节变化,太阳相对于赤道的位置会发生改变,这种改变被称为赤纬(declination),赤纬的存在会导致太阳在天空中的轨迹在一年里的每一天都会发生规律性的变化,那么使用这样一个变动的恒星来测量纬度是否真的可靠呢?
地球公转示意图
八世纪的一名穆斯林天文学家玛莎安拉(Msha’allah)发明了在正午时通过测量太阳与地平线倾角来确定纬度的方法。要想在地球上任何地方用这个方法精确地测定纬度,还需要一份赤纬表列出一年中每一天太阳与赤道的夹角。<