経緯度観測機器

日本の三角点の経緯度は東京の原点を基準にして三角測量で求められ測地経緯度とされていましたが、1892年(明治25)に日本経緯度原点が設定されるまでは天体観測による天文測量で要所々々の経緯度が決定されました。これを天文経緯度といいます。天文経緯度は三角測量に必要とする経緯度原点を設定するときに用いられましたが三角測量が本格的に開始されてからは地図作成のためよりも、むしろ鉛直線偏差の算出など測地学の分野で使用されました。

一方、海洋で航行中の船舶では陸地のように目標が得られませんから天体観測によって自船の位置を知ることは航法(ナビゲーション)上、必要不可欠なものでした。天体観測によって経緯度を測定する技術は航海の分野で開発が盛んに行われました。しかし日本では陸地を遠く離れた外洋での航行は10世紀はじめに廃止された遣唐使船やその後の倭寇(わこう)や朱印船がありましたが当時の航法は分かりません。江戸時代になって航法技術も西欧から伝来されました。



国立天文台の経緯度観測機器

天文経緯度を測定するためには子午儀、子午環、天頂儀、天文経緯儀などの望遠鏡があります。普通の望遠鏡は広い天空のどこでも観測できますが子午儀と子午環は真北方向から天頂を通って真南方向の天空の子午線しか観測することができません。子午儀は天体の南中時刻に観測地点の経度を求められ経度既知であれば天体の赤経を求められます。回転軸は東西に配置し、駆動は南北方向のみで高度目盛も簡単なものです。子午環は天体の南中時刻を正確に測ると同時に天体の高度を測り基本星表のデータとするもので駆動は南北方向のみで高度目盛は大きなものがついています。南北の校正のため離れた位置に子午線標があります。天頂儀は恒星の天頂距離の差を測定し観測地点の緯度をタルコット方式で求める望遠鏡です。駆動は垂直面、水平面とも可能で水平目盛、高度目盛ともあります。望遠鏡は接眼部を180度回転させなければならないので水平軸の中心に置かれていません。天文経緯儀は測定地点の経緯度を能率的に求めるもので駆動は垂直面、水平面とも可能で水平目盛、高度目盛ともあります。

国立天文台の子午環は1903年(明治36)のフランスのゴーチェ社(Ferdinand Paul Gautier)製で当時2万円(現価格4億円程度か)で購入され、1924年(大正13)東京天文台が麻布から三鷹に移ってのちに本格的に稼動したものですが1982年(昭和57)以降はつかわれていません。このゴーチェ子午環は、観測時に子午環の南北100メートル先に子午線標を設置する必要があり、もともと麻布の狭い敷地で使用することには無理がありました。

子午儀のほうは、ドイツのレプソルド社(A. Repsold & Sohne、Sohneのoにはウムラウト付き)で製作され、麻布の海軍観象台でつかわれていました。口径13.5センチメートルありレプソルド大子午儀と呼ばれていました。その後、東京天文台に移管され、さらに三鷹に移され第二次戦後しばらくまで使用されていましたが現在はつかわれていません。レプソルド大子午儀は天体の位置観測を行い、成果として日本ではじめての本格的な星表、「三鷹黄道帯星表」、「三鷹赤道帯星表」が出版されています。かつて麻布の天文台にはメルツ・レプソルド(Mertz-Repsold)子午環と呼ばれた口径14.3センチメートルの望遠鏡がありましたが1923年(大正12)の関東大震災の際に大破崩壊しました。三鷹で保管されているレプソルド大子午儀とはべつの望遠鏡で現在は跡形もありません。2011年(平成23)ゴーチェ子午環とレプソルド大子午儀は、ほかの機器、施設とともに国の重要文化財に指定されています。

天文経緯儀は国立天文台三鷹キャンパスと同水沢観測所でも所蔵されており説明板にはそれぞれ子午儀、子午環とありましたが誤りでのちに1875年頃の英国トロートン・シムス(Troughton & Simms)社の 天文経緯儀と判明しました。また大砲のような子午儀は1944〜1955年頃まで時刻決定に用いられていました。ドイツのカール・バンベルヒ(Carl Bamberg)社製で製造年代は不明ですが「No.7959 Carl Bamberg Fridenau Berlin」の刻印があります。[中桐正夫:国立天文台最古といわれた1875年製望遠鏡の物語 天文月報 Vol.101 No9 日本天文学会 2008.9 p535−542]

国立科学博物館にも天文経緯儀が収蔵されています。フランス、バルブレック社製(Balbreck aine Consteur a Paris)、9インチ天文経緯儀です。収納箱に墨で「第壹號 佛製九吋経緯儀 陸地測量部」と書かれています。この経緯儀とまったく同じものが京都大学にありますが横浜の商社 Fabre & Brandt を通して参謀本部測量課に入り、その後1890年(明治23)に文部省から第三高等中学校に寄贈されました。国立科学博物館所蔵のものはその片割れ(もう一台別の機器)と思われます。[永平幸雄、川合葉子:近代日本と物理実験機器 京都大学学術出版会 2001 p294−295]

水路部の経緯度観測機器

海軍の水路部では海図作成のため古くから天文観測を行い経緯度を決定していました。また自船の位置を知るためにも天文観測は不可欠でした。そのため明治中期には陸軍にさきがけ東京に海軍観象台を設置し現在の国立天文台の基礎を固めました。現在は天文観測の役割は終わり人工衛星を利用した航法測地が主になっています。海上保安庁海洋情報部には多くの観測機器が保管されていますが、そのうち子午儀、天測計算器、天文経緯儀の展示をみることができました。

「子午儀」はドイツのアスカニア社製の口径90ミリメートルです。製造年は不明ですが1921年(大正10)頃と思われます。主に経度を精密に決定するため使用されました。子午線方向にのみ望遠鏡が回転する構造になっており特定の天体が南中する時刻から経度を求めたり赤経が既知の天体が子午線を通過する時刻を観測して経度を決定します。

「天測計算器」と呼ばれものは1941年(昭和16)測機舎製です。方位角高度角の観測値をセットして赤緯、時角(天体が日周運動で子午線を通過後に進行した角度)を読みとること、またその逆も可能です。数値を変換するだけでこの機器で観測するわけではありません。第二次大戦末期に潜水艦に配布されました。[朝尾紀幸:観測機器が伝える歴史 天測計算器 季刊「水路」第148号 日本水路協会 2009.1 p19]

「天文経緯儀」は1970年(昭和45)スイスのケルン社製です。測定地点の経緯度を能率的に求めるもので駆動は垂直面、水平面とも可能で水平目盛、高度目盛ともあります。

クロノメーター

クロノメーター(マリンクロノメーター、経線儀とも)はきわめて正確な時計で時計の示す時刻と天体の位置によって経度を測定するのに用いられます。時間で4秒の狂いが経度1分に相当するので高度な精密さが要求されます。クロノメーターはゼンマイ駆動の時計ですが航海中の姿勢差や温度差による変動を少なくする設計がされています。船が傾いても本体は直角方向のジンバル(Gimbal)2軸で支えられており常に水平に保たれます。クロノメーターは天文観測による経度測定のため陸上でもよく使用されていました。18世紀になって高性能のクロノメーターが出現するまで船舶では砂時計もつかわれました。

クロノメーターは18世紀中頃、英国のハリソンによって考案され温湿度変化のすくない金属を用い一日に±0.1秒の精度でした。航海では3個べつべつに木箱にいれたクロノメーターをつかい誤差補正をしました。また2、3日間に一回、ゼンマイを巻く必要がありました。クロノメーターは現在、使われることはありません。

国立天文台水沢観測所内の木村榮記念館の展示物は写真左はナルダン社(Ulysee Nardin)製1907年(明治40)購入、右がシュオブ社(Schowob Freres、現CYMA)1912年(大正1)購入、ともにスイス製です。両メーカーはまだ時計製造業として健在です。写真中と下は国立天文台三鷹キャンパス内の展示物でコンスタンタン社(Vacheron Constantin)製ですが製造年は不明です。同社は、いまもスイスの最高級時計製造業として有名です。

写真上のクロノメーターは米ネガス社(T.S.&J.D. Negus)製で1957年(昭和32)頃に海上保安庁下里水路観測所に設置されていたものです。船舶用ですが陸上で天文観測につかわれていました。写真中、下のクロノメーターはいずれもスイス、ナルダン社(Ulysee Nardin)製です。写真中は大阪市立科学館展示のもので下は日露戦争の日本海戦当時活躍した戦艦「三笠」に搭載されたものは横須賀市にある記念艦「三笠」に展示されています。長い間、故障のまま放置されていましたが2009年(平成21)に銀座の天賞堂創業130周年事業として製造元のナルダン社で修理されたものです。

ハリソンのクロノメーター

15世紀から17世紀前半の大航海時代には航海の増加拡大とともに海難事故が多発するようになり船舶の位置を把握するため精密な緯度や経度の測定法が求められました。緯度は六分儀などによる天体の位置測定で容易に求められますが正確な経度は測定困難でした。

1707年10月シャベル提督(Cloudesley Shovell 1650〜1707 )の率いる艦隊、旗艦アソシエーション号はじめ5隻はジブラルタルでフランス艦隊をやぶり帰還途中、英国南西端のランズエンド岬の先のシリー諸島の岩場で座礁しました。5隻のうち4隻まで沈没し乗組員2000人が亡くなりました。生きて岸にたどり着いたのはシャベル提督とほか一名だけでした。この海難事故の原因はシリー諸島付近の経度を読み誤っていたからです。余談になりますがこの遭難を見つけた地元の女性がひん死の提督が指にはめていたエメラルドの指輪を略奪し、命を奪ってしまいました。このことは女性の死の直前、牧師に告白したそうです。

ともあれこの海難事故をきっかけとして経度の正確な測定は国家の最優先課題となり1714年には英国議会では高精度で経度を測定できる方法の考案に懸賞金を与えるという経度法(Longitude Act)が制定されました。英国・ 西インド諸島間の航海で経度誤差が1度以内ならば1万ポンド、40分以内なら1万5千ポンド、30分以内なら2万ポンドの懸賞金を与えるというものでした。

ニュートン(Isaac Newton 1643〜1727)やハレー(Edmond Halley 1656〜1742、第2代王立天文台長)などをメンバーとする経度評議員会を設立しましたが結論としては「月距法」の改良という課題のほか海上の揺れの中でも秒単位の精度が確保される時計があれば正しい経度が測定できることを明らかにしました。正確な時計を用いる測定法は船舶が出港時に母港の時間に時計を合わせ、その時計が正午を指したときの太陽の高度を測定することで経度が測定できるという原理です。

英国の時計職人であったハリソン(John Harrison 、1693〜1776)はハレ―の助言も得て、1735年まずH1型(1世代目)といわれる船舶用時計を完成させました。木製の歯車で重さは34キログラム、一辺1.2メートル立方の箱に納めたものでした。これをもとに1736年には経度評議員会から開発資金を得て、つぎつぎ改良した時計を考案しました。つぎのH2型は真鍮製で39キログラムありました。この頃からハリソンは息子のウイリアムとともに開発に専念し1757年になってH3型を完成させました。温度変化に対応できるもので重さも27キログラム、大きさは高さ60、幅30センチメートルで小型化をはかっています。ハリソンによる時計の開発と並行して月距法の改良も、のちに第5代王立天文台長になるマスケリン(Nevil Maskelyne 1732〜1811)より行われハリソンの最大のライバルになっていました。しかし計算に数時間かかるという欠点もありました。

1761年にはH4型(4世代目)といわれる携帯用の時計が完成し実航海で正確さの立証されました。しかしH4型が偶然の産物でないことを立証するために経度評議員会は時計職人のケンドール(Larcum Kendall 1721〜1795)に正確な複製を作らせることになりました。複製品はK1型と呼ばれましたが経度評議員会はH4型と同等と判断しクック(James Cook 1728〜1779)の太平洋航海で検証されることになりました。

しかしこの時点では異論などあり懸賞金の一部しか授与されませんでしたが、さらに改良したH5型を1772年、国王隣席のもとで実験し最終的に賞金全額を獲得しました。そのごクロノメーターは時計職人のマッジ(Thomas Mudge 1715〜1794、アーノルド(John Arnold 1736〜1799)、アーンショウ(Thomas Earnshaw 1749〜1829)などによって改良され大量に生産されるようになりました。[デーヴァ・ソベル著・藤井留美訳:経度への挑戦 角川文庫 2010 p1−212]

1971年に南大西洋の英国領アセンションで発行された切手にはハリソンのH1型がまた1969年に南太平洋の英国領ピトケアン島で発行された切手にはケンドールの1771年製H2型のクロノメーターが描かれています。ピトケアン島は1789年に起こったバウンティ号の反乱の際、乗組員が持ちだしピトケアン島に保管されていたもので"The Bounty Chronometer"と呼ばれています。現在、同種のものがグリニッジの国立海事博物館にあります。また1993年英国で発行されたハリソン生誕300年記念切手4種にはH4型クロノメーターが図案になっています。内部構造や装飾までわかります。


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