ソーラーコンパス (太陽コンパス、Solar compass)

ソーラー・コンパスは大まかには日時計の逆をする装置です。 (日時計とは言っても、太陽の像をレンズでとらえる精密日時計のようなものです。)

大きな鉄が近くにあると磁場が狂い、方位磁石が役に立たなくなります。、このような時にも、測量地点で有効な日時計があれば北の方向を見つけることができます。単に日時計を水平に置いて、水平方向に回転させて、影が現在時刻を表示するようにすると、日時計は北を向くことになります。(無論現代では、例えば GPS でもコンパスの役目をさせることができるので、方位磁石がなくても北の方向がわかります。)

以上のことを (古典的な方法で) 厳密にしようとすると少し難しくなります。測量地点の緯度、太陽の赤緯が既知で、測量地点での地方太陽時が既知でないといけません。

北極星の方向が正確な北ですから、夜間には特別な装置がなくても北を決定できます。緯度は北極星の高度から決定でき、六分儀でこれをすれば精度は 1/6 分 (1/(60×6) 度) ですが、ソーラー・コンパスは装置が大きくないので、六分儀以上の精度があっても無益だと思われます。

以下にはソーラー・コンパスを使用した時に経度と地方太陽時をどのように決めたのかの解説がありませんが、例えば次のようにすれば決定できます。経度は夜間に赤経の知られた星が南中する時に地方恒星時がわかり、グリニッジ標準時を表示する海洋クロノメーターがあれば、これで経度を決定でき、グリニッジ標準時と地方太陽時の差が決定できる。均時差の表も必要になり随分面倒です。工夫をすれば手順はずっと楽になるかもしれませんが、基本的には夜間にすべてのパラメータが手に入る。

原文はあまり科学的装置に詳しくない人が書いているようで、説明が良くない場所があります。そのような箇所は翻訳を省略しています。その代りに、原文にはありませんが、挿絵に説明を加えています。これで多分理解できる。但し、日時計の仕組みは知っている必要がある。あるいは逆に日時計の仕組みを理解できるかもしれません。

ソーラー・コンパスは天文装置で、始めてウィリアム・オースティン・バート (William Austin Burt) により、発明・製造された。彼は 1836 年 2 月 25 日に米国特許局で特許 No 9428X として、この特許を得た。これは 1851 年のロンドン万国博覧会で受賞した。キャルメット・ヘクラ鉱山 (Calumet and Hecla Mine) は世界で最も大きな銅鉱山であるが、バートのソーラー・コンパスの使用により発見された。

訳注

キャルメット・ヘクラ鉱山会社は複数の箇所に拠点があり、最初に発見された銅鉱山 (1864 年) はミシガン州のホートン郡 (Houghton County) にある。発見者はエドウィン J. ハルバート (Edwin J. Hulbert)。 Google map：ホートン郡
ウィリアム A. バートの測量隊もソーラー・コンパスの使用により、 1844 年に同じミシガン州にマーケット鉄山地 (Marquette Iron Range) を発見しています。

19 世紀中頃から 20 世紀末にかけて、ソーラー・コンパスは土地の測量に広く使用された。この最初の契機は磁気コンパスが鉄を含んだ鉱物に敏感で正確な読み取りができない場所で使用された。次に、この装置は局所磁気が問題でない場所でも、磁気コンパスよりも優れていることが判明した。この装置の近縁である、測量技師のトランシットに装着されるソーラー・コンパス・アタッチメントは米国土地管理局の 1973 年度版のマニュアルではいまだに方向を決定するときの推奨される方法の 1 つであった。太陽の位置、あるいは時には月の位置と天文表を使用すれば、ソーラー・コンパスにより測量技師はもっと正確な直線を引くことが可能となり、使用者の貴重な時間を節約した。

米国副測量技師であるバートは 1833 年にミシガン州で国有地の測量を始めた。ウィスコンシン州で仕事をしている時に、大きな鉄鉱石の埋蔵場所があったため、標準的なバーニヤスケール (副尺) の付いたコンパスの使用が困難であり、磁気に依存せずに、鉱石の影響を受けない解決方法を見つける動機となった。彼は機械的な能力があったため、ソーラー・コンパスを考案・建造した。バートは 1835 年に装置のモデルを作り、有効性を検証した。装置は次にフィラデルフィアのフランクリン財団 (Franklin Institute) の委員会に提出された。彼らは装置の原理と利点を調べ、最後にはバートに金貨で 20 ドルと「ジョン遺贈メダル」 (John Legacy Medal) を授与した。彼は測量装置を改良し、1851 年にフランクリン財団に再提出した。装置は何年もの間に更に改良され、1851 年にはこのバージョンをロンドン万国博覧会に展示し、ここで彼は別の賞を受領した。彼は次に天文装置の審査員により別の賞を受領した。

バートの元々のソーラー・コンパスの 1836 年の特許が有効でなくなりそうになった時に、彼はワシントンに赴き、1850 年の特許に更新しようとした。土地問題委員会 (land commissioner committee) はミシガン州とその他の州の上院議員から構成され、公有地におけるバートのソーラー・コンパスの価値を認め、 (特許の) 更新をひかえて議会に適切な前払いの補償を嘆願するように彼を説得した。バートは言われたように行動し、そのような価値ある装置の特許は報われるであろうと信じた。しかしながら、示されたような補償はバートの存命中にも、またその後にも実現されなかった。 1850 年以後、バートのソーラー・コンパスには特許がなかったため、装置製造業者は「バートのソーラー・コンパス」を測量技師に販売した。

彼の同僚のウィリアム S. ヤング (William S. Young) が 1858 年に出版した「ソーラー・コンパスの鍵と測量技師の手引き」の序文で、バートはこのような本に対しての多くの要望に応えて、ソーラー・コンパスの使用法に言及している。彼は磁気コンパスが場所によって真の子午線で問題をはらんでいたことを説明している【訳注：磁北が真の北と違っていること】。磁気コンパスは日々により、前と同じ間違った表示をするか、前の表示と違う表示をするという問題もあった。測量装置として使用される磁気コンパスが鉄鉱石の磁気により何度も干渉されることが確定された。磁気コンパスよりももっとよい測量技師の指針が必要とされた。バートの入念な労苦、根気と忍耐力が究極的には「ソーラーあるいは天体コンパス」(Solar or Astronomical Compass) の発明として報われた。

バートのソーラーコンパスは太陽アタッチメントの付いた真鍮製の精密装置で、これにより測量技師は磁北ではなく、太陽との関連で真の北を決定することが可能となっている。これは太陽や他の天体の観測によって測量技師が真の北を決定でき、磁気や鉄鉱石や他の鉱石の影響を受けることがない。米国政府は土地の測量ではバートのソーラー・コンパスを使用することを要求した。これは通常の装置に干渉する重い鉱物の埋蔵場所がある場合に、土地を正確に測量する経費が土地の価値を越えていたからである

バートの精密測量装置は 3 つの円弧から構成され、 1 つの円弧で経度を設定し、1 つの円弧は (太陽の) 赤緯を設定し、もう一つの円弧で時間を設定した。装置には上と下の 2 枚のプレート (板) があった。下のプレートには照準が設置されていた。このプレートは上部のプレートの中心で回転する。上のプレートは動くことがない。下のプレートはどの場所でも上のプレートにクランプで留めることができる。

下のプレートには目盛りのついた環があり、これは 2 箇所の開口部を除いて上のプレートで覆われている。 2 箇所の開口部は中心の反対側にあった。ここに角度を読むためのバーニヤスケールが付いている。上のプレートには磁針の箱が置かれ、北側のおよそ 36 度の部分のみが分割され、ベルニエが付いていて磁針の変動を読み取れる。このプレートの上に太陽装置が置かれている。太陽装置は緯度円弧、赤緯円弧そして時間円弧から構成されている。 2 つの水準器も付いていて、互いに直交しており、これ以外にも必要な備品が付いている。

緯度円弧はプレートにネジで留められているものである。これはプレートにほとんど垂直である。【訳注：完全に垂直でないといけない。】時間円弧は水準器の上に部分的に水平に設置され、赤緯円弧はプレートの上の回転する腕の上に設置かれ、太陽装置の他の備品もここにある。この回転する腕の上に別の回転する腕があり、これは接合部で回転し、一方の端は赤緯円弧の上を動き、ここにはクランプ・ネジがあって太陽の赤緯を一時的に固定する。今述べた腕の両端から、真鍮板が突き出し、上の真鍮板には凸レンズが設置され、下の真鍮板には 1 枚の銀の板が 3 個の小さなネジで取り付けられ、ここに適当な間隔で直線が引かれ太陽の像を捕え、像はレンズから降り注ぐ。装置のこの部分を見れば、太陽の赤緯が正の時にはここを太陽の方に向ける必要があり、そうでない時には反対にする必要がある。

訳注

上の説明は少し不十分なので解説し直します。

時間円弧は天球の赤道にあわせる必要ががあり、時間円弧とプレートの成す角が測量地点の緯度に一致するようにする。このために、緯度円弧には角度の目盛りが振ってある。また、あらかじめ測量地点の緯度を決定しておく必要がある。
太陽の軌道は太陽の赤緯で決まり、これを調節するのが赤緯円弧です。「回転する腕」と「別の回転する腕」が平行な時に赤緯円弧の上の目盛りが 0 となり、これは春分と秋分の時です。太陽の赤緯が正になる時 (夏になる時) は、凸レンズの部分を外に向けて、赤緯に等しい角度だけ回転する (凸レンズの方向が太陽の向き)。これが簡単にできるように赤緯円弧に角度の目盛りが振ってある。太陽の赤緯が負になる時には逆方向に回転する必要があるが赤緯円弧の角度の目盛りは反対の方には負の目盛りが振ってある。太陽の赤緯は天体歴と日付からわかる。
「回転する腕」を現在の地方太陽時にあわせる。これをするには測量場所の経度を正確に決定しておく必要があり、グリニッジ標準時を表示する海洋クロノメータと均時差の表が必要となる。
以上をセットした後に「上のプレート」を回転して、太陽の像が銀の板の中央に落ちるようにする。
以上で「上のプレート」が正確に北を向き、ここで「下のプレート」を回転して、観測したいオブジェクトを照準に捕える。これでオブジェクトの北からの角度が決定される。

イラストのソーラー・コンパスには欠陥があり、北半球でしか使用できない。緯度をマイナスに設定できないからです。これを改良したのが写真のソーラー・コンパスです。だから、こちらの方が 1850 年の改良版と思われます。 (折りたたんであるから少し見にくい。)

今述べた太陽装置の幾つかの部分をよりよく理解するには、太陽や星が地球の周りをまわる見かけの動きにとりわけ注意を払うべきである。この動きでは地球が日々の回転の中心となっている。太陽が天の赤道上にない時には、太陽の見かけ上の動きが円錐の上を動くというはっきりとした観点が必要で、これにより、太陽装置が見かけ上の太陽の動きを追跡できるように調節でき、一方太陽コンパスの照準は動くことがない。もしも人が地球の赤道の上にいて、太陽が天の赤道上にあれば、太陽は東から上り、西に沈む。正午には太陽は最も高い位置にあり、深夜 0 時には最も低い位置にある。別の言葉を使えば、太陽が天の赤道上にあれば、太陽の見かけ上の回転は地球の赤道を通る完全な平面の中にある。

日の出時の太陽から日の入り時の太陽を結ぶ直線を描き、正午の太陽から深夜 0 時の太陽を結ぶ直線を描けば、どちらの直線も地球の中心を通り、赤道がこれらの直線と交差する。太陽が天の赤道上になければ、上で言及した平面ないしは直線と角度をなし、この角度が太陽の赤緯と等しい。従って、太陽が天の赤道上になく、地球を回転の中心とみなせば、今言及した曲面は円錐となる。

-- この段落と操作の説明に関しては原文の用語が全く不適切なので省略。--

もっと単純な太陽コンパス (sun compass) が機械化騎兵隊 (mechanical cavalry) のジェームズ・アラソン (James Allason) 中佐により開発され、1938 年にインドの英国陸軍で採用された。これは、通常配布のプリズム・コンパスを戦車や装甲車の内部あるいは近辺で使用した時に磁場のゆがみがあったためである。ヨーロッパは曇りがちなので、第二次大戦中のヨーロッパ戦域では装置は使用されることがなかった。使用の手引きが、「帝国戦争博物館」の記録文書とし保管されている。