20.5　水道测量术和海洋学

20.5　水道测量术和海洋学

18世纪初，世界各地的海洋和海岸图编制远远不能满足航海者的需求。当时还缺乏进行精确水道测量所需要的至关重要的三项因素：纬度和经度经过可靠测定的地点数目还很少，可用于精密测量海岸线的仪器和方法尚未普及，绘图技术自16世纪以来就无多大进展。

继陆地测量后，水道测量也有所革新。1693年在巴黎出版的《法国海洋》海图集的西欧海图部分引入了许多改进，采用墨卡托投影法［Mercator projection，即“地图缩制法”（cartes réduires）］绘制，在纬线和经线处都标有刻度，使航海者能以直线来标画方位。许多海岸站的位置是按皮卡尔和卡西尼的天文测定结果确定。当时使用一些比船载设备更为精密的仪器进行的一次海岸测量，成为海区详细测绘的先导。后继的例子还有贝林（J.N.Bellin，1703—1772）在1737—1752年间为《海图志》（Dépót des cartes）汇编的海图，以及1756年出版的《法国水道测量》（L'Hydrographie françise）的世界海图集。

除了欧洲海岸以外，直到引进了反射式象限仪和六分仪以及天文钟，使水手们有把握在甲板上确定其所在的纬度和经度以后，世界海图集的精确分度才成为可能。在整个18世纪，他们都是凭借指向磁北极的罗盘海图来导向，这些海图既无经度标度，也很少有纬度标度，而是覆盖着传统的由排列在一个圆周上的各个中心点辐射出来的方位线所组成的网（第Ⅲ卷，边码523—526）。

在18世纪下半叶之前，水道测量的方法都落后于陆地测量人员使用的方法。尽管在皇家海军的舰船上往往配备有一些测量仪器，包括经纬仪、平板仪和测链等，但海员培训却不受重视。迟至1770年，库克还记述称“我知道很少有人（海员）能够绘制海岸线的海图或草图”，而他本人还是在1758年才从一位军事工程师那里第一次接受有关测量工作的培训。就像柯林斯（Greenvile Collins，盛年为1669—1693年）——他绘制的各种海图一直沿用到18世纪末——于1681—1688年进行的一次英国海岸线测量工作那样，海岸线一般都是以航海陆标的罗盘交叉点来测量的。这种罗盘交叉点在巡航导线测量（sailed traverse）终端用航海计程仪即航位推测法（dead reckoning）测定，或者在陆地上进行的“几何学”测量中，对海岸线用测量轮（图版23B）或测链进行导线测量，也可以用测量罗盘或经纬仪进行角度观测。

到了18世纪中叶，这些方法的不可靠性逐渐变得明显起来，于是发展了以从海岸上已测定的水平基线出发的三角测量网为基础的测量工作（图335）。麦肯齐（Murdoch Mackenzie，盛年为1747—1797年）在1747—1749年间对奥克尼群岛进行测量时，用铁测链测定了陆地上的两条基线，用经纬仪观测了一组一等三角形，并通过二等三角测量确定了海岸线上的各重要点位，最后以船上测量来填充海岸线，以罗盘方位测定法来确定各种航标、测深处和暗礁的位置。在1751—1770年间，麦肯齐奉海军部之命，测绘了英国的西部海岸和爱尔兰的各海岸线，库克也在同一时期（1763—1767）对纽芬兰进行了三角测量。这种适用于难度较高的测绘和“实际上未知的海岸”的库克测量法，把麦肯齐的“静态平衡测量”（stasimetric）方法与流动测量方法结合起来。根据测定的基线仔细选择一个港口，三角测量尽可能远离居住区，然后测量船一直航行至下一个海港，一路对海岸线进行深度测定并绘制草图，同时通过用经纬仪测定的沿海岸各站点上的象限仪角度或罗盘方位角确定船舶的位置。通过德巴尔（J.F.W.Des Barres，1722—1824）、霍兰（Samuel Holland，1728？—1801）以及他们的代表进行的几次测量工作，库克为海军部做的这项工作在1763—1773年间向南进行了扩展。他们对北美洲的大西洋海岸线，即对从圣劳伦斯岛到佛罗里达长达1000英里的海岸线测绘的海图，收在《大西洋》（The Atlantic Neptune，1777—1781）海图集中出版。

从1757年哈德利的象限仪发展而来的反射式六分仪，如今已成为海洋测量人员的万能工具。这种仪器不仅可按其原始设计用于高度测量，而且可替代罗盘成为测量水平角度的标准仪器。正如麦肯齐指出的那样，这种仪器要比经纬仪“更加轻便……而且在分度方面……一般更加精确”。达尔林普尔（Dalrymple）评论说，这种哈德利象限仪“在桅顶上使用与在甲板上使用同样方便，因而其观测范围……特别宽广”。在勘探过程中，对于在船上进行连续流动测量来测绘海岸线，这些特点具有特殊的价值。六分仪的使用使库克的三次太平洋航行的测量工作具备了很高的精确度和速度，这是该世纪非常杰出的水文地理学成就。在其1769—1770年间的新西兰环航过程中，库克在6个月内测绘了2400英里的海岸线，而没有使用航位推测法。他通过其航程和陆标的交叉射线来确定船位并绘制出轨迹图，随时根据天文观测结果进行调整，“在测定角度和方位时，不再使用计程仪，而是采用船位轨迹上各点的连线”。他在这几次航行中采用的海图的测绘，可以说是与现代方法相一致的。与库克在纽芬兰测绘的海图不同，这些海图按常规以纬度和经度标度，图上的子午线也是真实的，而不是磁子午线，并在观测到变化时也作了记录。另外，库克还是探索按格林尼治本初子午线计算经度的第一位航海家。

18世纪末的一次海岸线测量作业中曾进行过多项改进。麦肯齐的继承者继续承担了英国海岸线的测绘工作，在军械部的领导下使用三角测量法进行“陆上作业”（landwork）三角测量，从而能详细和全面地勘查近海海床的地形。早在1764年就有人对四分仪的后方交会法（resection）作过大体描述，这是通过观测海岸航标的3条射线来确定船舶位置。英国的测量人员曾采用六分仪，而在1791—1793年昂特尔卡斯托（d'Entrecasteaur）的太平洋远征探险期间，博唐—博普雷（C.F.Beautemps-Beaupré，1766—1854）则采用博尔达反射环仪进行“航行定位”。据说是斯彭斯（Graeme Spence，1758—1812）在1780年前后为英国海军部进行测量工作时发明了三杆分度仪，可在测深操作过程中用后方交会法快速确定测量船的位置，并直接标绘在海图上，从而为确定测量船的位置提供了一种手工操作的解决办法。利用临时性灯塔或浮筒作为站点，采用海洋三角测量的方法，又进一步提高了近海测量工作的精确度。此项技术曾由达尔林普尔在《海洋测量工作中的多种便捷方法》（Essay on the Most Commodious Methods of Marine Surveying）中提出的“五点梅花形”（quincunx）概念预示过，这部著作是有关这个主题的第一本英国教科书（“五点梅花形”的布局方法是，由4艘船锚泊成一块正方形范围，中心锚泊着第5艘船）。在1818—1820年间以及1832年，英国海军部的测量人员利用这种方法并使用灯塔和浮筒，对泰晤士河入海口的堤岸和航道进行了测绘。

英国海军部于1795年设立了水道测量处，负责监管、编辑和发行供海军舰只使用的海图。约在1811年，海军部的测量业务已纳入水道测量员的管辖范围，1814年在海军名册上登记了第一批测量船。从此，在海军部的海图上记录在案的英国海军的测量工作，已扩大到了遍及几乎整个世界的海岸线和水域。

法国的水道测量工作曾有半个世纪的时间是在继续贝林的工作，将《法国水道测量》扩展成为不同的“航海考察工作”编辑出《海洋》系列（海图集）。在1816—1836年间，利用海岸三角测量法对法国海岸进行了一次新的测量，成果在《法国领港员》（Le Pilote français）杂志上发表。这项工作由首席水道测量学家博唐—博普雷领导，利用他的以反射环仪确定船位的方法，并利用一种新型测深杆从海底采集样品，这项船上作业对海洋特性做了极为详细的勘测。

19世纪之前，由于缺乏合适的仪器，对于海岸水域之外的深海区基本上都不能进行自然考察研究。过去，水手们曾经常根据他们进行航位推测的位置与观测到的位置之间的差异推导出表面海流的存在，自17世纪以来，人们曾绘制过与风系相关的海洋环流海图。天文钟的引入，为更精确地记录海流的方向和速度提供了条件，从而在19世纪早期出现了第一批有关海洋学的系统性研究成果，特别是伦内尔在1827年完成了大西洋海流图。18世纪，像库克远征探险队那样的科学家们，就曾使用过海水采样仪器来测量海水的温度和盐浓度。富兰克林（Benjamin Franklin，1706—1790）于1775年，布莱格登爵士（Sir Charles Blagden，1748—1820）于1776—1777年，利用华氏温度计进行了温度观测，确定了墨西哥湾流温度的上下限。

然而，人们在当时还未能对海洋底部进行测绘，那里一直保持着“掩卷”状态，直到人们设计出了深海测深装置。1773年，菲普斯（C.J.Phipps）船长从斯匹次卑尔根群岛返航时，在北纬65度、东经3度处将船上的全部绳索连在一起，用超过150磅的测深铅锤，从683英噚的深度取得了“十分细柔的蓝黏土”，这是有记录的最早的一次深海测深工作。罗斯船长（James Clark Ross，1800—1862）在他的一次南极探险历程（1839—1843）中，用4英里长的每100英噚都有标记的大麻纤维绳索进行了多次深度测量。美国水道测量部门的负责人莫里（M.F.Maury，1806—1873，海军上尉）推荐采用一种较轻的测深索和铅锤，“用普通合股细麻绳作为测深索，用炮弹（32磅重）作为坠子”。据称，用这种工具可测量的深度达到了5000多英噚。莫里对北大西洋测绘的一幅海图（1853年）表明，深度测量超过2000英噚的达100多次。莫里还曾多次试验水下爆炸回声测深法，但均未获成功。他还曾介绍过由海军军官候补生布鲁克（J.M.Brooke）发明的能够用于采集海洋底部标本的深海测深杆。

莫里被恰当地尊称为系统海洋学的奠基人，由他撰写的一本教科书《海洋自然地理学》（The Physical Geography of the Sea，1855年）一直沿用了半个多世纪之久。他在美国海道测量处供职期间（1841—1861），根据他所掌握的一些航海日志中有关舰船航程和观测的记载，编撰了一套《风和海流图》（Wind and Current Charts）系列，第一部于1847年问世，里面创造性地综合运用了各种颜色和符号。据莫里声称，选用这些海图里指出的一些最短的航道，纽约到加利福尼亚之间航程的平均时间可以从183天缩减为135天，从英格兰到澳大利亚则从124天缩减为97天。1853年在布鲁塞尔举行的国际会议，采用了莫里提出的航海日志摘要的标准格式。