Метрология, геодезия и астрономия

Связь метрологии с геодезией и астрономией наблюдается с древнейших времен, поскольку и геодезия, и астрономия немысли­мы без измерений. Достижения в этих науках напрямую связаны с совершенствованием и развитием метрологии.

Термин «геодезия» ввел в обиход древнегреческий мыслитель и философ Аристотель (384—322 до н. э.). По Аристотелю, Земля — центр Вселенной, и эта геоцентрическая космология сохранялась вплоть до начала исследований Коперника. Аристотель доказывал шарообразность Земли и Луны, считая сферу совершеннейшей гео­метрической фигурой.

Менее чем через столетие Эратосфен Киренский (276—194 до н. э.) определил длину земной окружности (30 500 км), близкую к современным результатам (около 40 010 км), т. е. с погрешностью 1,3%. Он вычислил координаты острова Родос (Греция) и провел через него родосскую параллель, а затем и сетку параллелей и ме­ридианов.

Древнегреческий ученый Гиппарх из Никеи (180—125 до н. э.), один из основоположников астрономии, известен геодезистам как создатель астролябии — первого угломерного прибора, долгое вре­мя служившего для измерения горизонтальных углов. Астролябия является прообразом современного теодолита. Гиппарх первым вел систематические наблюдения за звездами, разработал теорию дви­жения Солнца и Луны, определил размеры Луны и расстояние до нее от Земли. Сравнивая полученные им результаты движения звезд с более ранними данными (III в. до н. э.), Гиппарх открыл явление прецессии и определил продолжительность тропического года с точ­ностью до 6', а также определил наклон экватора к эклиптике с по­грешностью до 5' и ввел географические координаты — широту и долготу.

Обобщение всех известных на тот момент астрономических зна­ний сделал древнегреческий астроном и географ Клавдий Птолемей (90—168) уже в новом веке. Он подготовил знаменитый «Альмагест» (или «Великое математическое построение астрономии») в 13 кни­гах, который до появления книги Н.Коперника «Об обращении не­бесных сфер» оставался непревзойденным анализом совокупности астрономических знаний.

В последующие примерно 750—800 лет особых достижений в ас­трономии и геодезии не было отмечено. Лишь в 990—995 гг. средне­азиатский ученый-энциклопедист Бируни (973— ок. 1050) опреде­лил наклон плоскости эклиптики к экватору. В 1019г. Бируни с по­мощью квадранта выполнил измерение высоты Солнца для зимнего и летнего солнцестояния, а в 1020 г. определил момент весеннего равноденствия и длину дуги меридиана (1°). Его результаты близки к современным. В 1025 г. Бируни выпустил первый труд под назва­нием «Геодезия», где приведено описание геодезических приборов, с помощью которых могут быть определены географические коор­динаты, расстояния и азимуты.

К началу XVTI в. благодаря учению польского астронома Н. Ко­перника (1479—1543) стало известно о гелиоцентричности мира. В 1540 г. картограф из Фландрии (Голландия) Г. Меркатор (1512— 1594) одним из первых реализовал метод триангуляции (измерения с помощью треугольников) для создания точных карт Голландии. Эту работу продолжил в Голландии профессор Лейденского универ­ситета С. Виллеброд (1580—1626). Методом триангуляции он измерял дуги меридиана с точностью до 3'. К этому времени немецкий астро­ном И. Кеплер (1571—1630) открыл законы движения планет. Он же изобрел и первый телескоп с двояковыпуклыми линзами.

По инициативе Парижской академии наук в 1669 г. француз­ский астроном Ж. Пикар (1620—1682) также методом триангуляции измерял дуги меридиана. При этом он впервые использовал угло­мерные приборы со зрительными трубами и сетчатой разметкой, ма­ятниковые и пружинные часы, микроскоп, цилиндрический уро­вень и получил результаты, близкие к современным. Он был пер­вым, кто высказал предположение о выпуклости Земли у полюсов. Также первым Пикар стал изучать и учитывать погрешности при­боров в результатах измерений.

В 1655 г., наблюдая в созданный им телескоп, X. Гюйгенс (1629— 1695) открыл один из спутников Сатурна — Титан. К этому же вре­мени относится изобретение им маятниковых часов, совершенство­ванием которых он занимался почти 40 лет.

В 1679 г. профессор Болонского университета Джованни Доме- нико (1625—1712) дал первое и надежное определение параллакса Солнца.

К XVII в. относятся и работы выдающегося английского мате­матика, астронома и физика И. Ньютона (1643—1727), которого с полным основанием можно причислить и к метрологам как изобре­тателя зеркального телескопа и автора работ по оптике. Он обосно­вал приплюснутость Земли у полюсов и установил, что средняя плотность Земли равна плотности гранита.

В конце XVII—начале XVIII в. свою лепту в практическое ис­пользование полученных результатов вложили российские мыслите­ли и ученые — Л.Ф. Магницкий, В.Н. Татищев, Ж. Никола, И.К. Ки­риллов, Ф.И. Соймонов и Л. Эйлер — и, конечно, Петр I с его нео­бычайной тягой ко всему новому, прогрессивному.

Безусловно, особняком стоит величайший энциклопедист того времени М.В. Ломоносов (1711 — 1765). Не останавливаясь на всех новациях этого гения, отметим, что он одним из первых в мире об­ратил внимание на важность изучения ускорения силы тяжести во времени, разработал в 1749—1756 гг. статический гравиметр — баро­метр. С 1757 по 1765 г. М.В. Ломоносов возглавлял Географический департамент Академии наук. Им были заложены основы картогра­фии в России, инициирована подготовка геодезистов и астрономов, начаты гравиметрические исследования. В 1756—1761 гг. Ломоносов разработал новый способ определения астрономического азимута, «ночезрительную трубу» и положил начало развитию современной геодезии.

Нельзя не упомянуть и о его исследованиях в области термомет­рии. В 1747 г. М.В Ломоносов, исходя из своей кинетической тео­рии теплоты, сделал весьма важный вывод о наличии нижней пре­дельной точки шкалы и об отсутствии предела для верхней [21]. Во­обще, трудно назвать отрасль знаний, используемых в метрологии, где бы М.В. Ломоносов не приложил свой гениальный ум. Это и оп­тика, и электродинамика, и механика, и многое другое.

В 1759 г. французский математик и астроном А. Клеро (1713— 1765) с высокой точностью вычислил появление кометы Галлея. В этот же период его соотечественник — военный инженер, а затем и член Парижской академии наук Ж.Ш. Борда изобрел ряд прибо­ров для угловых измерений с высокой точностью, ввел температур­ные поправки в геодезические измерения, а также методику точно­го (двойного) взвешивания (метод Борда). В период Великой фран­цузской революции участвовал в комиссии по введению десятичной системы мер и весов.

Конец XVIII—начало XIX в. ознаменовались наступлением мет­рической системы мер, воспроизведением естественной единицы длины, связанной с измерением длины дуги Парижского меридиа­на. Эти измерения проводил французский астроном, геодезист и метролог Ж. Деламбр (1749—1822). В его работах использовались и результаты выдающегося французского математика П. Лапласа (1749-1827).

Отображать рельеф земной поверхности штрихами на картах и планах предложил саксонский военный топограф И.-Г. Леман (1765—1811). Эту идею ему подал Фридрих Великий, по требованию которого наибольшая крутизна поверхности, начиная с 45°, закра­шивалась черным цветом, как недоступная для передвижения войск. Так появилась геодезическая шкала Лемана.

Весьма результативна геодезическая деятельность выдающего­ся математика из Германии К. Ф. Гаусса (1777—1855). В своей зна­менитой книге «Теория небесных тел» (1809) он излагает методы вы­числения орбит планет, обращающихся вокруг Солнца, а также предлагает использовать для обработки результатов метод наимень­ших квадратов и среднеквадратическую ошибку. Его методология не утратила своего значения до настоящего времени. В книге «Иссле­дования о предметах высшей геодезии» (1842) описан ряд принци­пов измерения дуги меридиана, отражены вопросы картографии. По мнению ученых, геодезические работы Гаусса были практической основой всех его геометрических открытий. Изобретенный им ге~ лиотрон — геодезический прибор, предназначен для точных изме­рений горизонтальных углов в триангуляции. Совместно с В. Вебе­ром он предложил абсолютную систему электромагнитных единиц.

Середина XIX в. — время уточнений параметров Земли, орбиталь­ных траекторий и разработки математических принципов метроло­гии. Наиболее плодотворны результаты немецкого ученого Ф. Бессе­ля (1784-1846), русских - К.И. Теннера (1783-1860), В.Я. Струве (1791-1864), А.П. Болотова (1803-1853) и Ф.Ф. Шуберта (1789— 1865).

Бессель разработал теорию ошибок астрономических инстру­ментов, т. е. ввел понятие систематических погрешностей. Он явля­ется одним из основателей сфероидной геодезии. Им исследована геометрия Земли и установлено, что геометрически Земля — это эл­липсоид вращения. Он изобрел базисный прибор для геодезии, ко­торый был потом усовершенствован К.И. Теннером.

В России данное направление было развито Шубертом и первым директором Пулковской обсерватории (с 1834 по 1862 г.) В.Я. Струве. Его вклад в геодезию и астрономию многогранен и неоценим. Все известные достижения в этих областях он реализовал практически, разработал новые приборы и методы измерения. Его результаты всегда отличались надежностью и точностью. В.Я.Струве стал родо­начальником целой династии астрономов — продолжателей его дела: сын Отто Васильевич, внуки Герман Оттович и Людвиг Оттович, правнук Отто Людвигович — все они работали не только в Пулкове, но и в обсерваториях Берлина, Кенигсберга, Харькова, Бонна, Ми­лана, Лейпцига, а также в США. В честь династии астрономов и гео­дезистов Струве одна из планет названа Струвеана.

Наряду с академиком В.Я. Струве, генералами Ф.Ф. Шубертом и К.И. Теннером в русской геодезии оставил память о себе и их со­временник И.И. Ходзько (1800—1881), руководивший многими гео­дезическими экспедициями на западе России и Кавказе.

В книге «Геодезия» А.П. Болотова изложена вся история опре­деления формы и размеров Земли - от Эратосфена до Струве. Им разработана штриховая шкала отображения рельефа на картах — шкала Болотова, представляющая усовершенствованную по точно­сти воспроизведения местности шкалу Лемана.

Фототопографические работы в России впервые начал осуще­ствлять Р.Ю. Тилле (1843—1911). Им разработаны средства и мето­ды фототеодолитной съемки, а также аэросъемки с аэростатов и воз­душных шаров.

П.К. Залесский (1850—1916) исследовал погрешности в опреде­лении географических координат в различных метеорологических условиях. Он проводил наблюдения солнечных пятен и полных сол­нечных затмений с 1882 по 1907 г. Особое внимание Залесский уде­лял способам обработки данных с целью определения точности гео­дезических и астрономических работ.

Большой вклад в конструирование и производство на заводах Цейса стереодальномеров и теодолитов внес К.Пульфрих (1858— 1927), один из основателей фотограмметрии. Его приборы с неболь­шими видоизменениями существуют до сих пор.

Способ определения времени универсальным прибором по мо­ментам прохождения в меридиане южных звезд вошел в геодези­ческую астрономию как способ Павлова, названного так в честь его автора, российского военного геодезиста Н.Д. Павлова (1867— 1929).

Основателем геодезической науки и геодезического приборо­строения в СССР считается Ф.Н. Красовский (1878—1948). Воспитан­ный на работах Гаусса, Бесселя, Шрайберга, он еще в дореволюци­онные годы увлекся геометрией Земли и методами снижения погреш­ностей измерений. В 1915 г. выходит его работа «О погрешностях и неувязках в теодолитных ходах». По его инициативе в 1929 г. был организован Государственный институт геодезии и картографии (впоследствии ЦНИИГАиК); он стал его первым директором.

Красовского всегда интересовала проблема размеров и сжатия земного эллипсоида, поскольку эллипсоид Бесселя, принятый в 1846 г., имел существенные погрешности. В результате 7 апреля 1946 г. скорректированный эллипсоид, названный именем Красовского, был принят для применения при производстве геодезических и кар­тографических работ.

Исследования в области гравиметрии и конфигурации Земли, опыты с отклонениями светового луча, первые гравиметрические съемки СССР (1932), гравиметрические измерения при изучении Курской магнитной аномалии — все это этапы работ выдающегося российского астронома и геодезиста А.А. Михайлова (1888—1983), директора Пулковской обсерватории с 1947 по 1964 г., основателя нового направления — геодезической гравиметрии.

Дальнейшее развитие гравиметрии, фотометрии, астрономии и соответствующего приборостроения связано с достижениями кос­монавтики.

Огромные земные расстояния геодезисты измеряют с точностью до нескольких сантиметров. Ведь даже обычный компас теперь пре­вратился в электронный прибор. Вместо магнитной стрелки в нем использован индикатор электромагнитной индукции в катушке, вращающейся в магнитном поле Земли. Точное цифровое значение угла отклонения от направления север—юг высвечивается на жид­кокристаллическом табло.

Геодезия, астрономия и астронавигация широко используют родившийся в нашей стране чуть больше двух десятилетий назад метод сверхдальней радиоинтерферометрии. В основе его — все то же наблюдение объекта (но с помощью радиотелескопов) из разных точек, расстояние между которыми (базис) определено с высокой точностью.