Рауль Ибаньес - Том 26. Мечта об идеальной карте. Картография и математика

Гидрографическая служба США использовала гномоническую проекцию при создании подобных карт всех океанов. Ее примеру при составлении карт следуют гидрографические службы многих других стран, а в учебниках по навигации объясняются методы прокладки курса «вдоль больших кругов» и алгоритмы расчета расстояний по навигационным картам в гномонической проекции.

Карты для морской и воздушной навигации должны обладать двумя основными свойствами: во-первых, ортодромы должны быть представлены в виде прямых линий, во-вторых, на карте должны сохраняться углы и румбы. Именно поэтому задача о создании идеальной карты, сохраняющей все метрические свойства, так важна для навигации. Как вы увидите в следующей главе, в отсутствие точной карты Земли моряки одновременно используют карту в гномонической проекции и карту в проекции Меркатора — она является конформной, а кривые, пересекающие все меридианы под постоянным углом (локсодромы), изображаются на ней прямыми линиями. Благодаря тому что большие круги сферы изображаются в виде прямых, центральная проекция применяется в минералогии и сейсмологии, так как сейсмические волны распространяются вдоль больших кругов, подобно радиоволнам. Карты, выполненные в центральной проекции, также используют радисты кораблей, а подобные карты звездного неба применяются при наблюдении метеоритов, которые также движутся вдоль больших кругов.

Хотя гномоническая проекция — одна из самых древних, в эпоху Возрождения она использовалась редко и вновь стала популярной в начале XVII века, особенно при составлении карт звездного неба. Немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер(1571–1630) при составлении карты звездного неба в 1606 году применил экваториальную разновидность этой проекции; австрийский астроном Кристоф Гринбергер(1561–1636) использовал различные варианты этой проекции в своем атласе созвездий 1616 года, а итальянский математик и астроном Орацио Грасси(1583–1654) — в картах звездного неба в 1618 году. С этого времени гномоническая проекция стала одной из самых популярных при составлении карт звездного неба: звезды, которые располагались на большом круге небесной сферы, а визуально находились на одной прямой, в этой проекции изображались на одной линии. Определять местоположение звезд и изучать звездное небо по таким картам было проще.

Центральная проекция чаще остальных использовалась при изготовлении многогранных карт и их разновидностей. Для этого земной шар (сферическая модель Земли) вписывается в многогранник, а затем проецируется на поверхности его граней. В случае с простой гномонической проекцией центр проекции совпадает с центром сферы. Таким образом получается изображение Земли на плоских гранях многогранника. Далее можно либо рассмотреть карту в форме многогранника, либо развернуть ее на плоскости. В многогранных картах чаще всего используются Платоновы тела (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр), гранями которых являются равные между собой правильные многоугольники, однако могут применяться и такие фигуры, как усеченный октаэдр, кубооктаэдр и другие. Искажения на таких картах возрастают по мере приближения к вершинам и ребрам и уменьшаются вблизи центров граней — точек касания сферы и многогранника. В качестве примеров многогранных карт, выполненных в гномонической проекции, можно привести шесть граней карты Рейхарда или карты Общества распространения полезных знаний Великобритании, карту Кэхилла в форме бабочки (1909), которая представляет собой развернутый на плоскости октаэдр, или карту Димаксион, созданную американским дизайнером и архитектором Ричардом Бакминстером Фуллером. Проекция Фуллера представляет собой разновидность проекции на икосаэдр, и о ней мы поговорим в главе 9.

Восьмигранная карта Кэхиллав форме бабочки, выполненная путем гномонической проекции сферической модели Земли на грани октаэдра. Если сложить октаэдр заново, получится восьмигранная модель Земли.

* * *

КАРТЫ ЗВЕЗДНОГО НЕБА, ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

Помимо карт земной поверхности, существуют и другие карты, игравшие важную роль на протяжении всей истории человечества. Речь идет о картах звездного неба, начиная от составленных в Древнем Китае, Индии, Месопотамии и Египте и до европейских. В XVII и XVIII веке в Европе издавалось множество атласов звездного неба. Созвездия при этом изображались в виде героев греческой мифологии, реальных и фантастических животных и различных предметов. В ту эпоху небо имело большое значение в европейской культуре, причем не только в навигации, но и в астрологии, которой зарабатывали себе на жизнь многие астрономы.

Первым полным атласом небесного свода, изданным еще до изобретения телескопа и задавшим направление развития карт звездного неба и астрономии в целом, стала «Уранометрия» (1603) баварского адвоката и издателя Иоганна Байера(1572–1625) , созданная на основе каталога звезд датского астронома Тихо Браге(1546–1601) .

Первый телескоп сконструировал итальянский математик и астроном Галилео Галилей (1564–1642) в 1609 году. Двумя шедеврами этой эпохи небесной картографии стали «Гармония макрокосмоса» ( Harmonia Macrocosmica , 1660) немецкого математика и картографа Андреаса Целлариуса(ок. 1596–1665) — самый знаменитый атлас XVII века и, по мнению некоторых специалистов, красивейший сборник карт звездного неба всех времен, и «Небесный атлас» ( Atlas Coelestis , 1729) английского астронома Джона Флемстида(1646–1719) — первого королевского астронома и директора Гринвичской обсерватории.

Иллюстрация из «Гармонии макрокосмоса» Андреаса Целлариуса1708 года.

Стереографическая проекция — возможно, наиболее часто применяемая и самая известная азимутальная картографическая проекция. Ее авторство обычно приписывается Гиппарху Никейскому, хотя, возможно, она была известна еще древним египтянам. Проекция впервые упоминается в трактате Птолемея «Планисферий». Оригинал этого документа на древнегреческом языке утерян, до нас он дошел в арабском переводе, автором которого был математик Маслама. Впервые труд Птолемея был напечатан в виде приложения к его «Географии» в 1507 году. В работе была описана астролябия — инструмент для определения положения звезд на небесной сфере с использованием стереографической проекции. Птолемей называл эту проекцию планисферной, и это название сохранилось до XVI века (термин «планисфера» стали применять по отношению к картам звездного неба, так как для их изготовления использовалась именно эта проекция). В Средневековье стереографическая проекция также называлась проекцией астролябии. Название «стереографическая» ввел бельгийский математик Франсуа д’Агильон(1567–1617) , который в своем труде «Шесть книг по оптике, полезные для философов и математиков» ( Opticorum libri sex philosophis juxta ас mathematicis utiles ) изучил свойства ортографической и стереографической проекций. Название «стереографическая» происходит от греческого «стерео» — «твердое тело» и «графиа» — «рисунок, изображение».