观象授时有几重要?


自十九世纪开阜以来,航运是香港的经济命脉。要确保港口运作畅顺和船只航行安全,必须提供准确的报时服务、气象观测和地磁观测。这就是香港天文台在1883年成立时的三大任务。

早在1860年代,香港社会已经有声音提议需要成立一个以科学方法提供的准确报时服务。再加上1874年的一场大风灾(史称「甲戌风灾」)令香港数千人死亡,促使香港殖民地政府考虑成立一所以科学为基础的天文台,香港天文台遂应运而生,屹立在九龙尖沙咀弥敦道旁的一座小山上(图1),直至今天。

图1: 二十世纪初从信号山北望艾尔尊山(Mount Elgin)上的香港天文台。 (图片来源:岑智明)

与世界各地的天文台一样,香港天文台利用时间球向海港船只提供报时服务。第一代的时间球塔安装在尖沙咀前水警基地,于1885年1月1日开始运作(图2)。后来因环境改变,第二代时间球塔安装在尖沙咀信号山上(图3)。

图2:位于尖沙咀前水警基地的第一代时间球塔(图片来源:岑智明)

图3:位于尖沙咀信号山的第二代时间球塔(图片来源:岑智明)

相信大家如果有机会去到著名的英国格林威治皇家天文台参观,一定会在「本初子午线」(Prime Meridian)上拍照留念。但大家可能没有想过,原来香港都有一条子午线(图5),而且是随着香港天文台成立而确立的,已经存在了超过130年。

图4:笔者在英国格林威治皇家天文台本初子午线前留影(图片来源:岑智明)

图5:位于香港天文台的香港子午线(图片来源:香港天文台)

航海与时间

为什么一艘远洋轮船能够安全地在海上航行需要一个准确的时间呢?这个要追溯到17及18世纪,当时欧洲人争相拓展海洋探索,以图增加经济及政治影响力。在此之前,船只必须沿着海岸线行走,即使有地图帮助,渡过茫茫大海非常危险,这是因为无法准确地确定船的位置,而偏离预定航道,除了会迷失方向,严重时船会触礁沉没。

船只定位的问题,就是如何测定出船只的东西和南北位置,即今天我们所知道的纬度(Latitude)和经度(Longitude)。测定纬度相对容易,主要靠在晚上观测北极星(Polaris)或在正午观测太阳相对于水平线的仰角:北极星相对于水平线的仰角就是观测者的纬度 [1](图6),而从正午的太阳相对于水平线的仰角,加上考虑太阳在当天的偏角 [2],就可以得出观测者的纬度,这与利用日晷测定时间的原理一致。早在公元前2世纪,古希腊已经利用「星盘」(Astrolabe)(图7)进行天文测量和海上导航,后来逐渐出现更准确的仪器,包括沿用至今的六分仪(Sextant)(图8);在我国亦早于汉代已经有记载观星导航的技术,到了明代郑和下西洋时曾使用「牵星板」为船只测定所在的纬度(图9)。

图6:星流迹清楚显示恒星围绕着北极星旋转,准确测量北极星与水平线的仰角就可以得出观测者的纬度(图片来源:Herman Yeung)

图7:16世纪的德国铜制星盘(图片来源:维基百科)[3]

图8:六分仪(图片来源:维基百科)[4]

图9:牵星板(图片来源:广东省博物馆)[5]

但是测定经度却是一个棘手难题,欧洲多国都曾出重金奖赏来鼓励人们研究解决方法。为什么那么困难呢?要知道两个地方的经度差,最直接的方法就是要知道这两个地方的时间差:由于地球自转,两地相差15度经度就相当于60分钟,所以如果时钟可以保持在4分钟之内的准确度,经度的准确度也可以在1度之内,但当时的钟表在船只上会受到海浪颠簸的影响而变得很不准确。另外也有一些其它的天文观测方法,例如观测月球相对于恒星的位置变化甚至木星的卫星(又称「伽利略卫星」)的相对位置,但这些方法都需要进行很仔细的天文观测再加上繁复的计算,在海上运作的误差也相当大。为了解决这个难题,英国国会于1714年7月通过一项「经度法案」,如果能够找到一个实用的方法能在海上判断经度,准确度在一度以内可以获得一万英镑(即今天约160万英镑)、准确度在40分以内可以获得一万五千英镑、而准确度在半度以内更可以获得两万英镑。由于一度经度相当于100公里左右 [6] ,可想而知当年可以在海上测量经度是多么困难但同时又多么重要。重赏之下必有勇夫,最后获得这个重赏却不是科学家或大学教授,而是一位木匠和钟表匠约翰·夏里逊(John Harrison)— 他穷一生的精力发明了四个不同设计的航海计时器(或称「经线仪」)H1-H4(图10及图11),而航海表H4在1761年的HMS Deptford号上横渡大西洋的81天又5小时的测试后证明它的误差只有5分钟,亦即是每天的误差只有不到4秒,而经度的误差只有0.02度,远远超过「经度法案」原本的要求。不过夏里逊在1765年只获得一半的奖金一万英镑,到了1773年在他80岁高龄才获得另外的8,750英镑!至于为什么英国国会竟然会扣起奖金,由于篇幅所限就不详细讲了。

图10:夏里逊发明的第一个航海计时器H1(图片来源:格林威治皇家博物馆)[7]

图11:夏里逊发明的第四个航海计时器H4(图片来源:格林威治皇家博物馆)[8]

你可能会问,没有准确的航海钟在船上是否真的很危险呢?回答这个问题我在这里分享一个历史故事。话说于1815年,在发明H4航海钟50多年后,一艘英国军舰阿尼斯顿号(HMS Arniston)在没有配备航海钟的情况下在非洲最南端的厄加勒斯岬(Cape Agulhas)附近触礁沉没,造成372人死亡,只有6人生还。发生这次海难的原因是因为阿尼斯顿号在风暴中与舰队其他配备有航海钟的舰只失去联络,以致无法准确定位,错误判断以为船只已经驶过了好望角,所以船长决定转向往北,但其实阿尼斯顿号只在厄加勒斯岬以南,再加上水流急速,最后在风暴中触礁沉没。在埋葬遇难者的沙滩上安装了一个石碑,纪念这次灾难,以史为鉴,人们也称附近的一个小镇为阿尼斯顿。

在这个背景下,英国人在发明了准确的航海钟后进入了大航海时代,加上船坚炮利,彻底改变了世界和中国的命运。但有了准确的航海钟就是否能完全满足远洋航行的需要呢?还未 ─ 原因是航海钟的误差始终都会随时间增加,而很多远洋船只的航程都会超过数个月甚至一年。以H4航海表为例,它一日误差在4秒以内,但如果没有定期校正,它在数个月之后的误差就会相当大。由此可见,船只的航海钟必须要定时作出校正,才可以保持准确度。这就是19世纪需要在世界各大港口建立由天文台运作的时间球授时服务的原因。

而至于天文台如何观象授时,确保准确的时间服务呢?观象授时的运作又与香港子午线有什么关联呢?我们下次再谈。


参考文献:

[1] 由于北极星的赤纬为+89°15’,以北极星进行纬度观测的误差在1度以内。

[2] 太阳偏角是太阳直射在地面的纬度。由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道平面倾斜了23.4度,太阳偏角在一年中不断循环变化,在春分和秋分为零度,在夏至为23.4度,在冬至为-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] 这需要视乎纬度,在赤度一度经度相当于111公里,在北纬60度一度经度相当于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︰
香港天文台前台长岑智明先生