Potrzeba nawigacji była znana człowiekowi od chwili opuszczenia swojego domostwa, kiedy zapuszczając się w niezbadany teren musiał bezpiecznie wrócić do domu. Obecnie, dzięki najnowszym technologiom praktycznie nie zwracamy uwagi na problem utraty orientacji w terenie, głównie za sprawą wszechobecnego sygnału satelitarnego GPS.
Najważniejszym punktem orientacyjnym od zawsze było słońce. Wykorzystywali je już Wikingowie. Niestety, nie zawsze było to możliwe. Słońce często znikało w nieprzeniknionej mgle, a dzień polarny nie sprzyjał odnajdywaniu drogi za pomocą gwiazd.
Rozwiązaniem okazał się solarsteinn – kamień słoneczny. Mianem tym określano kryształy kalcytu (szpatu islandzkiego), które skierowane do Słońca, zmieniały barwę nawet wtedy, gdy zmiana oświetlenia była niewidoczna dla ludzkich oczu. Kamień słoneczny pomagał również w odnalezieniu Słońca skrytego za horyzontem.
Wzmianka o kolejnym istotnym wynalazku pojawiła się w 1117 roku w Chinach. Zhu Yu opisuje w swojej książce magnetyczną igłę umieszczoną w naczyniu z wodą. Warto przy tym zauważyć, że o ile jest to pierwszy opis takiego urządzenia, to prawdopodobnie jakiegoś przodka kompasu używano znacznie wcześniej – magnetyt był znany starożytnym Grekom i prawdopodobnie Wikingom.
Nawigacja według gwiazd była dużo trudniejsza, ale umożliwiała odnajdywanie kierunku również po zmroku. Ciekawostką jest fakt, że obecnie obserwowana „Gwiazda Północna” czyli „Polaris” lub inaczej „Alfa Ursae Minoris” - najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru „Małej Niedźwiedzicy” nazywanego również „Małym Wozem” w przeszłości znajdowała się w zupełnie innym punkcie nieboskłonu. Jest to związane z ruchem precesyjnym osi obrotu ziemi, który jest pewnego rodzaju niedoskonałością obrotu.
Dla uproszczenia można powiedzieć, że kula ziemska, poza obrotem wokół własnej osi, dodatkowo przez pochylenie tej osi obrotu względem płaszczyzny orbitalnej, wykonuje jeszcze małe kółko wokół osi prostopadłej do płaszczyzny orbitalnej. Wygląda to tak jakby Ziemia dodatkowo zataczała się wokół swojej osi. Orientacja osi zmienia się cyklicznie, w ciągu tzw. Roku Platońskiego, trwającego około 26 tys. lat wpływając tym samym na obserwację gwiazd. Dla Starożytnych Greków „Gwiazdą Północną” była Thuban z gwiazdozbioru Smoka, a później około 400 r. p.n.e. Kochab z gwiazdozbioru Małej Niedźwiedzicy. Dla półkuli południowej obecnym punktem odniesienia jest gwiazdozbiór „Krzyż Południa”
Już w neolicie pierwotni łowcy podążający za zwierzyną spoglądali w niebo, zdając sobie sprawę, że słońce i inne gwiazdy, przez fakt określonego, cyklicznego pojawiania się na nieboskłonie mogą służyć jako pomoce w wyznaczaniu kierunku. Podstawą była z jednej strony wieloletnia, wielosezonowa obserwacja porównująca pojawianie się słońca o danej porze dnia nad określonym punktem w terenie i porównanie danych z obserwacją nocną, przez nałożenie wybranej gwiazdy na wcześniej obserwowany punkt w terenie nad którym w dzień było słońce. Z drugiej strony, dobrą metodą było określenie kąta zawartego między ciałem niebieskim a horyzontem. Najprostszym sposobem było użycie wyprostowanej ręki i palców jako celowników „łapiących” krawędź horyzontu oraz wybrany punkt na niebie. Właśnie tym sposobem prawdopodobnie zainspirowali się twórcy Laski Jakuba, dzięki której około 280 r. p.n.e. po raz pierwszy skatalogowano i dokładnie zbadano wysokości kątowe wszystkich obserwowanych gołym okiem z Ziemi gwiazd i ciał niebieskich. Laska Jakuba była zbudowana na planie krzyża, gdzie krótsze ramię poruszało się po dłuższym, na którym naniesiono podziałkę kontową. Ruszając krótszym ramieniem po podziałce, można było zmierzyć wysokość każdego ciała niebieskiego.
Rozwinięciem tej idei był dużo poręczniejszy oktant, a później jeszcze dokładniejszy sekstant. Nazwa „sekstant”, często błędnie interpretowana jako „sekstans” pochodzi od słowa „seksta” czyli szósta część lub po prostu szósty wycinek okręgu. Sekretem działania sekstantu, czyli po prostu bardziej skomplikowanego kątomierza, są tablice astronomiczne dokładnie określające wysokość słońca w południe w tzw. kulminacji, czyli najwyższym punkcie jaki osiąga danego dnia roku. Jak wszyscy wiemy dla każdego dnia w roku ta wysokość jest inna. Słońce wyżej nad horyzontem znajduje się latem a niżej zimą. Dokładnie tak samo jest, jeżeli spojrzymy na szerokość geograficzną. Na naszej półkuli, im bardziej na północ, tym słońce w kulminacji jest niżej nad horyzontem.
Znając swoją szerokość geograficzną odczytaną z wskazań sekstantu i tabeli kulminacji, pozostaje nam odczytać swoją długość geograficzną. To zadanie jest wbrew pozorom dużo trudniejsze, gdyż jest związane z dwoma czynnikami – dokładnym określeniem prędkości obrotowej Ziemi, oraz posiadaniem dokładnego zegarka. O ile obecnie nie jest to żaden problem, o tyle na dokładny zegarek, ludzkość musiała czekać bardzo długo. Pojawił się dopiero na początku XVI w. czyli dużo później niż pierwowzory sekstantu.
Znając pozycję wyjściową (n.p. odczytaną z mapy w dniu wypłynięcia z portu, lub później każdą ostatnio zmierzoną), posiadając zmierzony czas przebytej drogi, oraz znając prędkość obrotową Ziemi, wynosząca w przybliżeniu 1 stopień długości geograficznej na 4 minuty, możemy dość dokładnie podać długość geograficzną. Jednak same dane współrzędnych to za mało, szczególnie na morzu. W tym momencie wkracza prawdziwa magia nawigacji, w której nawigator musi skorygować suche, obiektywne dane matematyczne o subiektywne odczucia jakie zaobserwował, takie jak dryf i znos spowodowany wiatrem i falami, korektę na prądy morskie itp. Dochodzi jeszcze kwestia takich pojęć jak dewiacja i deklinacja, określających poprawki na działanie kompasu oraz poprawki na błędy pomiaru. Jednak często zapominamy, że nawigacja nie dotyczyła tylko żeglarzy. Większość historycznych, długodystansowych wypraw terenowych, prowadzonych na niezbadanej ziemi, korzystała z tych samych rozwiązań, nie wspominając awiacji, w której tzw. sekstant i chronometr lotniczy stały się szczytowymi osiągnięciami analogowej precyzji.
Nawigacja to nie tylko matematyka i astronomia. Bycie dobrym nawigatorem wymaga dużej wrażliwości na otaczający nas świat i jego różnorodność. Vasco da Gamma opisywał zmiany zapachu i koloru wody w zależności od strefy klimatycznej lub nawet bliskości lądu. Wygląd chmur, spowodowany różnicą temperatury między powierzchnią wody i ziemi, również zmieniał się wraz z obecnością lądu. Można to zaobserwować nawet wtedy, kiedy ląd jest jeszcze niewidoczny dla obserwatora, ukryty za horyzontem.
Autor: Michał Puszkarski
