航海？先搞懂經緯線——教科書背後的故事

科技 07-14

用知識愛上學習，大家好，我是大於老師。

今天我們要說的是地理書，也是咱們從小看地圖都會遇到的一個事物：經緯線。這是一位小同學向我提出的問題。在這裡，大於老師也歡迎咱們的小朋友向我提出在咱們的課本中看到的不明白的各種小問題。

地球儀

經緯線

經緯，本來表示的就是豎和橫的意思。比如在織物、布匹中，豎線就是經線，橫線就是緯線。在咱們的街道規劃中也有類似的用法。南北向的道路就叫XX經路。東西向的道路就叫XX緯路。。比如在天津就有十四經路、東四經路、二緯路這樣的名稱。稱讚一個人有大本事，有時會說叫經天緯地之才，就是說有規劃天地、治理天下的大才能。

當我們去觀察地圖或者地球儀的時候，就會看到也有很多縱橫相交的線，這些線就是咱們地球的經緯線了。但是這些經緯線是怎麼畫在出來的呢？首先，地球上本身是沒有經緯線的。不然我們走在外面到處就都是橫平豎直的線了。經緯線是人們在附加在地球表面幫助我們定位的。我們只會在在地圖上、地球儀上看到經緯線，而航天員在宇宙中是肯定看不到我們地球的經緯線的。其二呢，經緯線也不是隨意的畫在地圖上的。經緯線的出現是有著嚴格的規定的。

地球自轉與經緯線

既然不能這麼隨意的畫，那麼經緯線到底怎麼來的呢？

現在我們想像一下地球在宇宙中正在一圈一圈的自轉。如果想像不出來也沒有關係，你可以用身邊任何一個球狀物體：雞蛋啊，乒乓球啊甚至團一個紙團都可以來模擬地球的自轉。輕輕的自左向右讓這個物體旋轉起來，你會發現它是圍繞著一個線軸在旋轉的。這個軸就叫自轉軸。而地球的自轉軸就是地軸，我們的地球圍繞著這個看不到的虛擬的地軸不停的在做一個周期為23小時56分4秒的自轉運動。我們假設這個看不到的地軸穿過地球表面就形成北極點和南極點。

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地球的自轉

地球自轉形成南北極，這和經緯線有什麼關係呢？

仔細觀察經緯線：你會發現經線都是在南極和北極匯合的。咱們規定的經線定義就和南北極點有關了：所謂經線就是連接南北極點在地球表面的半圓弧。有了經線，緯線就好定義啦。緯線就是垂直於經線地球表面的大圓。

根據這個定義我們就可以理解地球表面的經緯線是怎麼來的了。但細心的同學可能會發現一個問題：你剛說經緯線是相互垂直的。但是我們看地圖會發現很多經緯線並不是垂直的啊，這是怎麼回事呢？經緯線是畫在地球表面的，而地球是一個立體的球體，但是我們的地圖是平面的，一個球體上的相互垂直的線在平面上就會有變形，這是一種視覺的誤差。想驗證這一點，我們可以拿一個橘子、蘋果什麼的，在上面畫兩條垂直的線，當你平行的看，這兩條線就是垂直的，但是當你變化一下視角，比如從側上方或者側下方看，這兩條線則會變成一種很奇怪的樣子了。地球是個球體也造成了表示經緯線的經緯度是用多少度，多少分這樣的表示角度的單位，而不是是用表示距離的米、公里這樣的單位。

經緯線的起點

那麼經緯線是從哪裡起算開始的呢？我們先找個地球儀，你會發現緯線是很好找的，一條條的平行的圓圈就是緯線。這些緯線圈中最大的就是大名鼎鼎的赤道了，這裡也是全球緯線的起始點，赤道以北是北緯、赤道以南是南緯。但是經線就麻煩了。我們會發現每一條經線都是一樣的。這可怎麼區分呢？1851年御用天文學家艾里（Sir George Airy）在格林威治天文台設置中星儀，並以此確定格林威治子午線。子午線指的是同一顆星經過當地正上方和正下方的時間相同的點的連線，子就是午夜24點、午就是中午12點。而所謂中星儀就是一種嚴格的觀察星體過頭頂正上方時間的儀器。當時已經有超過三分之二的船隻已使用該線為參考子午線，在1884年於美國華盛頓特區舉行的國際本初子午線大會上正式定之為經度的起點。就是著名的本初子午線了，這條經線以西就是西經度。以東就是東經度。但既然是人為定義的，英國人確定了，別的國家就有不服氣的，比如法國。在確定本初子午線的會議上25個國家參加了會議，但是法國代表投出了棄權票。一直到1911年，法國還在使用巴黎的子午線為基準。後來因為世界的交流越來越陪頻繁，一些國家才開始使用格林威治天文台的本初子午線為基準。

本初子午線

我們解釋了經緯線的產生原因，那麼經緯線有什麼用呢？總不是為了讓地圖看著更好看吧。我們現在都知道經緯線的存在是為了定位。打個簡單的比方，經緯線就像是咱們教室的座次表，為了就是可以給咱們地球上的任何一個點進行定位。有了經緯度我們就可以知道地球上任意一個點的的位置了。比如大於老師現在就是117°11 11"E，39°8 30"N附近的一個地方，看看同學們能找到我的位置嗎？如果你能找到，恭喜你！說明你已經開始學會使用經緯線定位了。我們使用了什麼工具呢？是不是谷歌地球、百度地圖這類的電子地圖呢？這些地圖能夠進行經緯度定位依靠的是現在先進的衛星定位系統，比如GPS、北斗導航系統等等。

GPS衛星系統

海上定位

但是時間回到260年前的18世紀，定位可不是一件簡單的事情，尤其是在海上航行的時候，四周海浪茫茫，沒有任何可以參考的物體。這時候不知道自己在什麼位置上是一件非常危險的事情。1707年，由於定位不準，英國艦隊四隻艦船觸礁沉沒，兩千餘名官兵因此犧牲。這場災難給海員敲了個警鐘，他們向政府請求解決海上定位的難題。其實對於定位位置。緯度是比較容易的事情。那時候的人們已經可以用六分儀觀測正午太陽高度角或者北極星高度角得到緯度。但是對於經度則複雜得多。地球不同的經線具有不同的地方時。偏東的地方時要比較早，偏西的地方時要遲。當時的人們需要船所在地的時間和港口時間的差來計算經度。這個原理其實很簡單：那時已經確知地球是個球體自轉一周是360度，每24小時轉動一周，那麼，一個小時就轉1/24圈，即15度。因此，如果航行一個小時，說明船的經度向東或是西移動了15度。船上的時間可以通過觀察太陽達到正午的時間來確定，而港口的時間可以通過帶一個鐘錶來記錄。問題在於時間的確定。如果航海鐘差了十分鐘，相當於經度測量差了(10/60/24)*360=2.5度，如果你在赤道上，相當於你對自己的定位在東西方向差了270多公里，足夠你葬身在暗礁之間了。但是，鐘錶在陸地上尚不能做到準確報時，何況是在海上呢？在1707年的海軍觸礁事件促使了人們對於精確定位的需求，當時英國政府懸賞2萬英鎊（相當於現在300多萬美元）來尋求精確的經度度量的方法。1757年，一位叫做哈里森的英國工匠通過不斷的嘗試終於製成了代號為H4的高精度的航海懷錶。在船上航行了161個日夜，它的誤差竟然不到1分鐘。而這個成功是這位精益求精的工匠用了將近30年的時間，經歷了從H1-H4 的四代進化而製成的。後來航海鍾變得越來越精準也更加廉價。達爾文環球航行的小獵兔犬號上就帶了22隻航海鍾，取平均值使誤差更小。在此之後隨著定位的精確，遠洋航行也變得越來越安全。關於航海鐘的更多的故事，同學們可以去看一本叫做《經度》的書，裡面有著更詳盡的介紹。