Làm sao định được kinh tuyến và vĩ tuyến

Ngày nay ai cũng dùng GPS để tìm đường hay tìm nhà, nhưng ít ai biết là GPS kết hợp thông tin từ vệ tinh với hệ thống tọa độ kinh tuyến (longitude) và vĩ tuyến (latitude) có từ xưa để định vị trí của tất cả các nơi chốn.

Vĩ tuyến và kinh tuyến 

Vĩ tuyến và kinh tuyến là những đường tưởng tượng được đặt lên bản đồ thế giới để định vị trí các nơi. Đường chuẩn cho vĩ tuyến là xích đạo. Xích đạo là một đường tưởng tưởng kẻ vòng quanh trái đất và cách đều hai cực Bắc và Nam. Xích đạo chia trái đất là hai phần: Bắc Bán Cầu và Nam Bán Cầu.

Vĩ tuyến là những đường song song với xích đạo và tính theo góc đối với xích đạo và đo từ trung tâm trái đất. Vĩ tuyến của những điểm trên xích đạo là 0 độ. Trên Bắc Bán Cầu thì càng lên phía Bắc thì vĩ tuyến càng lớn hơn. Bắc cực ở vĩ tuyến 90 độ Bắc. Dưới Nam Bán Cầu thì ngược lại, càng đi về phía Nam Cực thì vĩ tuyến càng lớn.

Để phân biệt vĩ tuyến ở Bắc và Nam Bán Cầu người ta thêm chữ Bắc hay Nam. Thí dụ, người Việt Nam chắc ai cũng biết là sông Bến Hải ở vĩ tuyến 17 Bắc đã làm ranh giới chia đôi đất nước Việt Nam từ 1954 tới 1975.

Kinh tuyến là những đường kẻ từ Bắc Cực tới Nam Cực và thẳng góc với xích đạo. Đường kinh tuyến qua Greenwich, Anh Quốc, được định là kinh tuyến gốc (prime meridian). Các kinh tuyến khác được định từ góc đối với kinh tuyến gốc. Những điểm trên kinh tuyến gốc thì có kinh tuyến là 0 độ. Từ đó đi về phía Đông thì được gọi là kinh tuyến Đông và đi về phía Tây thì được gọi là kinh tuyến Tây, cho tới 180 độ, tức là đường đối diện với kinh tuyến gốc.

Nói tới tọa độ của một điểm thì người ta dùng chữ vĩ độ và kinh độ. Thí dụ Sài Gòn có tọa độ là 10.823 vĩ độ Bắc và 106.629 kinh độ Đông.

Ai phát minh ra vĩ tuyến và kinh tuyến 

Vào thế kỷ thứ 3 Trước Công Nguyên, ông Eratosthenes, người Hy Lạp đã đề nghị dùng một hệ thống các đường song song, một theo hướng Đông Tây và một theo hướng Bắc Nam cho việc vẽ bản đồ. Một thế kỷ sau, ông Hipparchus, cũng người Hy Lạp, áp dụng và cải tiến thêm hệ thống của ông Eratosthenes để định vị các điểm trên mặt đất. Ông là người đầu tiên nhận ra là kinh tuyến có thể xác định được nếu biết thời giờ một cách chính xác.

Cách xác định vĩ tuyến 

Có thể định vĩ độ bằng mặt trời hay các ngôi sao. Nếu bạn đứng ở xích đạo vào ngày Xuân Phân (khoảng 20 Tháng Ba) hay Thu Phân (khoảng 22 Tháng Chín) thì đúng trưa mặt trời sẽ ở ngay thẳng trên đỉnh đầu. Nếu bạn đứng ở một nơi phía trên xích đạo thì mặc dù đúng trưa mặt trời sẽ không ở ngay đỉnh đầu mà hơi nghiêng qua một phía. Càng lên phía Bắc thì độ nghiêng càng lớn. Đo độ cao của mặt trời lúc chính ngọ thì biết được góc nghiêng và sẽ suy ra được vĩ độ chỗ bạn đứng. Ngày xưa người ta dùng một dụng cụ gọi là thước trắc tinh (astrolabe) để đo độ cao của mặt trời hay của các thiên thể khác, cũng có thể dùng kính lục phân (sextant).

Thí dụ ở trên dùng cho ngày Thu hay Xuân Phân, áp dụng cho những ngày khác thì không đúng vì sự chuyển động của trái đất. Thí dụ ngày Hạ Chí thì mặt trời ở vào điểm 23.45 độ Bắc lúc đúng ngọ. Do đó người xưa đã làm ra một bảng cho biết mỗi ngày độ lệch là bao nhiêu và dân đi biển phải dùng bảng đó để điều chỉnh vĩ độ cho chính xác.

Một phương pháp khác để định vĩ độ là dùng sao Bắc Đẩu. Vì vị trí của sao Bắc Đẩu trùng với trục quay của trái đất nên sao Bắc Đẩu coi như là không di chuyển và ở ngay chính Bắc. Nếu ở xích đạo thì sao Bắc Đẩu ở chân trời (cao độ 0) và nếu ở Bắc Cực thì sao Bắc Đẩu ở ngay trên đỉnh đầu (cao độ 90 độ). Như vậy bất cứ ở nơi nào trên Bắc Bán Cầu, dùng thước trắc tinh nhắm vào sao Bắc Đầu là biết cao độ của sao như vậy cũng biết vĩ độ chỗ đang đứng.

Phương pháp này dùng ban đêm lúc nào cũng được không phải một khoảng thời gian nhất định như phương pháp mặt trời, miễn là thấy được sao Bắc Đẩu. Vì ở Nam Bán Cầu thì không thấy sao Bắc Đẩu nên không dùng phương pháp này được.

Cách xác định kinh tuyến 

Vì không thể chỉ dùng vị trí của mặt trời hay các vị sao để định vị nên xác định kinh tuyến khó hơn xác định vĩ tuyến rất nhiều, nhất là ngoài biển khơi. Các thuyền bè hồi xưa phải dùng phương pháp đoán định vị trí (dead reckoning), tức là dùng hướng đi và vận tốc của tàu để định vị trí tàu. Phương pháp này không chính xác vì gió và luồng nước có thể làm lệch hướng đi. Mỗi ngày có thể sai một ít, nhưng đi cả tháng ngoài biển thì độ sai rất lớn, có thể gây nguy hiểm.

Vào các thế kỷ 16 và 17 các nước bên Âu Châu có những đội hàng hải rất lớn về cả thương mại lẫn quân sự nên rất cần có một phương pháp định vị chính xác.

Năm 1567, vua Philip II của Tây Ban Nha treo giải thưởng 7,000 đồng tiền vàng (ducat) và 2,000 ducat mỗi năm cho ai có phương pháp cụ thể định vị ngoài biển được. Hơn 30 năm sau vẫn chưa ai đoạt được giải thưởng và vua Philip III lại tăng tiền thưởng lên.

Năm 1636, Hòa Lan cũng treo giải vì khi đó Hòa Lan đã có mặt trong những vụ thương mại cũng như đi mở mang thuộc địa. Trong hơn một thế kỷ nhiều nhà khoa học, kể cả nhà bác học nổi tiếng Galileo, đã đưa ra nhiều giải pháp. Nhưng không có cái nào thực dụng hết.

Anh và Pháp tham gia vào thị trường buôn bán gia vị và đi chiếm thuộc địa muộn hơn Tây Ban Nha, nên đến đầu thế kỷ thứ 18 mới thấy cần một phương pháp định vị ngoài biển. Năm 1714 chính phủ Anh treo giải 20,000 Bảng Anh (khoảng $6 triệu bây giờ) cho ai tìm được phương pháp định kinh tuyến chính xác trong vòng nửa độ ngoài biển. Năm 1715, Viện Hàn Lâm Pháp hứa cho một giải Prix Rouillés cho ai giải quyết được bài toán giao thông hàng hải.

Nguyên tắc để định kinh tuyến khá đơn giản. Vì trái đất quay một vòng mất 24 giờ, nên mỗi 15 độ kinh tuyến tương đương với sự khác biệt một giờ đồng hồ. Thí dụ nếu người lái tàu biết giờ ở tàu mình sớm hơn giờ ở bến hai tiếng đồng hồ thì biết là tàu mình ở kinh tuyến 30 độ Đông của bến tàu.

Vấn đề mấu chốt ở đây là biết giờ ở cả hai chỗ. Hồi xưa không có đồng hồ chính xác. Đồng hồ con lắc khá chính xác nhưng không thể dùng trên tàu vì sự lắc lư của con tàu. Thủy thủ trên tàu có thể biết giờ hiện tại bằng cách quan sát mặt trời, nhưng không thể biết giờ ở bến cảng.

Suốt trong mấy thế kỷ các nhà khoa học ở Âu Châu đã đưa ra nhiều giải pháp như dùng mặt trăng để đo thời gian, nhưng không có giải pháp nào thực dụng. Cuối cùng một ông thợ mộc đã giải quyết được vấn đề.

Ông thợ mộc John Harrison, người xứ Yorkshire, đã chế tạo ra một đồng hồ chắc chắn, chính xác và có thể dùng trên tàu thủy. Năm 1773 ông được Quốc Hội Anh trao giải thưởng về giao thông hàng hải. (Hà Dương Cự)

—–
Nguồn tài liệu: https://en.wikipedia.org; www.thegreenwichmeridian.org; Mark Denny, The Science of Navigation: from dead reckoning to GPS, The John Hopkins University Press, 2012