Umagrade naTerra como umaesfera ou umelipsoide. As linhas de polo a polo são linhas de longitude constante, oumeridianos. Os círculos paralelos aoEquador são círculos de latitude constante, ouparalelos. A grade mostra a latitude e a longitude dos pontos na superfície. Neste exemplo, os meridianos estão espaçados a intervalos de 6° e os paralelos a intervalos de 4°.
Devido àrotação da Terra, há uma conexão próximaentre longitude e a medição do tempo. O tempolocal cientificamente preciso varia com a longitude: uma diferença de 15° de longitude corresponde a uma diferença de uma hora no horário local, devido à posição diferente em relação ao Sol. Comparar o tempo local com uma medida absoluta de tempo permite determinar a longitude. Dependendo da era, o tempo absoluto pode ser obtido de um evento celestial visível de ambos os locais, como um eclipse lunar, ou de um sinal de tempo transmitido por telégrafo ou rádio. O princípio é simples, mas na prática encontrar um método confiável para determinar a longitude levou séculos e exigiu o esforço de algumas das maiores mentes científicas.
A posição norte–sul de um local ao longo de um meridiano é dada pela sualatitude, que é aproximadamente o ângulo entre oplano equatorial e anormal do solo naquele local.
O conceito de longitude foi desenvolvido pela primeira vez por astrônomos gregos antigos.Hiparco (século II a.C.) usou um sistema de coordenadas que assumia uma Terra esférica e a dividiu em 360° como fazemos até hoje. Seumeridiano principal passava porAlexandria.[3]:31 Ele também propôs um método para determinar a longitude comparando o tempo local de umeclipse lunar em dois lugares diferentes, demonstrando assim uma compreensão da relação entre longitude e tempo.[4]Cláudio Ptolemeu (século II d.C.) desenvolveu um sistema de mapeamento usando paralelos curvos que reduziam a distorção. Ele também coletou dados para muitos locais, da Grã-Bretanha ao Oriente Médio. Ele usou um meridiano principal através das Ilhas Canárias, para que todos os valores de longitude fossem positivos. Embora o sistema de Ptolemeu fosse sólido, os dados que ele usava frequentemente eram ruins, levando a uma superestimação grosseira (em cerca de 70%) do comprimento do Mediterrâneo.[5][6]:551–553[7]
Após a queda do Império Romano, o interesse pela geografia declinou muito na Europa.[8]:65 Astrônomos hindus e muçulmanos continuaram a desenvolver essas ideias, adicionando muitos novos locais e muitas vezes melhorando os dados de Ptolemeu.[9][10] Por exemplo,al-Battānī usou observações simultâneas de dois eclipses lunares para determinar a diferença de longitude entreAntakya eRaqqa com um erro de menos de 1°. Isso é considerado o melhor que pode ser alcançado com os métodos então disponíveis: observação do eclipse a olho nu, e determinação do tempo local usando umastrolábio para medir a altitude de uma "estrela do relógio" adequada.[11][12]
Na Idade Média tardia, o interesse pela geografia reviveu no Ocidente, à medida que as viagens aumentaram, e a erudição árabe começou a ser conhecida por meio do contato com a Espanha e o Norte da África. No século XII, tabelas astronômicas foram preparadas para várias cidades europeias, com base no trabalho deal-Zarqālī emToledo. O eclipse lunar de 12 de setembro de 1178 foi usado para estabelecer as diferenças de longitude entre Toledo,Marselha eHereford.[13]:85
Cristóvão Colombo fez duas tentativas de usar eclipses lunares para descobrir sua longitude, a primeira naIlha de Saona, em 14 de setembro de 1494 (segunda viagem), e a segunda naJamaica em 29 de fevereiro de 1504 (quarta viagem). Presume-se que ele tenha usado tabelas astronômicas como referência. Suas determinações de longitude mostraram grandes erros de 13° e 38° W, respectivamente.[14] Randles (1985) documenta medições de longitude pelos portugueses e espanhóis entre 1514 e 1627 nas Américas e na Ásia. Os erros variaram de 2° a 25°.[15]
O telescópio foi inventado no início do século XVII. Inicialmente um dispositivo de observação, desenvolvimentos ao longo do meio século seguinte o transformaram em uma ferramenta de medição precisa.[16][17] Orelógio de pêndulo foi patenteado porChristiaan Huygens em 1657[18] e proporcionou um aumento de precisão de cerca de 30 vezes em relação aos relógios mecânicos anteriores.[19] Essas duas invenções revolucionariam a astronomia observacional e a cartografia.[20]
Em terra, o período desde o desenvolvimento de telescópios e relógios de pêndulo até meados do século XVIII viu um aumento constante no número de lugares cuja longitude havia sido determinada com precisão razoável, muitas vezes com erros de menos de um grau, e quase sempre dentro de 2° a 3°. Na década de 1720, os erros eram consistentemente inferiores a 1°.[21] No mar durante o mesmo período, a situação era muito diferente. Dois problemas mostraram-se intratáveis. O primeiro foi a necessidade de um navegador para resultados imediatos. O segundo foi o ambiente marinho. Fazer observações precisas em uma ondulação oceânica é muito mais difícil do que em terra, e relógios de pêndulo não funcionam bem nessas condições.
Em resposta aos problemas de navegação, uma série de potências marítimas europeias ofereceram prêmios por um método para determinar a longitude no mar. O mais conhecido é oLongitude Act, aprovado pelo parlamento britânico em 1714.[22]:8 Ofereceu dois níveis de recompensas, para soluções dentro de 1° e 0,5°. As recompensas foram concedidas para duas soluções: distâncias lunares, tornadas práticas pelas tabelas deTobias Mayer[23] desenvolvidas em umalmanaque náutico peloAstrônomo RealNevil Maskelyne; e pelos cronômetros desenvolvidos pelo carpinteiro e relojoeiro de YorkshireJohn Harrison. Harrison construiu cinco cronômetros ao longo de mais de três décadas. Este trabalho foi apoiado e recompensado com milhares de libras do Board of Longitude,[24] mas ele lutou para receber dinheiro até o prêmio máximo de £ 20 000, recebendo finalmente um pagamento adicional em 1773 após a intervenção do parlamento.
Levou algum tempo até que qualquer um dos métodos fosse amplamente usado na navegação. Nos primeiros anos, os cronômetros eram muito caros, e os cálculos necessários para as distâncias lunares ainda eram complexos e demorados. As distâncias lunares começaram a ser amplamente utilizadas após 1790.[25] Os cronômetros tinham a vantagem de que tanto as observações quanto os cálculos eram mais simples, e à medida que se tornaram mais baratos no início do século XIX, começaram a substituir os lunares, que raramente eram usados após 1850.[26]
Os primeirostelégrafos funcionais foram estabelecidos na Grã-Bretanha porWheatstone eCooke em 1839, e nos EUA porMorse em 1844. Rapidamente percebeu-se que o telégrafo poderia ser usado para transmitir um sinal de tempo para a determinação da longitude.[27] O método logo foi usado na prática para a determinação da longitude, especialmente na América do Norte, e em distâncias cada vez maiores à medida que a rede telegráfica se expandia, incluindo a Europa Ocidental com a conclusão dos cabos transatlânticos. O United States Coast Survey, renomeado comoUnited States Coast and Geodetic Survey em 1878, foi particularmente ativo nesse desenvolvimento, e não apenas nos Estados Unidos. O Survey estabeleceu cadeias de locais mapeados através da América Central e do Sul, e das Índias Ocidentais, e até o Japão e a China nos anos de 1874 a 1890. Isso contribuiu grandemente para o mapeamento preciso dessas áreas.[28][29]
Embora os marinheiros se beneficiassem dos gráficos precisos, eles não podiam receber sinais telegráficos enquanto navegavam, e portanto não podiam usar o método para navegação. Isso mudou quando a telegrafia sem fio (rádio) se tornou disponível no início do século XX.[30] Sinais de tempo sem fio para uso de navios foram transmitidos deHalifax, Nova Escócia, a partir de 1907[31] e daTorre Eiffel em Paris a partir de 1910.[32] Esses sinais permitiram que os navegadores verificassem e ajustassem seus cronômetros com frequência.[33]
Os sistemas denavegação por rádio entraram em uso geral após aSegunda Guerra Mundial. Todos os sistemas dependiam de transmissões de balizas de navegação fixas. Um receptor a bordo calculava a posição do navio a partir dessas transmissões.[34] Eles permitiam uma navegação precisa quando a má visibilidade impedia as observações astronômicas e se tornaram o método estabelecido para o transporte marítimo comercial até serem substituídos peloGPS no início dos anos 1990.
Os principais métodos para determinar a longitude estão listados abaixo. Com uma exceção (declinação magnética) todos dependem de um princípio comum, que era determinar um tempo absoluto a partir de um evento ou medição e comparar o tempo local correspondente em dois locais diferentes.
Distâncias lunares. Em sua órbita ao redor da Terra, a Lua se move em relação às estrelas a uma taxa de pouco mais de 0,5°/hora. O ângulo entre a Lua e uma estrela adequada é medido com umsextante e (após consultar tabelas e cálculos demorados) fornece um valor para o tempo absoluto.
Satélites de Júpiter.Galileu propôs que, com conhecimento suficientemente preciso das órbitas dos satélites, suas posições poderiam fornecer uma medida de tempo absoluto. O método requer um telescópio, pois as luas não são visíveis a olho nu.
Conjunções, ocultações e eclipses. Umaconjunção é a menor distância aparente entre dois objetos (a Lua, uma estrela ou um planeta); umaocultação ocorre quando uma estrela ou planeta passa por trás da Lua — essencialmente um tipo de eclipse. Eclipses lunares continuaram a ser usados. Os tempos de qualquer um desses eventos podem ser usados como medida do tempo absoluto.
Cronômetros. Um relógio é ajustado para o tempo local de um ponto de partida cuja longitude é conhecida, e a longitude de qualquer outro local pode ser determinada comparando seu tempo local com o tempo do relógio.
Declinação magnética. Uma agulha de bússola geralmente não aponta exatamente para o norte. Avariação do norte verdadeiro varia com a localização, e foi sugerido que isso poderia fornecer uma base para a determinação da longitude.
Com exceção da declinação magnética, todos provaram métodos práticos. Desenvolvimentos em terra e no mar, no entanto, foram muito diferentes.
A longitude em um ponto pode ser determinada calculando a diferença de tempo entre a sua localização e oTempo Universal Coordenado (UTC). Como há 24 horas em um dia e 360 graus em um círculo, o sol se move pelo céu a uma taxa de 15 graus por hora (360° ÷ 24 horas = 15° por hora). Portanto, se ofuso horário de uma localização estiver três horas à frente do UTC, essa localização está próxima de 45° de longitude (3 horas × 15° por hora = 45°). A palavrapróxima é usada porque o ponto pode não estar no centro do fuso horário; também os fusos horários são definidos politicamente, de modo que seus centros e limites frequentemente não se situam em meridianos múltiplos de 15°. Para realizar este cálculo, no entanto, é necessário umcronômetro (relógio) ajustado para o UTC e é necessário determinar o tempo local por observação solar ou astronômica. Os detalhes são mais complexos do que descrito aqui: veja os artigos sobreTempo Universal e sobre aequação do tempo para mais detalhes.
A longitude é dada como umamedida angular com 0° noMeridiano Principal, variando de −180° a oeste até +180° a leste. A letra grega λ (lambda)[35][36] é usada para denotar a localização de um lugar na Terra a leste ou oeste do Meridiano Principal.
Cada grau de longitude é subdividido em 60minutos, cada um dos quais é dividido em 60segundos. Uma longitude é, portanto, especificada em notaçãosexagesimal como, por exemplo, 23° 27′ 30″ E. Para maior precisão, os segundos são especificados com umafração decimal. Uma representação alternativa usa graus e minutos, e partes de um minuto são expressas em notação decimal, assim: 23° 27.5′ E. Os graus também podem ser expressos como uma fração decimal: 23.45833° E. Para cálculos, a medida angular pode ser convertida pararadianos, de modo que a longitude também pode ser expressa desta forma como uma fração assinada deπ (pi), ou uma fração não assinada de 2π.
Para cálculos, o sufixo Oeste/Leste é substituído por um sinal negativo nohemisfério ocidental. A convenção padrão internacional (ISO 6709)—de que o Leste é positivo—é consistente com um sistema decoordenadas cartesianas com a mão direita, com o Polo Norte para cima. Uma longitude específica pode então ser combinada com uma latitude específica (positiva nohemisfério norte) para dar uma posição precisa na superfície da Terra. Confusamente, a convenção de negativo para o Leste às vezes também é vista, mais comumente nosEstados Unidos; oEarth System Research Laboratories usava em uma versão anterior de uma de suas páginas, para "tornar a entrada de coordenadas menos complicada" para aplicações confinadas aohemisfério ocidental. Eles desde então mudaram para a abordagem padrão.[37]
A longitude ésingular nosPolos e cálculos que são suficientemente precisos para outras posições podem ser imprecisos nos Polos ou próximos a eles. Além disso, adiscontinuidade no meridiano de ±180° deve ser tratada com cuidado nos cálculos. Um exemplo é um cálculo de deslocamento leste subtraindo duas longitudes, o que dá a resposta errada se as duas posições estiverem de um lado ou de outro deste meridiano. Para evitar essas complexidades, algumas aplicações usam outrarepresentação de posição horizontal.
O comprimento de um grau de longitude (distância leste-oeste) depende apenas do raio de um círculo de latitude. Para uma esfera de raioa esse raio na latitudeφ éacosφ, e o comprimento de um arco de um grau (ouπ/180radiano) ao longo de um círculo de latitude é
φ
Δ1 lat
Δ1 long
0°
110,574 km
111,320 km
15°
110,649 km
107,551 km
30°
110,852 km
96,486 km
45°
111,133 km
78,847 km
60°
111,412 km
55,800 km
75°
111,618 km
28,902 km
90°
111,694 km
0,000 km
Quando a Terra é modelada por umelipsoide esse comprimento de arco se torna[38][39]
ondee, a excentricidade do elipsoide, está relacionada aos eixos maior e menor (os raios equatorial e polar respectivamente) por
cosφ diminui de 1 no equador para 0 nos polos, o que mede como os círculos de latitude encolhem do equador para um ponto no polo, portanto o comprimento de um grau de longitude diminui da mesma forma. Isso contrasta com o pequeno aumento (1%) nocomprimento de um grau de latitude (distância norte-sul), do equador ao polo. A tabela mostra ambos para o elipsoideWGS84 coma = 63 78 137,0 m eb = 6 356 752,314 2 m. A distância entre dois pontos a 1 grau de distância no mesmo círculo de latitude, medida ao longo desse círculo de latitude, é ligeiramente maior do que a distância mais curta (geodésica) entre esses pontos (a menos que estejam no equador, onde essas são iguais); a diferença é menor que 0,6 m (2 pé).
Uma milha geográfica é definida como o comprimento de umminuto de arco ao longo do equador (um minuto equatorial de longitude), portanto, um grau de longitude ao longo do equador é exatamente 60 milhas geográficas ou 111,3 quilômetros, pois há 60 minutos em um grau. O comprimento de 1 minuto de longitude ao longo do equador é de 1 milha geográfica ou 1,855 km ou 1,153 milhas, enquanto o comprimento de 1 segundo é de 0,016 milha geográfica ou 30,916 m ou 101,43 pés.
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