觀象授時有幾重要?


自十九世紀開阜以來,航運是香港的經濟命脈。要確保港口運作暢順和船隻航行安全,必須提供準確的報時服務、氣象觀測和地磁觀測。這就是香港天文台在1883年成立時的三大任務。

早在1860年代,香港社會已經有聲音提議需要成立一個以科學方法提供的準確報時服務。再加上1874年的一場大風災(史稱「甲戌風災」)令香港數千人死亡,促使香港殖民地政府考慮成立一所以科學為基礎的天文台,香港天文台遂應運而生,屹立在九龍尖沙咀彌敦道旁的一座小山上(圖1),直至今天。

圖1: 二十世紀初從信號山北望艾爾尊山(Mount Elgin)上的香港天文台。(圖片來源:岑智明)

與世界各地的天文台一樣,香港天文台利用時間球向海港船隻提供報時服務。第一代的時間球塔安裝在尖沙咀前水警基地,於1885年1月1日開始運作(圖2)。後來因環境改變,第二代時間球塔安裝在尖沙咀信號山上(圖3)。

圖2:位於尖沙咀前水警基地的第一代時間球塔(圖片來源:岑智明)

圖3:位於尖沙咀信號山的第二代時間球塔(圖片來源:岑智明)

相信大家如果有機會去到著名的英國格林威治皇家天文台參觀,一定會在「本初子午線」(Prime Meridian)上拍照留念(圖4)。但大家可能沒有想過,原來香港都有一條子午線(圖5),而且是隨著香港天文台成立而確立的,已經存在了超過130年。

圖4:筆者在英國格林威治皇家天文台本初子午線前留影(圖片來源:岑智明)

圖5:位於香港天文台的香港子午線(圖片來源:香港天文台)

航海與時間

為什麼一艘遠洋輪船能夠安全地在海上航行需要一個準確的時間呢?這個要追溯到17及18世紀,當時歐洲人爭相拓展海洋探索,以圖增加經濟及政治影響力。在此之前,船隻必須沿着海岸線行走,即使有地圖幫助,渡過茫茫大海非常危險,這是因為無法準確地確定船的位置,而偏離預定航道,除了會迷失方向,嚴重時船會觸礁沉沒。

船隻定位的問題,就是如何測定出船隻的東西和南北位置,即今天我們所知道的緯度(Latitude)和經度(Longitude)。測定緯度相對容易,主要靠在晚上觀測北極星(Polaris)或在正午觀測太陽相對於水平線的仰角:北極星相對於水平線的仰角就是觀測者的緯度 [1](圖6),而從正午的太陽相對於水平線的仰角,加上考慮太陽在當天的偏角 [2],就可以得出觀測者的緯度,這與利用日晷測定時間的原理一致。早在公元前2世紀,古希臘已經利用「星盤」(Astrolabe)(圖7)進行天文測量和海上導航,後來逐漸出現更準確的儀器,包括沿用至今的六分儀(Sextant)(圖8);在我國亦早於漢代已經有記載觀星導航的技術,到了明代鄭和下西洋時曾使用「牽星板」為船隻測定所在的緯度(圖9)。

圖6:星流跡清楚顯示恆星圍繞著北極星旋轉,準確測量北極星與水平線的仰角就可以得出觀測者的緯度(圖片來源:Herman Yeung)

圖7:16世紀的德國銅製星盤(圖片來源:維基百科)[3]

圖8:六分儀(圖片來源:維基百科)[4]

圖9:牽星板(圖片來源:廣東省博物館)[5]

但是測定經度卻是一個棘手難題,歐洲多國都曾出重金獎賞來鼓勵人們研究解決方法。為什麽那麼困難呢?要知道兩個地方的經度差,最直接的方法就是要知道這兩個地方的時間差:由於地球自轉,兩地相差15度經度就相當於60分鐘,所以如果時鐘可以保持在4分鐘之內的準確度,經度的準確度也可以在1度之內,但當時的鐘錶在船隻上會受到海浪顛簸的影響而變得很不準確。另外也有一些其它的天文觀測方法,例如觀測月球相對於恆星的位置變化甚至木星的衛星(又稱「伽利略衛星」)的相對位置,但這些方法都需要進行很仔細的天文觀測再加上繁複的計算,在海上運作的誤差也相當大。為了解決這個難題,英國國會於1714年7月通過一項「經度法案」,如果能夠找到一個實用的方法能在海上判斷經度,準確度在一度以內可以獲得一萬英鎊(即今天約160萬英鎊)、準確度在40分以內可以獲得一萬五千英鎊、而準確度在半度以內更可以獲得兩萬英鎊。由於一度經度相當於100公里左右 [6],可想而知當年可以在海上測量經度是多麼困難但同時又多麼重要。重賞之下必有勇夫,最後獲得這個重賞卻不是科學家或大學教授,而是一位木匠和鐘錶匠約翰·夏里遜(John Harrison)— 他窮一生的精力發明了四個不同設計的航海計時器(或稱「經線儀」)H1-H4(圖10及圖11),而航海錶H4在1761年的HMS Deptford號上橫渡大西洋的81天又5小時的測試後證明它的誤差只有5分鐘,亦即是每天的誤差只有不到4秒,而經度的誤差只有0.02度,遠遠超過「經度法案」原本的要求。不過夏里遜在1765年只獲得一半的獎金一萬英鎊,到了1773年在他80歲高齡才獲得另外的8,750英鎊!至於為什麼英國國會竟然會扣起獎金,由於篇幅所限就不詳細講了。

圖10:夏里遜發明的第一個航海計時器H1(圖片來源:格林威治皇家博物館)[7]

圖11:夏里遜發明的第四個航海計時器H4(圖片來源:格林威治皇家博物館)[8]

你可能會問,沒有準確的航海鐘在船上是否真的很危險呢?回答這個問題我在這裡分享一個歷史故事。話說於1815年,在發明H4航海鐘50多年後,一艘英國軍艦阿尼斯頓號(HMS Arniston)在沒有配備航海鐘的情況下在非洲最南端的厄加勒斯岬(Cape Agulhas)附近觸礁沉沒,造成372人死亡,只有6人生還。發生這次海難的原因是因為阿尼斯頓號在風暴中與艦隊其他配備有航海鐘的艦隻失去聯絡,以致無法準確定位,錯誤判斷以為船隻已經駛過了好望角,所以船長決定轉向往北,但其實阿尼斯頓號只在厄加勒斯岬以南,再加上水流急速,最後在風暴中觸礁沉沒。在埋葬遇難者的沙灘上安裝了一個石碑,紀念這次災難,以史為鑑,人們也稱附近的一個小鎮為阿尼斯頓。

在這個背景下,英國人在發明了準確的航海鐘後進入了大航海時代,加上船堅砲利,徹底改變了世界和中國的命運。但有了準確的航海鐘就是否能完全滿足遠洋航行的需要呢?還未 ─ 原因是航海鐘的誤差始終都會隨時間增加,而很多遠洋船隻的航程都會超過數個月甚至一年。以H4航海錶為例,它一日誤差在4秒以內,但如果沒有定期校正,它在數個月之後的誤差就會相當大。由此可見,船隻的航海鐘必須要定時作出校正,才可以保持準確度。這就是19世紀需要在世界各大港口建立由天文台運作的時間球授時服務的原因。

而至於天文台如何觀象授時,確保準確的時間服務呢?觀象授時的運作又與香港子午線有什麼關聯呢?我們下次再談。


參考文獻:

[1] 由於北極星的赤緯為+89°15’,以北極星進行緯度觀測的誤差在1度以內。

[2] 太陽偏角是太陽直射在地面的緯度。由於地球的自轉軸與地球圍繞太陽公轉的軌道平面傾斜了23.4度,太陽偏角在一年中不斷循環變化,在春分和秋分為零度,在夏至為23.4度,在冬至為-23.4度。

[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/星盘

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Sextant

[5] http://www.gdmuseum.com/gdmuseum/_300858/_300866/440749/index.html

[6] 這需要視乎緯度,在赤度一度經度相當於111公里,在北緯60度一度經度相當於96公里。

[7] https://collections.rmg.co.uk/collections/objects/79139.html

[8] https://collections.rmg.co.uk/collections/objects/79142.html


作者︰
香港天文台前台長岑智明先生