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| ウィリアム・オースティン・バートのソーラー・コンパス |
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Solar compass - Wikipedia
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、 日時計は真北を向きます。(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。
バードのソーラー・コンパスあるいは天文コンパス/太陽コンパスは 磁気の代わりに、太陽の方向を利用する測量機器である。 ウィリアム・オースティン・バート (William Austin Burt) は 1835 年にソーラー・コンパスを発明した。 ソーラー・コンパスは特定の時間に、 観測者の地球表面における位置がわかれば、 太陽の向きが類似の精度で計算できるという原理で動作する。 方向は地球の回転軸に相対的な太陽の角度に関して記述できる。
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| ウィリアム・オースティン・バートのソーラー・コンパス |
この角度は緯度に起因する角度に、季節に起因する角度と 一日の時刻に起因する角度をあわせて構成される。 これらの角度は、一日の選択された時間に合わせ、 アルコール水準器でコンパスの基礎を水平にして、 照準を特定の時刻に合わせ、 太陽の像を十字格子の付いた目標に射影させる。 この時点で、コンパスの基底は真の南北に揃う。 次にこの配置を固定して、照準アームを回転して、 任意のランドマーク ―― 例えばビーコン ―― に合わせ、真北からの角度をバーニヤで読み取る。
この装置は測量技師が使用する普通の磁気コンパスの問題を回避する。 後者は鉄鉱石の含有量が多い場所では、 あるいは一貫性のない、不明な局所磁場の変動がある場合には間違いを表示する。 この機器は非常に正確なことが判明したため、公共の土地, 州の境界, 鉄道ルートの測量で米国政府の選択になった。 これは色々な組織から賞を勝ち得て、19 世紀から 20 世紀にかけて測量技師に使用された。
バートは 1833 年に米国の代理測量技師となり、 オハイオ川の北西領土の政府の土地の測量を始めた。 1834 年までに、彼と彼の測量チームは ミシガンのロウアー半島の測量をしていた。 彼は 1835 年までに、新規の入植者のために、 ミシガンのアッパー半島の土地を測量していた。 ここで彼が気が付いたことは、 この地域の鉄鉱石の鉱床が磁場に干渉して、、 磁場で動作する鋭敏なコンパスが不規則に変動することであった。 バートは真北を見つけるために、太陽に依存し、磁場に依存しない機器の 付属品を考案した。 彼は、その装置を「真の子午線発見機器」 (True Meridium Finding instrument) と呼んだ。 これは地方の陸塊の鉄鉱石の鉱床の干渉で起きる、 測量技師のコンパスの予測不能な変動を凌駕した。
バートはミシガンの測量で始めて、ソーラー・コンパスを使用した。 彼はミシガン州のアッパー半島の 1844 年の測量で マーケット郡 (Marquette County) の ニゴーニー (Negaunee) の 大きな鉄鉱石の露頭鉱床を発見した。 これは マーケット鉄山地と呼ばれるようになった。 彼の仲間は同じ頃にロウアー半島で鉄鉱石の小さな鉱床を発見した。 ミシガンにおけるこれらの鉄鉱石鉱床の彼の偶然の発見は、米国産業革命に随分と貢献した。 ミシガンのコッパー地方 (Copper Country) の カルメット&ヘクラ鉱山 (Calumet and Hecla Mine) はバートの機器で見つかり、 世界の主要な銅の産地になった。
バートのソーラー・コンパスは太陽の位置と天体表を使用し、測量技師にもっと正確な直線を引くことを可能にさせ、 多くの時間を節約させた。 バートはプロの機器製造家の ウィリアム・ジェームス・ヤング (William James Young) が 1835 年に建造した機器のモデルを持っていた。 次に彼はこのソーラー・コンパスをフィラデルフィアの フランクリン研究所 (Franklin Institute) の委員会に提出した。 彼らはその特性を調べ、技術上の理由からバートに金貨 20 ドルと ジョン・スコット・メダル (John Scott Medal) を与えた。 バートは 1836 年 2 月 25 日にソーラー・コンパスの発明の特許を得た。 それ以後、これはバートのソーラー・コンパスあるいは天文コンパスと呼ばれた。 彼は 1836 年 - 1836 年のシーズンに、アイオワ州の 5 番目の主要子午線 (principal meridian) の 測量にこれを使用した。
バートは長年の間幾つかの構造で機器を改良して、操作を単純にして精度を高くした。 1840 年に彼は改良ソーラー・コンパスで別の特許を受理し、 機器の更新バージョンをフランクリン研究所に再提出した。ここで、 これが最初のバージョンよりはもっと正確で、使用が簡単であることが示された。 連邦土地オフィス (Federal Land Office) の測量監督の E.S.ヘインズ (E.S.Haines) はバートの 測量機器を 1840 年 12 月 12 日に調べ、1841 年の手紙で、 これによる 4 年間の測量経験から、大半の測量技師が使用する普通のコンパスよりも 技術的に優れていることが判明したと報告している。 連邦土地オフィス (Federal Land Office) の長官 (Commissioner) は米国中の測量監督に手紙を送付し、 バートのコンパスが測量技師のヘンリー・ウェア (Henry Ware) によって製造され、購入できることを述べた。
バートは 1835 年の彼のソーラー・コンパスの元々の特許が 失効しかけていたため、その更新を申請するために、1849 年にワシントンに子息 と共に赴いた。 土地委任委員会 (land commissioner committee) はミシガンなどの州上院議員から構成され、公有地測量 におけるバートのソーラー・コンパスの価値を認め、彼に更新を見合わせ、 議会に適切な事前補償 (advance compensation) を嘆願することを説得した。 バートは適切に補償されると信じて、提案されるようにした。 しかしながら、示された補償はバートの生存中、あるいはその後にも実現しなかった。 1850 年以後、バートのソーラー・コンパスには特許がなくなったため、 機器製造家は「バートのソーラー・コンパス」を製造し、測量技師に商品として販売した。 この発明家は彼の機器を完成するために、何千ドルも費やしたが、彼の労力に対して、 彼の道具の販売で 80 ドルを受領したのみであった。
彼の同僚のウィリアム S. ヤング (William S. Young) による「ソーラー・コンパスと測量技師の仲間への鍵」 の 前書きで、バートは彼のソーラー・コンパスの使用法に関する、このような本の要望を言及している。 彼は普通の測量技師のコンパスには、異なる場所において真の子午線の問題があることを説明している。 これには一定と思われる測定と違ったり、あるいは以前の測定と違ったりする 日々の問題があった。 磁気コンパスは鉄鉱石の局所的磁気に干渉されやすいことが分かった。 もっと正確な測量技師の手引きが望まれ、ソーラー・コンパスがバートにより創設された。
測量技師のベラ・ハバード (Bela Hubbard) が 1845 年に注意したことによると、 バートのソーラー・コンパスでは鉄が豊富な地方で直線を測量できるが、 普通のコンパスでは不可能であることであった。 バートのソーラー・コンパスの元々の推進力は、旧来のコンパスが脆弱である場所での 使用であり、ここには測定を不可能にする大きな鉄の鉱床があった。 局所的な鉄鉱石の鉱床が問題でない時にも、これは普通のコンパスよりも優れていることがわかった。 測量技師のソーラー・コンパス付属品は、なお、真北を得るための推奨された方法であり、 これは 1973 年の米国土地管理局 (US Bureau of Land Management) の測量技師のマニュアルで指示されたとおりである。 この機器は米国で土地測量に広く使用され、 19 世紀中頃から、2000 年に至るまで政府の測量に 必須となり、2000 年には GPS (Global Positioning System) 技術が測量の好ましい方法となった。
測量技師は太陽、あるいは星や月などの天体を眺めて真北を決めることができ、 これらには地表上の与えられた地点からの向きがある。 これは与えられた日と時刻で正確に計算することができ、 鉄鋼石のような鉱石の局所的鉱床による磁場の局所的変動により影響されない。 バートのソーラー・コンパスで測量技術者は、地球の磁場に影響されずに、 太陽との関連で真北を決定することができた。 これは真鍮でできており、従ってコンパスの針に磁気の影響がなく、 元々は標準的な測量技師の普通のコンパスの小さな付属品であった。
ソーラー・コンパスの適用には地球の周りの太陽の見かけ上の動きに関する知識が必要である。 これは参照枠の中心としての地球に相対的なもので、 もっと具体的には、測量用に設置した機器の位置に相対的なものである。 緯度による傾き、季節による傾き、及び一日の時間による経度の変動の理解が必要である。 というのはコンパスにはこれらの変動の各々を評価する特定の組み立て部品があるからである。
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| 1836 年の米国特許文書の彼のソーラー・コンパスの線画 |
春分・秋分の地球の赤道では、太陽には季節的な傾きがなく、真東から上り、真西に沈む。 正午に太陽は最高点で、真上にあり、 真夜中には最低点で、赤道面で動くように見える。 赤道から離れた場所では、太陽の正午の高度は、極の軸に対する地球の局所平面の角度 ―― 緯度 ―― で 減少する。従って南緯あるいは北緯 10° では、正午の高度は春分・秋分で 90° - 10° = 80° である。 この角度は測量技師に知られ、計器の「緯度の円弧」に設定されて、 基礎が水平になり、コンパスが真北に揃い、「時刻の円弧」の軸が極の軸に平行になる。
地球の回転軸は、垂直から太陽を回る軌道面に傾いている。 この角度は揃っていない方向に依存する量で、太陽の高度 (角度) の季節による変化を引き起こす。 これは、一年を通して変動が予見でき、計算できる比率で滑らかに増大・減少し、 地球上の至る所で同時刻に一定である。 これは測量技師にも知られており、年鑑の一組の表で出版されている。 この傾き (declination, 赤緯) の補正はコンパスの「赤緯の円弧」 (declination arc) の上で実施され、 経度 (latitude) と赤緯 (declination, 傾き) の角度は加法的であるから、これは「緯度の円弧」の頂上で、 極の軸上で回転するように搭載されている。 一日の時間による太陽の角度は「時間の円弧」 (hour angle arc) に設定され、 この円弧は極の軸に垂直である。 この角度は経度と GMT から計算され、測量技術者とナビゲーターのために表にもなっている。 というのは計算を実地で実施するのは飽き飽きするし、どんなエラーも広範囲の影響があるからである。
球体の地球を仮定して、 もしも春分・秋分の時に、 日の出の太陽から、日の入りの太陽に直線を引き、 正午の太陽から、深夜の太陽に直線を引けば、 このどちらの直線も地球の中心を通り、赤道はこれらの直線と交差する。 これは太陽が北か南に傾いている時にはそうではない。 というのは、その見かけの動きは赤道面に角度を持ち、太陽の北か南の傾きの量 (赤緯) に等しい。 太陽が北か南に傾き、 地球が太陽の回転の中心と見なされる時に、太陽から地球の中心への直線は円錐を描写する。
太陽の円錐の動きは、皿のように並んだ幌馬車の車輪のスポークで説明できる。 縁が太陽の見かけの動き、ハブが地球を表わし、スポークが 太陽の通り道から引いた直線である。 太陽から地球の中心に描いた直線は赤道の北か南を通り、 緯度では度数が北緯もしくは南緯に等しい。 計器には赤道の動きがあり、参照として星に照準を合わせるための機械的付属物がある。
バートのソーラー・コンパスは一枚の主プレート (main plate) で構成され、これは三脚に搭載され、 2 つの直交するアルコール水準器で水平になっている。 これは普通のコンパス針の箱を載せ、針の北端に、およそ 36 度の分割があり、 バーニヤが針の変動を読み、 ソーラー機器の 3 つの調節可能な円弧がある : 1 つはこの場所の緯度に設定され、 もう 1 つは太陽の季節的な傾きに設定され、 3 つ目はこの場所の経度に調節した 1 日の時刻に設定される。 太陽で調節を設定する照準は「赤緯の円弧」 (decrination arc) の可動アームに搭載され、 目標格子 (target grating) で太陽の円盤像を焦点に合わせるための小さなレンズがある。 上のプレート (plate) は太陽と揃え、極と揃えたあとは静止し、 下のプレート (plate) の照準は向きを決める。 下のプレート (plate) は測量用照準を載せ、上のプレート (plate) に相対的に回転し、 どの位置でも上のプレート (plate) にクランプで固定できる。 下のプレート (plate) には目盛りの付いたリングがあり、 北に向きを揃えた一番上のプレート (plate) と、一番下のプレート (plate) の測量照準線の間の相対的回転を表示し、 バーニヤが付いて、角度の正確な読み取りを可能にしている。
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| バートのソーラー・コンパスの軸 |
「緯度の円弧」 (latitude arc) が上のプレート (plate) に垂直に取り付けてある。 「時刻の円弧」 (hour arc) は緯度の円弧の可動な上部に垂直に固定され、 「赤緯の円弧」 (declination arc) は極の軸 (polar axis) に自在軸受けで直交して取り付けてある。 円弧の位置はネジで精密に調整でき、角度はバーニヤで読み取る。 クランプ・ネジ (clamp screw) が部品を定位置に固定するのに必要な場所に提供されている。 「赤緯の円弧」 の調節できる枝の他方の端に小さなレンズが設置され、 太陽の円板像が目標プレートに焦点を合わせ、正しく揃えると、像が平行な直線の組を刻み付けた枠で囲まれる。
操作は次のようになる。
バートはこの機器を何年もの間改良し、色々な組織から、その技術が 単純、荒削り、廉価、信頼でき、そして正確であるとして賞を勝ち得、 19 世紀から 20 世紀の測量技師により使用された。 1851 年に彼は ロンドン万国博覧会 (Great Exibition World's Fair in London) に 彼の最新版を展示した。そこで学者の ジョン・ハーシェルにより調べられ、推奨された。 バートは彼のコンパス機器のデザインによって博覧会で賞を受理した。 彼は次に、イングランド、ロンドンのハイド・パークで、 1851 年 10 月 15 日に、 皇太子 (prince of wales) の アルバート・エドワードによる賛辞と共に、 「天文機器」 (Astronomical Instruments) の審査員により、 彼のもっと単純で、もっと正確なバージョンに対して別の賞を獲得した。
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この機器は、大きな鉄鉱石の鉱床による磁場異常がある場所で、 当時の普通のコンパスでは、非常に変わりやすく、信頼できない測定をなくすために発明された。 機器はとても正確であることが判明したため、米国政府により、公有地, 州の境界, 鉄道ルートの測量用に明記された。 バートの機器は米国公有地の 75% 近く ―― 10 億エイカーに近い ―― を測量するために使用された。 これは一般に値段が安く、測量が高精度であったため、政府は何百万ドルも節約した。 これは多くの州の鉱山地帯を測量し、これにミシガン州, ミネソタ州, アーカンソー州, そしてコロラド州がある。 土地の一区画を測量するためのプロジェクトの支出は、 彼の発明以前にかかった費用のほんの一部分であった。 比較の実例にはアイオワ州とミネソタ州の間の境界があり、 以前には古い方式の機器を使用して、$120/マイル ($75/km) で測量したが、 バートのソーラー・コンパスでは、たった $15/マイル ($9.3/km) であった。