Nawigacja morska kiedyś i dziś

Na długo przed wynalezieniem komputerów świat odkrywali pierwsi żeglarze — Wikingowie i Polinezyjczycy. Jak odnajdywali kierunek na otwartym oceanie?

Wyznaczenie swojej lokalizacji na otwartym morzu nie jest łatwe, a bez nowoczesnego sprzętu zadanie to jest nawet ekstremalnie trudne. Pokładowe systemy komputerowe nie raz wypadły już z użytku na wiele dni z powodu ataku wirusów. W niektórych przypadkach statki dryfowały bezcelowo nawet przez kilka tygodni, ponieważ na pokładzie nie było żadnego specjalisty zajmującego się cyberbezpieczeństwem, który mógłby zażegnać problem.

Jak pierwsi żeglarze przemierzali oceany

Polinezyjczycy byli świetnymi żeglarzami. Na kilkaset lat przed wyprawą Krzysztofa Kolumba przez Atlantyk Polinezyjczycy przemierzyli Pacyfik na swoich drewnianych kajakach, pokonując odległości tysięcy mil pomiędzy wyspami tzw. trójkąta polinezyjskiego. Do określania swojej orientacji używali oni słońca, gwiazd, księżyca, wiatru i prądów. Tworzyli także specjalne wykresy z patyków i muszelek.

This is a rebbelib stick chart by the Marshallese to navigate the Pacific Ocean by canoe. https://t.co/6sQVUbYjBi pic.twitter.com/JSrWn0LIV8

— Future Mapping Co. (@Futuremaps) May 20, 2016

Wikingowie także podróżowali tysiące mil między Europą Północną, Wyspami Brytyjskimi, Islandią, Grenlandią, a nawet Ameryką Północną. Pomagały im obliczenia i uważne obserwacje: dryfowali, obserwowali wieloryby i zabierali na pokład wytrenowane kruki, których zadaniem było poszukiwanie najbliższego lądu.

Według różnych źródeł do określania swojego położenia na oceanie Wikingowie-podróżnicy wykorzystywali kompas słoneczny, odliczali dni na oceanie, szacowali prędkość poruszania się statku, a także położenie względem słońca i gwiazd. Niektórzy uważają, że używali nawet kamieni słonecznych, które polaryzowały światło, umożliwiając określenie azymutu słonecznego w niesprzyjającą pogodę (gdy słońce i gwiazdy były niewidoczne).

Wikingowie często opierali się na intuicji i niedokładnych wnioskach. W opowieściach o nich słyszy się o podróżnikach dręczonych przez mgły lub złą pogodę. W takich warunkach starożytni marynarze całkowicie gubili swoje poczucie kierunku.

Walka o długość geograficzną

O ile wiadomo, pomysł wykorzystywania współrzędnych pojawił się po raz pierwszy w starożytnej Grecji około 200 lat p.n.e. Klaudiusz Ptolemeusz jako pierwszy usystematyzował koncepcję szerokości i długości geograficznej.

Do określenia swojej lokalizacji żeglarze używali wykresów Ziemi i nieba oraz siatki współrzędnych. Jednak współrzędne te nie tak łatwo było znaleźć. Chociaż słońce, księżyc i gwiazdy mogły pomóc w określeniu szerokości geograficznej, to o wiele trudniej było wyznaczyć długość geograficzną.

Długość geograficzną można obliczyć jako różnicę pomiędzy czasem lokalnym a czasem w danym punkcie odniesienia zmierzonym w tym samym momencie. Niezbędna jest przy tym dokładność: na równiku 1 stopień przesunięcia równa się 68 milom. Czas na pokładzie można było określić przy wykorzystaniu słońca i gwiazd, lecz zegary nie były wtedy zbyt dokładne. Co więcej, ludzie nie mogli określić czasu w porcie domowym czy w południku zerowym, w Greenwich. Dlatego przez wiele lat najważniejszym zadaniem marynarzy było nauczenie się wyznaczania długości geograficznej.

Między XVI a XVIII wiekiem największe mocarstwa morskie: Hiszpania, Holandia, Portugalia, Wenecja i Anglia ogłosiły konkurs na wynalezienie prostego i praktycznego sposobu na dokładne określenie długości geograficznej statku na morzu. Brytyjski rząd zaoferował 20 000 funtów, odpowiednik dzisiejszych 2,6 miliona funtów, lub ok. 3,8 miliona funtów w 2015 roku. Największą część puli otrzymał John Harrison za wynalezienie chronometru morskiego. narzędzie to weszło do powszechnego użytku w roku 1760.

Wcześniej, w 1757 roku, wynaleziono sekstant (pracowało nad nim kilku naukowców jednocześnie, w tym Isaac Newton, John Hadley i Thomas Godfrey). Oba narzędzia ostatecznie rozwiązały zagadkę dokładnego wyznaczania długości geograficznej na morzu.

Jak działały te przyrządy? W południe żeglarz mierzył kąt pomiędzy horyzontem a słońcem przy pomocy sekstantu i porównywał go z czasem środkowoeuropejskim Greenwich, pokazywanym przez chronometr. Wówczas statki mogły określać swoją długość geograficzną — jak daleko statek wypłynął na wschód lub zachód od południka.

Czego używa się dzisiaj?

Dzisiaj większość statków polega na systemach obrazowania elektronicznych map i informacji nawigacyjnych (ECDIS) oraz globalnym systemie pozycjonowania (GPS).

Aby określić dokładną lokalizację, GPS używa sieci ponad 30 satelitów. Początkowo system ten służył do celów militarnych, lecz dziś korzysta z niego niemal każdy — od turystów przez marynarzy po pilotów samolotów.

Poza GPS-em statki zaczęły korzystać także z map elektronicznych. Dzięki temu żeglarze mogą spędzać kilka minut, a nie godzin na podstawowych działaniach, takich jak kreślenie tras przepływu i ich korekcja. Oficerowie na wachcie mogą poświęcić więcej czasu na obserwowanie i analizowanie otoczenia: pogody, prędkości poruszania się statku, a także innych ważnych zmiennych. Wszystko to składa się n zwiększenie bezpieczeństwa rejsu.

Podobnie jak w lotnictwie, morskie systemy ECDIS muszą być odpowiednio zabezpieczone. Jeśli statek chce zrezygnować z map papierowych, potrzebuje dwóch urządzeń ECDIS z oddzielnymi wyświetlaczami i bazą danych.

W przypadku Prawa Murphy’ego…

Możliwa jest sytuacja, w której zawiodą oba systemy ECDIS, z powodu na przykład błędu programistycznego czy ataku ukierunkowanego. Systemy komputerowe przestają także płynnie działać podczas instalowania łat i aktualizacji. Z kolei badacze regularnie odkrywają luki w kluczowych technologiach, takich jak ECDIS, GPS czy w morskim Systemie Automatycznej Identyfikacji (AIS). Są one załatane, lecz wciąż pojawiają się nowe błędy.

Błąd systemu nawigacyjnego nie jest zabójczo niebezpieczny w pobliżu wybrzeża: można spodziewać się pomocy, widać punkty ułatwiające orientację, zazwyczaj działa też połączenie z internetem i siecią komórkową. Jeśli marynarz zaobserwuje jakieś problemy, może skontaktować się z wyznaczoną osobą na lądzie i poprosić o mapę morską w formacie PDF z oznaczonymi na niej mieliznami, prądami i niebezpiecznymi miejscami.

Niedoskonały jest także system GPS. Promieniowanie elektromagnetyczne pochodzące od słońca może mieć duży wpływ na działanie satelitów. Oprócz tego przestępcy (piraci lub terroryści) mogą blokować sygnał, korzystając z prostego, niedrogiego i łatwo dostępnego urządzenia do zagłuszania sygnału GPS.

Zhakowany system GPS może sprawić, że statek zboczy z kursu, a cała sytuacja nie będzie się wydawała podejrzana. W najlepszym przypadku statek będzie miał opóźnienie — a w najgorszym, czeka go katastrofa lub kolizja. Aby uniknąć takich sytuacji, amerykańska marynarka wojenna uczy oficerów nawigowania na podstawie słońca i gwiazd.

Najbardziej oczywistym zagrożeniem, które może zmusić nowoczesnych oficerów pokładowych do odświeżenia swoich umiejętności astronawigacyjnych, jest brak połączenia lub blokada sygnału GPS w otwartej przestrzeni. oczywiście marynarze mają także nieoficjalne metody określania swojej lokalizacji: na przykład w sytuacji kłopotliwej mogą pobrać współrzędne GPS na swoje smartfony. Tak naprawdę robią to, gdy chcą określić lokalizację statku i nie chcą opuścić kabiny. Nowoczesnym statkom z silnikiem i generatorem prądu trudno jest zgubić się na otwartej wodzie.

Lecz jeśli nie posiadasz wyposażenia elektrycznego, trudno jest nawigować. Dwa lata temu wydarzył się incydent, który wyraźnie pokazuje, ile osiągnęliśmy w żeglarstwie i nawigacji w ciągu kilkuset ostatnich lat. W 2014 roku ultramaratończyk podjął próbę przebiegnięcia z Florydy na Bermudy w „hydropodzie” (nadmuchiwanym statku przypominającym kołowrotek chomika; poruszający się, gdy człowiek biegnie). Człowiek ten był wysportowany, jego statek nie mógł zatonąć, ale zapomniał o nawigacji. Reza Baluchi nie oddalił się zbytnio od wybrzeży Florydy i zgubił się; zdołał jednak poprosić przepływający obok statek o wskazanie kierunku na Bermudy.