Sekstant – budowa, zasada działania i nawigacja przed GPS

Sekstant to kątomierz lusterkowy – optyczny przyrząd nawigacyjny, którym mierzy się wysokość ciała niebieskiego nad horyzontem. Ten pomiar, razem z dokładnym czasem, przez ponad dwa stulecia pozwalał żeglarzom ustalić pozycję statku na środku oceanu, gdy dokoła nie było żadnego lądu. Zanim pojawił się GPS, to właśnie sekstant był głównym narzędziem, dzięki któremu statek wiedział, gdzie się znajduje.

Co to jest sekstant?

Sekstant, zwany też sekstansem, to optyczny kątomierz używany w nawigacji i astronomii. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego szóstą część – łuk przyrządu obejmuje mniej więcej jedną szóstą pełnego okręgu, czyli 60 stopni. Jego podstawowe zadanie to zmierzenie kąta, na jakim nad horyzontem znajduje się obserwowane ciało niebieskie. Sekstantem można też mierzyć kąty poziome i pionowe między obiektami na lądzie, na przykład by wyznaczyć linię pozycyjną wzdłuż brzegu.

To właśnie ta zdolność – dokładny pomiar kąta – czyni z sekstantu przyrząd nawigacyjny, a nie tylko astronomiczną ciekawostkę. Kąt między Słońcem a horyzontem, zmierzony o właściwej porze, niesie informację o tym, gdzie na kuli ziemskiej znajduje się obserwator.

W astronomii sekstant służył do pomiarów położenia gwiazd, ale to żegluga uczyniła z niego przyrząd powszechny. Dwie nazwy – sekstant i sekstans – odnoszą się do tego samego urządzenia; w praktyce morskiej częściej mówi się „sekstant”.

Budowa sekstantu

Choć sekstant wygląda na skomplikowany, składa się z kilku dobrze rozpoznawalnych części. Sercem przyrządu jest łuk ze skalą, a resztę tworzą lusterka, luneta i elementy pomocnicze.

Łuk ze skalą, zwany limbusem, to metalowa lub tworzywowa rama z naniesioną podziałką kątową. Po łuku przesuwa się alidada – ruchome ramię zakończone śrubą mikrometryczną i noniuszem, które pozwalają odczytać kąt z dokładnością do minuty. Na osi obrotu alidady osadzone jest lustro ruchome (indeksowe), a przy lunecie znajduje się lustro stałe, zwane widnokręgowym. To drugie jest podzielone na dwie części: jedna odbija światło, druga jest przezroczysta i przepuszcza obraz horyzontu. Do ramy przymocowane są jeszcze luneta celownicza, komplet szkieł przyciemniających, które chronią oko przy obserwacji Słońca, oraz rękojeść.

Skalę odczytuje się dwustopniowo: pełne stopnie z limbusa, a dokładne minuty z bębna śruby mikrometrycznej lub z noniusza. To właśnie ten mikrometr decyduje o precyzji całego pomiaru, bo różnica jednej minuty kąta przekłada się na mapie na około jedną milę morską.

Jak działa sekstant – zasada podwójnego odbicia

Sekstant należy do przyrządów podwójnie odblaskowych. Obraz ciała niebieskiego trafia najpierw na lustro ruchome, odbija się od niego na lustro stałe, a stamtąd do oka obserwatora – i tam nakłada się na widziany bezpośrednio horyzont. Obracając alidadą, sprowadza się odbity obraz Słońca dokładnie do linii widnokręgu. Kąt, o jaki trzeba było przesunąć alidadę, odpowiada wysokości ciała niebieskiego.

Rzeczywista wysokość ciała niebieskiego jest dwukrotnie większa od kąta przesunięcia alidady. Dlatego podziałkę na łuku zagęszczono dwukrotnie, a przyrząd o łuku 60 stopni mierzy kąty do 120 stopni.

Źródło: Akademia Morska, materiały z astronawigacji

Ten mechanizm ma dwie ważne zalety. Po pierwsze, obraz ciała niebieskiego i horyzont widać jednocześnie w jednym polu widzenia, więc drobne kołysanie statku nie psuje pomiaru. Po drugie, dokładność jest zaskakująco duża: śruba mikrometryczna pozwala odczytać kąt co do minuty, a ponieważ jedna minuta kąta odpowiada mniej więcej jednej mili morskiej, dobrze wykonany pomiar daje pozycję z dokładnością rzędu setek metrów. Samą zasadę podwójnego odbicia przypisuje się Isaakowi Newtonowi, a pierwszy działający przyrząd tego typu zbudowali niezależnie od siebie Anglik John Hadley i Amerykanin Thomas Godfrey około 1730 roku.

Największą zaletą tej konstrukcji jest to, że obraz odbity i horyzont widziany wprost trafiają do oka niemal w jednej osi. Obserwator widzi Słońce i linię widnokręgu jako jeden obraz i doprowadza je do styku, zamiast celować przyrządem w dwa odległe punkty naraz – co na kołyszącym się pokładzie byłoby niemal niemożliwe.

Jak zmierzyć wysokość Słońca krok po kroku?

Pomiar wysokości, zwany w żargonie „braniem namiaru”, to podstawowa czynność wykonywana sekstantem. Poniższe kroki pokazują, jak zmierzyć wysokość Słońca.

1. Wyceluj lunetę w horyzont. Skieruj lunetę na wyraźną linię styku nieba i morza, patrząc przez przezroczystą część lustra stałego.
2. Nałóż szkła przyciemniające. Przed obserwacją Słońca dobierz filtry tak, aby jego światło nie raziło oka – to warunek bezpiecznego pomiaru.
3. Sprowadź obraz Słońca do horyzontu. Poruszaj alidadą, aż odbity obraz Słońca pojawi się obok horyzontu i zacznie się do niego zbliżać.
4. Dotknij horyzontu dolną krawędzią Słońca. Delikatnie „kołysz” sekstantem na boki i tak ustaw alidadę, by dolny brzeg tarczy Słońca musnął linię widnokręgu.
5. Odczytaj kąt. Pełne stopnie odczytaj z łuku, a minuty ze śruby mikrometrycznej i noniusza.
6. Zapisz dokładny czas. W tej samej chwili odnotuj czas z chronometru (UTC) – bez niego pomiar wysokości nie wystarczy do wyznaczenia pozycji.

Co zrobić, gdy nie widać horyzontu?

Pomiar sekstantem wymaga wyraźnej linii widnokręgu, a tej nie zawsze widać – nocą, we mgle albo na lądzie zasłania ją teren. Wtedy używa się sztucznego horyzontu. W najprostszej wersji jest to osłonięta od wiatru tafla cieczy, na przykład wody, która odbija ciało niebieskie; mierzy się wówczas kąt między obiektem a jego odbiciem i dzieli na pół. W sekstantach lotniczych stosowano z kolei wbudowany poziom z pęcherzykiem powietrza, tak zwany sekstant bąbelkowy. Dzięki takim rozwiązaniom przyrząd dawał się wykorzystać także tam, gdzie naturalny horyzont był niedostępny.

Od sekstantu do pozycji na mapie

Sam kąt to dopiero połowa drogi. Aby zamienić go w punkt na mapie, potrzebne są jeszcze dokładny czas pomiaru i tablice astronomiczne – almanach, który mówi, gdzie w danej chwili znajdowało się obserwowane ciało niebieskie. Z tych danych oblicza się tak zwaną linię pozycyjną, na której musi leżeć statek. Kilka takich linii, wyznaczonych z pomiarów różnych gwiazd albo tego samego ciała o różnych porach, przecina się w jednym punkcie – i to jest szukana pozycja.

Najprostszy z klasycznych pomiarów wykonuje się w południe. Gdy Słońce osiąga najwyższy punkt na niebie, czyli kulminację, jego wysokość pozwala wprost obliczyć szerokość geograficzną. Wyznaczenie długości geograficznej było trudniejsze i przez wieki pozostawało nierozwiązanym problemem żeglugi – udało się dopiero, gdy do sekstantu dołączył precyzyjny chronometr okrętowy odmierzający czas portu odniesienia.

Rozwiązanie problemu długości zajęło stulecia i stało się możliwe w XVIII wieku, gdy zegarmistrz John Harrison zbudował chronometr dość dokładny, by zachować czas portu przez cały długi rejs. Różnica między czasem miejscowym, wyznaczonym z położenia Słońca, a czasem portu odniesienia przekłada się wprost na długość geograficzną. Sekstant i chronometr stały się więc parą przyrządów, które razem dawały pełną pozycję: i szerokość, i długość.

W praktyce nawigator rzadko dostaje od razu gotowy punkt. Z pojedynczego pomiaru wyznacza linię pozycyjną – zbiór miejsc, z których ciało niebieskie widać pod tym samym kątem. Dopiero przecięcie dwóch lub trzech takich linii, uzyskanych z różnych obserwacji, wskazuje pozycję. Metodę tę opracowano w XIX wieku i udoskonalano przez kolejne dekady, a do dziś wykłada się ją w szkołach morskich.

Historia – od laski Jakuba do GPS

Sekstant nie pojawił się znikąd. Był zwieńczeniem długiej linii przyrządów, którymi żeglarze próbowali zmierzyć wysokość gwiazd. Najpierw były astrolabium i kwadrant, potem laska Jakuba, na której odmierzano kąt na podziałce, następnie backstaff, czyli kwadrant Davisa, pozwalający obserwować Słońce tyłem do niego. Przełom przyniósł oktant z lat 30. XVIII wieku, oparty już na zasadzie podwójnego odbicia, z którego wprost wywodzi się sekstant.

Różnica między oktantem a sekstantem tkwi w rozpiętości łuku. Oktant obejmował jedną ósmą okręgu i mierzył kąty do 90 stopni, co wystarczało do pomiaru wysokości, ale nie do metody odległości księżycowych, wymagającej większych kątów. Sekstant z łukiem 60 stopni, mierzącym do 120 stopni, usunął to ograniczenie i na długo stał się standardem.

W odróżnieniu od starszych przyrządów sekstant pozwalał obserwować także gwiazdy, a więc korzystać z niego również nocą. Przez cały wiek XIX i większą część XX był podstawowym wyposażeniem nawigacyjnym. Dopiero rozwój elektroniki – najpierw systemów radionawigacyjnych, a potem satelitarnego systemu pozycjonowania – odsunął go na dalszy plan. Dziś pozycję na bieżąco wyznacza GPS, a obraz sytuacji wokół statku uzupełnia radar.

Czy sekstant jest jeszcze używany?

Na co dzień pozycję statku wskazuje odbiornik satelitarny, a sekstant leży w szafce nawigacyjnej. Ma jednak jedną przewagę, której nie odbierze mu żadna nowa technologia: nie potrzebuje prądu ani sygnału. Gdy zawiedzie zasilanie albo systemy satelitarne zostaną zakłócone, sekstant nadal działa – wystarczą horyzont, niebo i dokładny czas.

To nie tylko teoria. Międzynarodowe wymogi szkolenia oficerów wciąż obejmują nawigację astronomiczną, a wiele statków ma sekstant na wyposażeniu jako rozwiązanie awaryjne. Umiejętność wyznaczenia pozycji bez elektroniki bywa też realnym zabezpieczeniem w rejonach, gdzie sygnał satelitarny bywa celowo zakłócany.

Dlatego astronawigacja wciąż jest częścią programów akademii morskich i szkolenia oficerów, także w marynarce wojennej. Uczą się jej również żeglarze na żaglowcach szkolnych, gdzie tradycyjne rzemiosło nawigacyjne przekazuje się kolejnym rocznikom. Sekstant przeszedł więc drogę od głównego przyrządu do roli awaryjnej i dydaktycznej, ale z pokładów nie zniknął. Więcej o nawigacji i orientacji na morzu znajdziesz w przewodniku po żegludze i statkach.

Podsumowanie

Sekstant to jeden z najbardziej pomysłowych przyrządów w historii żeglugi. Mierzy wysokość ciała niebieskiego nad horyzontem, korzystając z podwójnego odbicia w dwóch lusterkach, a jego łuk o rozpiętości 60 stopni obejmuje w pomiarze aż 120 stopni. Połączenie kąta z dokładnym czasem i tablicami astronomicznymi pozwalało wskazać pozycję statku na bezkresnym oceanie na długo przed erą satelitów. Dziś tę rolę przejął GPS, ale sekstant, prosty i niezależny od zasilania, pozostaje przyrządem, po który sięga się, gdy zawiedzie elektronika – i przy którym uczy się kolejne pokolenia nawigatorów.

FAQ – sekstant

Co to jest sekstant?

Sekstant, zwany też sekstansem, to optyczny kątomierz lusterkowy, którym mierzy się wysokość ciała niebieskiego nad horyzontem oraz kąty między obiektami. Służy do wyznaczania pozycji w nawigacji astronomicznej.

Jak działa sekstant?

Sekstant działa na zasadzie podwójnego odbicia. Obraz ciała niebieskiego odbija się kolejno od lustra ruchomego i stałego, po czym sprowadza się go do linii horyzontu. Kąt przesunięcia alidady odpowiada wysokości ciała, a dzięki podwójnemu odbiciu łuk 60 stopni mierzy kąty do 120 stopni.

Do czego służy sekstant?

Sekstant służy do pomiaru wysokości Słońca, Księżyca i gwiazd nad horyzontem. Pomiar ten, razem z dokładnym czasem i tablicami astronomicznymi, pozwala wyznaczyć linię pozycyjną i ustalić pozycję statku na mapie.

Kto wynalazł sekstant?

Zasadę podwójnego odbicia przypisuje się Isaakowi Newtonowi, a pierwszy działający przyrząd, oktant, zbudowali niezależnie od siebie Anglik John Hadley i Amerykanin Thomas Godfrey około 1730 roku. Sekstant jest rozwinięciem oktantu.

Czy sekstant jest jeszcze używany?

Na co dzień pozycję wyznacza GPS, ale sekstant nie wymaga zasilania ani sygnału i pozostaje przyrządem awaryjnym. Astronawigacja z użyciem sekstantu wciąż jest częścią programów akademii morskich i szkolenia oficerów.

Źródła

• Akademia Morska – materiały z nawigacji astronomicznej (astronawigacji)
• Encyklopedia PWN – hasło „sekstant”
• Almanach nautyczny – tablice do obliczeń astronawigacyjnych
• Opracowania z historii techniki nawigacyjnej (oktant, kwadrant Davisa, laska Jakuba)