Miksi sekstantti oli niin tärkeä? Milloin kompassi keksittiin? Miksi merenkulussa puhutaan solmuista? Kerromme myös, miten entisaikana navigoitiin avomerellä ilman GPS:ää.
Sekstantin, kompassin ja tarkan kellon avulla pystyi määrittämään aluksen sijainnin jopa avomerellä.
Miten navigoitiin ennen kompassia ja sekstanttia?
Varhaiset merenkulkijat pyrkivät pysyttelemään lähellä rannikkoa voidakseen tarkkailla kiinteitä maamerkkejä, kuten vuoria, solia, poukamia ja kaupunkeja, joiden perusteella he pystyivät määrittämään kulloisenkin sijaintinsa. Suurin osa ammoisista merimatkoista tehtiinkin mahdollisuuksien mukaan aivan rannan tuntumassa.
Joillakin kansoilla oli kuitenkin taitavia merenkävijöitä, jotka uskaltautuivat avomerelle jo ennen kompassin ja sekstantin keksimistä. Esimerkiksi Tyynellämerellä polynesialaiset merenkävijät osasivat lukea aaltojen suuntaa ja meren virtauksia jopa tuhansien kilometrien päässä maasta.
Välimerellä minolaisilla oli puolestaan taitavia navigoijia, jotka osasivat suunnistaa tähtikuvioiden perusteella matkatessaan Kreetalta esimerkiksi Egyptiin tai Syyriaan, ja pohjoisessa puolestaan viikingit taittoivat satojen kilometrien matkoja avomerellä auringon ja kuun avulla.
Kuka keksi sekstantin?
Sekstantti on navigointilaite, joka edeltäjänsä astrolabin tapaan perustuu horisontin suhteen tehtyihin kulmamittauksiin. Sekstantin periaatteen keksi englantilainen matemaatikko ja instrumenttien rakentaja John Hadley, joka esitteli oktantiksi kutsutun laitteen vuonna 1731. 1750-luvulle tultaessa oktantista oli kehittynyt nykyisen kaltainen sekstantti.
Sekstantin avulla voidaan etsiä taivaalta kiintopiste, kuten aurinko tai Pohjantähti, ja laskea se kahden peilin avulla näkökenttään samalle tasolle horisontin kanssa, minkä jälkeen laitteen lukema kertoo taivaankappaleen ja horisontin välisen kulman.
Vaikka laiva keinuisi kuinka, taivaankappaleen ja horisontin välinen kulma ei muutu, ja siksi sekstantilla tehdyt havainnot ovat paljon tarkempia ja luotettavampia kuin esimerkiksi astrolabilla saadut tulokset.
”Sekstantti on laivan navigoijan käden luonnollinen jatke – siitä on tullut osa häntä.” Kirjailija Brian Callison
Mistä tulee nimi sekstantti?
Sekstantin nimi pohjautuu numeroon kuusi, koska sen kaari on kuudesosa ympyrää eli 60 astetta. Laitteen kahden peilin ansiosta sillä voi kuitenkin havainnoida taivasta kaksi kertaa tuon astemäärän eli 120 asteen alueelta.
Hadleyn oktantin mittauskulma oli vain 90 astetta, joten sekstantti oli merkittävä parannus, jonka ansiosta merellä voitiin hyödyntää paljon useampia taivaan kiintopisteitä ja siten parantaa havaintojen tarkkuutta merkittävästi. Sekstantti jäi tarkkuudessa toiseksi vasta satelliittinavigoinnin tehtyä läpimurtonsa merenkulussa 1970-luvulla.
Näin sekstantti toimii
1. Kaksi kuvaa
Navigoija nollaa sekstantin ja suuntaa sen ensin tarkasti horisonttiin. Hän näkee näkökentässään yhtä aikaa kaksi kuvaa: vasen kuva heijastuu kiinteästä pikkupeilistä, oikea puolestaan liikuteltavasta isopeilistä.
2. Kohde lasketaan horisontin tasolle
Navigoija vapauttaa sekstantin varren eli alidadin, jonka yläpäässä on isopeili, ja liikuttaa sitä niin, että saa kiintopisteen näkymään oikeanpuoleisessa kuvassa. Aurinkoa tarkasteltaessa käytetään sekstantin himmennyslaseja.
3. Kulma lukitaan
Navigoija säätää sekstantin tarkasti niin, että auringon alaosa on horisontin tasolla, ja lukitsee alidadin. Sekstantin kaaren asteikosta voi nyt lukea auringon kulman suhteessa horisonttiin – tässä tapauksessa 70 astetta.
4. Mittaus varmistetaan
Mittaus varmistetaan heiluttamalla sekstanttia puolelta toiselle, jotta nähdään, osuuko auringon alareuna varmasti tarkasti horisonttiin. Lopuksi aluksen sijainti määritetään etsimällä mittaustulos auringonkorkeustaulukosta.
Mikä oli astrolabi?
Astrolabi oli sekstantin edeltäjä. Tutkijat ovat jäljittäneet sen historiaa antiikin Kreikkaan asti, mutta astrolabia kehittivät erityisesti arabit vasta hieman myöhemmin. 800-luvulla siitä tuli hienostunut monitoimityökalu, jolla voitiin muun muassa selvittää rukousajat, paikantaa suunta Mekkaan ja tehdä maanmittauksia. Monissa esimerkiksi Córdobassa ja Kairossa käytetyistä hienoimmista säilyneistä astrolabeista on arabiankielisiä tekstejä.
Astrolabin perusidea on mitata taivaankappaleiden, kuten auringon tai tähtien, kulmaa suhteessa horisonttiin. Samaa periaatetta on hyödynnetty monissa vanhoissa navigointilaitteissa.
Arabitähtitieteilijät kehittivät astrolabista hienomekaanisen monitoimityökalun, jolla mitattiin kulmia ja määritettiin sijaintia ennen sekstantin keksimistä.
Kulman avulla voidaan määrittää sijaintia maapallolla, sillä auringon ja horisontin välinen kulma vaihtelee leveysasteen mukaan eli sen mukaan, kuinka kaukana päiväntasaajasta ollaan pohjois-eteläsuunnassa. Päiväntasaajan alueella kulma on keskipäivällä aina suuri, koska maapallon keskikohta on – toisin kuin navat – aina suoraan kohti aurinkoa.
Aurinko voi siis olla keskipäivällä suurimmassa mahdollisessa eli 90 asteen kulmassa horisonttiin nähden vain päiväntasaajalla. Mitä pidemmälle pohjoiseen tai etelään päiväntasaajalta mennään, sitä pienemmäksi käy keskipäivällä mitattava auringon ja horisontin maksimikulma.
Esimerkiksi Helsingissä auringon maksimikulma on kesäkuussa noin 53,5 astetta. Napapiirin pohjoispuolen Lapissa taas kulma on talviaikaan nolla, kun aurinko katoaa kokonaan kaamosajaksi.
Teoriassa leveysasteen määrittämisen pitäisi siis olla yksinkertaista: jos mittaa auringon ja horisontin välisen kulman keskipäivällä, saa selville etäisyytensä päiväntasaajalta. Käytännössä tarkankin mittauksen jälkeen on kuitenkin tehtävä vielä monimutkaisia laskelmia, sillä maapallo ei pyöri pystysuorassa vaan sen akseli on 23,5 astetta kallellaan.
Lisäksi tarvitaan vertailutaulukot, joista näkee auringon kulman suhteessa päiväntasaajaan annettuna aikana annetulla leveysasteella, ja astrolabin on mitattaessa oltava suorassa horisontin suhteen. Maissa se on helppoa, mutta keinuvalla laivan kannella se on lähes mahdotonta, mikä tekee mittauksista epätarkkoja.
Kuka keksi kompassin?
Merenkulun historioitsijat eivät ole yhtä mieltä siitä, missä ja milloin varsinainen magneettista neulaa hyödyntävä kompassi keksittiin. Kiinalaiset lähteet kuitenkin mainitsevat jo 2 000 vuotta sitten keksinnön, jolla on kuvaava nimi ”etelään osoittava kala”.
Kyseessä oli pieni kalan muotoinen puukappale, jonka sisällä oli luonnostaan magneettista mineraalia magnetiittia. Kun kala pantiin vesiastiaan, se asettui vedessä maapallon pohjois-eteläakselin suuntaisesti.
Ilmeisesti etelään osoittavaa kalaa käytettiin pitkään ensisijaisesti vain ennustuksiin ja etsittäessä oikeaa fengshuita talon rakentamista varten. Kiinalaiset merenkävijät kuitenkin hyödynsivät kompassia navigointivälineenä ehkä jo niinkin aikaisin kuin 800-luvulla. Kiinasta kompassi ilmeisesti kulkeutui arabimaihin ja Eurooppaan, mutta historioitsijat eivät ole yhtä mieltä siitä, missä järjestyksessä.
Varhaisia kiinalaisia kompasseja oli monenlaisia, mutta kaikissa niissä oli jonkinlainen pohjois-eteläsuuntaisesti asettuva magnetiittikappale. Kuvassa on lusikkamainen versio pronssilevyllä, johon on kaiverrettu tähtikuvioita.
1100-luvun lopussa kompassi oli kuitenkin jo käytössä Euroopassa. Tuolta ajalta on englantilaisen munkin ja luonnontutkijan Alexander Neckamin kuvaus siitä, kuinka merenkävijät määrittivät ilmansuuntia käyttäen apunaan magnetoitua neulaa.
Ilmeisesti firenzeläiset kauppiaat parantelivat kompassia niin, että 1300-luvulla se oli saanut lasikannen ja reunoihinsa astemerkinnät. Lisäksi sen pohjalle vakiintui ilmansuunnat selvästi näyttävä kompassiruusu, jonka ansiosta merenkävijöiden oli helppo pysyä kurssillaan vain vilkaisemalla kompassia pikaisesti.
Milloin maailma jaettiin pituus- ja leveysasteisiin?
Ajatus näkymättömästä ”verkosta” eli koordinaatistosta maapallon ympärillä löytyy jo antiikista tähtitieteilijä Hipparkhos Nikaialaiselta (noin 190 – noin 125 eaa.). Tarkat yksityiskohdat ovat valitettavasti kadonneet, mutta Hipparkhoksen idea oli sama kuin nykyinen eli jakaa maailma pohjois-eteläsuunnassa leveyspiireihin ja vastaavasti itä-länsisuunnassa pituuspiireihin.
Jakoja varten tarvitaan nollapiirit, joista alkaen asteet lasketaan. Leveyspiirien luonnollinen lähtökohta on päiväntasaaja, joka on siis leveyspiiri nolla.
Pituuspiireillä eli meridiaaneilla ei ole vastaavaa luonnollista maantieteellistä nollakohtaa, joten se on vain kartantekijöiden päätettävä. Hipparkhos esimerkiksi määritti nollameridiaanin kulkemaan hänen synnyinpaikkansa Rodoksen kautta.
Järjestelmää alettiin kehittää hyötykäyttöön kuitenkin vasta 1500-luvulla. Yksi ensimmäisistä, jotka käyttivät järjestelmällisesti pituus- ja leveysasteita, oli flaamilainen maantieteilijä Gerard De Kremer eli Gerhardus Mercator. Hän ei itse tiettävästi juurikaan matkustellut, vaan hän laati suuresti kysytyt karttansa perehtymällä kirjastonsa yli tuhanteen kirjaan.
Vuonna 1569 Mercator kuvasi pallomaisen maailman kaksiulotteiseen maailmankarttaansa niin, että pituuspiirit oli piirretty suorina, keskenään yhdensuuntaisina viivoina, jotka kulkivat kohtisuoraan päiväntasaajan ja muiden leveyspiirien poikki.
Tuo niin kutsuttu Mercatorin projektio on yhä käytössä. Se vääristää mittasuhteita sitä enemmän, mitä kauempana ollaan päiväntasaajalta, mutta sen ansiosta suunnistaja voi suunnitella kurssinsa suorina viivoina.
Kuuluisa kartografi Gerhardus Mercator oli ensimmäisiä, joka piirsi karttaan yhdensuuntaiset pituuspiirit ja leveyspiirit.
1600-luvulla muun muassa ranskalainen matemaatikko ja kartografi Jean Picard paranteli järjestelmää. Hän teki kärsivällisesti ja hämmästyttävän tarkasti kolmiomittauksia maapallon muodosta, ja paljastui, että vastoin siihenastisia uskomuksia se ei ollutkaan täysin pyöreä vaan navoilta hieman litistynyt ja keskeltä leventynyt niin kutsuttu ellipsoidi.
Sen jälkeen päiväntasaaja asettui kartoille entistä tarkemmin, mutta nollameridiaanin paikka vaihteli yhä kartografien mieltymysten ja geopoliittisten valtasuhteiden mukaan. Vasta vuonna 1884 pysyväksi nollameridiaaniksi sovittiin Lontoon Greenwichissä sijaitsevan kuninkaallisen observatorion kautta kulkeva pituuspiiri.
Sekstantissa on kaksi peiliä, joiden avulla havainnoija voi ”laskea” kiintopisteen näkökentässään samalle tasalle horisontin kanssa.
Miten laivoissa käytettiin tiimalasia?
Monet merenkulun termit ovat maakravuille outoja. Esimerkiksi aikaa aluksella ei jaeta tunteihin vaan ”laseihin”. Se on perua tiimalasien ajalta. Vuorokausi oli – ja on yhä – jaettu seitsemään vahtivuoroon ja ne vuorostaan puolen tunnin mittaisiin ”laseihin”: aina kun puolen tunnin tiimalasi käännettiin, siitä annettiin merkki laivakellolla.
Myös ilmaus ”solmu” periytyy purjelaivojen ajalta. Laivan nopeutta mitattiin niin, että köyteen eli lokiliinaan kiinnitetty lokilevy heitettiin aluksen perästä partaan yli veteen. Lokiliinassa oli määrävälein solmuja, ja sen annettiin juosta kelalta vapaasti laivan etääntyessä paikalleen jääneestä lokilevystä. Laskemalla montako solmua määrätyssä ajassa kulki partaan yli, voitiin selvittää aluksen nopeus.
Nykyisin yksi solmu on yksi meripeninkulma tunnissa eli nopeus on 1,852 km/h tai noin 0,5 m/s.
Miten pituusaste selvitettiin?
Neljä vuotta sen jälkeen, kun John Hadley oli esitellyt sekstantin periaatteen, hänen kaimansa ja maanmiehensä John Harrison esitteli toisen merenkulun kannalta mullistavan keksinnön, laivalla tarkasti toimivan kellon eli laivakronometrin prototyypin.
Purjelaivojen vaativat olosuhteet – kovan aallokon aiheuttamat tärähdykset, kostea trooppinen kuumuus ja napa-alueiden jäätävä ilma sekä jatkuvasti vaihteleva lämpötila ja ilmanpaine – olivat kerta kaikkiaan olleet liikaa aiempien kellojen hienomekaanisille osille.
Harrisonin laivakronometrit olivat vankkarakenteisia ja pysyivät ajassa myös keinuvissa laivoissa. Hänen prototyypistään H1 kehittämänsä viimeinen ja paras versio H4 mahdollisti lopulta sen, että merenkulkijat pystyivät avomerelläkin määrittämään leveysasteensa lisäksi viimein myös pituusasteensa tarkasti.
Vasta John Harrisonin rakentama ensimmäinen merenkulkuun sopiva tarkka kello, H4, mahdollisti myös kulloisenkin pituusasteen määrittämisen tarkasti.
Leveysasteet oli voitu määrittää sekstantin avulla aiemmin kuvatulla tavalla, mutta pituusasteen määrittämiseksi oli tiedettävä aikaero aluksen sijainnin ja nollameridiaanin välillä – siis se, kuinka pitkällä lännessä tai idässä nollameridiaanista alus sijaitsi.
Maapallon yksi 360 asteen kierros akselinsa ympäri kestää 24 tuntia, joten pituuspiirit on merkitty useimpiin karttoihin yhtä tuntia vastaavin eli 15 asteen välein.
Pituuspiiri voitiin nyt määrittää vertaamalla paikallista aikaa, joka selvitettiin mittaamalla auringon korkeus sekstantilla, aina Greenwichin aikaa näyttävän laivakronometrin aikaan. Jos laivalla oli keskipäivä ja laivakronometri näytti 10:tä Greenwichin aikaa, oltiin ikään kuin kahden tunnin päässä Greenwichin meridiaanista.
Laiva sijaitsi siis 30 astetta (2 x 15) Greenwichistä itään. Jos leveysasteeksi puolestaan oli auringon korkeuden perusteella määritetty 40 astetta päiväntasaajasta etelään, niin kapteeni tiesi olevansa nyt Afrikan Hyväntoivonniemen kärjen kohdalla ja hänen oli pian aika ottaa kompassin avulla uusi kurssi koilliseen kohti Intian rikkauksia.