6
Счисление пути
Теперь кажется удивительным, что столь многие мореплаватели когда-то были готовы, рискуя жизнью, пересекать океаны, имея в своем распоряжении столь безнадежно несовершенные навигационные приборы. Представьте себе, что вы отправляетесь в путешествие, которое может продлиться несколько месяцев, без сколько-нибудь надежных средств определения своего местоположения. А поскольку способов хранения свежих продуктов еще не существовало, а запасы питьевой воды можно было пополнять только за счет дождя, такое предприятие было еще более рискованным, чем оно стало бы в наши дни. Несовершенство методов навигации стоило жизни бесчисленным морякам, хотя причиной их гибели чаще бывали не кораблекрушения, а цинга, жажда и голод. К тому же, как ясно показывает пример пестрогрудого лесного певуна, человек – не единственное животное, которое сталкивается с такими проблемами.
В далеком прошлом навигация в открытом море была делом настолько опасным, что мореплаватели, видимо, старались по возможности придерживаться уже знакомых маршрутов – хотя это, разумеется, не означает, что они ходили исключительно вдоль берегов. Если они хотя бы приблизительно знали, какое расстояние им нужно пройти и в каком направлении, и могли оценить с разумной точностью свою скорость и курс, они могли с достаточной уверенностью рассчитывать, что доберутся до цели. У мореплавателей Северного полушария было удобное средство определения широты по высоте Полярной звезды над горизонтом, а начиная приблизительно с 1500 года, благодаря тщательным наблюдениям астрономов, также появилась возможность измерения широты по высоте солнца в полдень.
Если широта пункта назначения была известна, мореплаватели могли рассчитывать, что – рано или поздно – достигнут его, следуя вдоль соответствующей параллели. Но, как только земля скрывалась из виду, они теряли способность точного определения своего местоположения, так как у них не было средств определения долготы. Это означало, что они никогда не знали с уверенностью, когда именно дойдут до цели, – что было весьма опасно, особенно в бурную погоду или в условиях плохой видимости.
Невозможность определения долготы означала также невозможность составления точных карт. Например, разброс оценок ширины Тихого океана составлял тысячи километров, а Соломоновы острова, которые испанцы обнаружили в середине XVI века, были затем «потеряны» еще на двести лет. Даже карты знакомых европейских вод часто бывали чудовищно неточными. «Проблема определения долготы» была разрешена только в середине XVIII века, хотя на протяжении двух столетий до этого различные европейские правительства обещали за ее решение огромные награды; мореплаватели же получили эту новую методику в свое распоряжение и научились пользоваться ею и того позже.
Как же первые мореплаватели ориентировались в открытом море?
Помимо астрономических наблюдений в их распоряжении были три простых прибора: магнитный компас (который, по-видимому, вошел в употребление в Европе где-то в XII веке), лаг и лот.
Компас, разумеется, давал возможность держаться прямого курса, хотя даже это было далеко не так просто, как кажется, потому что этот прибор был подвержен потенциально опасному эффекту, который называют «девиацией». Речь идет об отклонении стрелки магнитного компаса, которое вызывают имеющиеся на борту судна железные предметы, влияющие на компас. Еще более сбивало с толку то обстоятельство, что девиация зависит от направления, в котором движется судно.
Эта странная проблема была понята – и действенные средства борьбы с девиацией разработаны – только в XIX веке. Долгое время ушло и на осознание того факта, что истинный север существенно отличается от севера магнитного, причем разница между ними изменяется не только в зависимости от местоположения, но и с течением времени.
Лаг, которым пользовались мореплаватели в старину, – это просто деревянная дощечка, прикрепленная к концу длинной веревки, на которой через регулярные интервалы завязаны узлы. Лаг бросали за борт корабля и смотрели, насколько он сместится к корме в течение фиксированного временного интервала, который измеряли при помощи песочных часов. Число узлов, которые уходили за борт за это время, позволяло оценить скорость судна относительно воды. Один узел считали по определению равным одной морской миле (1,852 километра) в час. Эта система была весьма действенной, хотя калибровка лага часто бывала делом непростым.
Лот был прибором еще менее сложным – если такое вообще возможно. Он попросту представлял собой длинную веревку, на конце которой имелась коническая свинцовая гиря; ее бросали за борт, чтобы измерить глубину воды. Полость, предусмотренную на нижней стороне гири, иногда заполняли жиром, что позволяло получить образец материала морского дна (грунта), чтобы узнать, состоит ли оно, например, из песка, гравия или ила. На картах прибрежных вод указывали характер дна, и эта информация в сочетании с данными о глубине моря могла помочь в определении местоположения судна.
Но, разумеется, обычный лот становился бесполезен в открытом море, где глубина воды часто достигает нескольких тысяч метров. Там штурманы прошлого могли оценивать свое местоположение только одним простым способом: они отслеживали, как долго судно шло в том или ином направлении. Скажем, если вы шли западным курсом в течение десяти часов со скоростью пять узлов, можно считать, что вы оказались на пятьдесят миль западнее, чем были за десять часов до того. Или надеяться на это.
Отмечая все изменения скорости и направления движения судна (обычно на простой доске с отверстиями для колышков, так как писать большинство моряков не умело), теоретически можно было определить положение судна относительно исходного пункта его маршрута – даже после нескольких изменений курса и скорости. Этот процесс называют «счислением пути», а по-английски – dead reckoning (DR). Часто говорят, что аббревиатура DR означает deduced reckoning («дедуктивное счисление»), но термин этот существует по меньшей мере с XVII века, и происхождение его покрыто мраком. Я предпочитаю думать, что его изобрел какой-нибудь мореплаватель Елизаветинской эпохи, склонный к черному юмору.
Недостаток счисления пути состоит в том, что метод этот ненадежный. Точнее говоря, очень ненадежный.
При его применении может возникать множество ошибок, которые чрезвычайно трудно отслеживать и исправлять. Во-первых, приходится иметь дело с океанскими течениями, которые даже в глубоководных районах океана могут быть очень сильными. Обнаружить их невозможно, если нет никаких средств обеспечить неподвижность судна. Лаг может показывать, что корабль делает пять узлов, а компас – что он идет западным курсом; однако, если весь океан при этом движется, на самом деле судно может перемещаться в другом направлении и с другой скоростью. Кроме того, парусное судно, если только оно не идет прямо по ветру (когда ветер дует точно в его корму), имеет тенденцию «уваливаться под ветер». Другими словами, судно не только идет вперед, но и смещается – дрейфует – вбок. Хотя величину такого «сноса» можно оценить, сравнив направление кильватерной струи с установленным курсом судна, такая оценка весьма далека от истинно научной точности.
А еще нужно учесть работу рулевого. Некоторым рулевым удается точно удерживать судно на курсе, другие бывают менее надежны. В конце вахты штурманы могут заверить, что корабль стабильно шел с определенной скоростью на запад, но на самом деле он вполне мог следовать гораздо более беспорядочным курсом, и скорость его также могла колебаться. И конечно же, всегда приходится считаться с погодой. Когда судно попадает в шторм, отслеживать какие-либо параметры становится невозможно, а при полном штиле оно попросту дрейфует по воле невидимых течений. В таких условиях счисление пути становится абсолютно неприменимым.
Яркую иллюстрацию ненадежности счисления пути дала знаменитая экспедиция, которую возглавил в 40-х годах XVIII века коммодор Королевского военно-морского флота Великобритании Джордж Ансон. С трудом обогнув в ужасных погодных условиях мыс Горн, Ансон решил, что его маленькая, потрепанная непогодой флотилия достаточно углубилась в Тихий океан, чтобы можно было безопасно повернуть на север и пойти вдоль западного побережья Южной Америки. Однако его ожидал весьма неприятный сюрприз.
Глубокой ночью, когда Ансон считал, что они находятся в открытом море, вдали от земли, передовой корабль дал предупредительный пушечный выстрел: флотилия шла прямо на скалы архипелага Огненная Земля, навстречу верной гибели. Крушения удалось избежать, но лишь в последний момент. Ошибка счисления пути составила около 500 морских миль (926 километров). Впоследствии Ансону не удалось с первого раза найти острова Хуан-Фернандес, и эта задержка стоила жизни нескольким десяткам моряков, умерших от цинги.
Марк Твен ходит кругами
В 1950-х годах, в связи с созданием атомных подводных лодок, способных оставаться в подводном положении месяцами подряд, возникла навигационная задача совершенно нового рода. Хотя к тому времени навигация по небесным телам давно была доведена до совершенства, а также существовали различные способы определения местоположения по радиосигналам, все эти средства нельзя было использовать на судах, патрулирующих на больших глубинах под поверхностью моря.
Эта задача была решена при помощи навигационной системы, регистрирующей ускорение в трех измерениях – другими словами, изменения скорости и ориентации судна, – при помощи набора гироскопов. Интегрируя данные, поступающие от этих инерциальных датчиков, бортовой компьютер может отслеживать все маневры, которые совершает подводная лодка, и точно определять ее положение на любой момент. При этом, однако, необходимо учитывать вращение самой Земли, а кроме того, данные системы нужно время от времени обновлять, потому что в противном случае они постепенно «дрейфуют». Этот метод, который называют инерциальной навигацией, широко применяется в ракетах, авиалайнерах и даже космических кораблях.
Интересно отметить, что человек, как и многие другие позвоночные, использует похожий механизм под названием вестибулярный аппарат. Внутреннее ухо, подобно гироскопам на борту подводной лодки, способно регистрировать ускорение, хотя работает оно по другому принципу. Внутри полукружных каналов внутреннего уха имеются мелкие камешки, называемые отолитами; они оказывают давление на чувствительные волоски, которые посылают сигналы в мозг, а тот обрабатывает эти сигналы и получает информацию о направлении и скорости движения организма. Но это еще не все. Одновременно с этим поступают ценные сигналы обратной связи от суставов и мышц. Например, подсчитав число сделанных шагов, можно оценить пройденное расстояние, а по ощущению наклона почвы и усилиям, затрачиваемым на перемещение, можно судить о том, идем ли мы вверх или вниз по склону.
В принципе объединение информации об этих элементах «собственного движения» позволяет организму отслеживать свое собственное местоположение. Однако на практике, как ни печально, эта система работает не слишком хорошо, что иллюстрирует следующая история.
После метели мир кажется совершенно иным. Многие из ориентиров, которые обычно использует путешественник, оказываются скрыты, и без хорошего знания местности – или навыков охотника-иннуита – легко попасть в беду.
Именно это и случилось со знаменитым американским писателем Марком Твеном (1835–1910) и его попутчиками в середине XIX века, когда они направлялись в город Карсон-Сити в Неваде.
Твен описывает в автобиографической книге «Налегке», как он и его спутники, в число которых входили прусский всезнайка Оллендорф и некий персонаж по имени Баллу, чуть было не замерзли насмерть. Дорогу скрывал толстый слой снега, а поскольку видимость была плохой, сориентироваться при выборе пути по дальнему горному хребту путешественники тоже не могли.
Дело явно принимало рискованный оборот, но Оллендорф сказал, что его чутье вернее всякого компаса и что он берется вывести нас к Карсон-Сити «как по струнке», самым прямым путем. Он уверял, что, случись ему отклониться хотя бы на пядь в ту или другую сторону, чутье станет язвить его, как нечистая совесть. Он поехал вперед, и мы, успокоенные его словами, бодро пустились вслед за ним. Сначала мы двигались довольно осторожно, но через полчаса мы увидели ямки от копыт в снегу, и торжествующий Оллендорф закричал:
– Говорил я вам, что мне можно верить, как компасу. Вот чьи-то свежие следы, и мы без всяких хлопот найдем по ним дорогу. Поедем побыстрей, догоним этих путников!
Твен и его товарищи пустили своих коней рысью и, видя, что следы, оставленные их предшественниками, становятся все более четкими, заключили, что постепенно догоняют их. Час спустя следы становились «все глубже и свежей», причем, к некоторому их удивлению, казалось, что всадников, едущих где-то впереди, становится все больше.
Зачем такое множество путников скачет по снежной пустыне, да еще в самую вьюгу? Наконец мы решили, что это эскадрон из форта, и пришпорили коней, чтобы поскорей догнать его. Но следов становилось все больше и больше, – эскадрон каким-то чудом превратился в полк! По мнению Баллу, верховых уже было никак не меньше пятисот! Вдруг он осадил лошадь и сказал:
– Да это наши следы, ребята! Вот уже добрых два часа, как мы кружим на одном месте в этой проклятой пустыне. Ну и ну! Просто гидравлика какая-то!
В литературе и фольклоре полно подобных историй, и они подтверждаются научными исследованиями, хотя причины их вызвали немало споров.
В 1920-х годах ученый по имени А. А. Шеффер считал, что у человека есть странная, врожденная «тенденция к движению по спирали», которая автоматически включается, когда мы не видим, куда идем. Именно она, утверждал он, заставляет нас «ходить кругами». Другие, однако, представляли доводы в пользу того, что вклад в сбои нашей навигационной системы могут вносить разная длина ног, изменения осанки, отвлекающие факторы или ошибки постановки ног (и это лишь несколько примеров).
Гораздо позднее Ян Соуман провел эксперимент, в котором он предлагал своим подопытным перейти с завязанными глазами через большое плоское летное поле. Никаких звуков, которые помогали бы им ориентироваться, не было, и исследователь обнаружил, что испытуемые были не в состоянии идти по прямой – даже на короткие расстояния. Они следовали по извилистым и, по-видимому, случайным траекториям и часто ходили по кругу; среднее максимальное расстояние, которое им удавалось пройти, составляло в целом около 100 метров.
Насколько Соуман мог сказать, в этих ошибках не было никакой систематичности; не было и никаких признаков того, что в деле замешаны какие-либо физические факторы – например, неравная длина или сила ног. Еще до этого другой исследователь проверял, как долго люди могут держать курс на цель после того, как эту цель внезапно спрячут. Оказалось, что эта способность сохраняется всего лишь в течение приблизительно восьми секунд.
Даже при наличии некоторой визуальной информации мы довольно плохо умеем придерживаться прямого курса – если только при этом не светит солнце или луна. Соуман изучал пешее передвижение людей с незавязанными глазами в двух радикально разных местностях, ни в одной из которых не было большого количества пригодных к использованию ориентиров – в лесу в Германии и в тунисской пустыне. Результаты этого исследования были интересны своим разнообразием.
При наличии облачности всем испытуемым было очень трудно идти прямо, но, когда выходило солнце, они показывали гораздо лучшие результаты и часто сохраняли одно и то же направление на поразительно больших расстояниях, даже в загроможденных и запутанных лесных зарослях. Один испытуемый, шедший ночью по тунисской пустыне, также справлялся со своей задачей весьма неплохо, пока ему была видна луна. Но, когда она скрылась за облаками, он несколько раз резко повернул и в конце концов двинулся в обратном направлении – туда, откуда и шел.
Эти результаты заставляют предположить, что люди по большей части могут ориентироваться по солнечному и лунному свету с некими быстрыми и приблизительными поправками на время. Однако наша неспособность придерживаться постоянного курса, опираясь только на внутренние сигналы, информацию о собственном перемещении, далеко не случайна. В этом процессе неизбежно возникают систематические ошибки, и они имеют тенденцию накапливаться. Поэтому направление в конце концов не может не исказиться. Отсюда следует, что животное (любого вида), стремящееся двигаться прямо к цели, непременно должно сверяться по внешним ориентирам, будь то видимые элементы ландшафта или нечто играющее роль компаса. В противном случае его путь рано или поздно примет форму, приближающуюся к спиральной.
Так что, возможно, Шеффер и был прав: может быть, у нас действительно есть врожденная склонность к движению по спирали.
* * *
В 2009 году при помощи трекера был зарегистрирован безостановочный перелет наземной птицы, которую называют малым веретенником, через весь Тихий океан от Аляски до Новой Зеландии. На преодоление расстояния 11 680 километров ей потребовалось всего лишь чуть более восьми суток. Еще несколько птиц проделали перелеты, лишь немногим более короткие, так что этот случай явно не был редким исключением из правила. Для птицы, которой для создания подъемной силы необходимо махать крыльями, – в отличие от птиц, парящих и планирующих, как странствующие альбатросы, – путешествие такой длины кажется почти невероятным. Еще большее впечатление оно производит с учетом того, что веретенник не садится на воду, так как, намокнув, он не сможет снова подняться в воздух.
Такие необычайно длинные перелеты требуют от веретенников огромных физических усилий, и они вынуждены увеличивать уровень метаболизма в состоянии покоя в 8–10 раз, только чтобы оставаться в воздухе. Такие усилия им приходится прилагать на протяжении всего путешествия. Чтобы накопить необходимые для этого запасы энергии, перед отлетом птицы набирают огромное количество жира, а их жизненно важные органы сжимаются, чтобы свести взлетную массу к минимуму. К тому моменту, как они долетают до Новой Зеландии – скорее мертвыми, чем живыми, – они теряют треть массы своего тела. Однако этим птицам также приходится находить дорогу на протяжении тысяч километров открытого моря, да еще и справляться по дороге с воздействием неблагоприятной погоды. Как им это удается, по-прежнему неясно, хотя интересно отметить, что они точно подбирают время отлета с Аляски так, чтобы воспользоваться помощью попутных ветров.
Но почему веретенники предпочитают летать прямо через открытый океан, когда они могли бы следовать вдоль берегов Азиатского континента? По-видимому, этот выбор определяют несколько факторов. Судя по всему, прямой маршрут позволяет птицам не только сэкономить ценное время, но и снизить суммарные затраты энергии. Кроме того, полет над морем помогает им избежать встречи с хищниками, например сапсанами, и уменьшает опасность подхватить паразитов или заболевания. Однако при обратном перелете на север соотношение преимуществ и недостатков, видимо, меняется на обратное: в эту сторону они пролетают бо́льшую часть пути вдоль берега.
Любые перемены сезонных ветров над Тихим океаном, вызванные изменениями климата, приведут к нарушению трансокеанской миграции малого веретенника. Угрожает ей и быстрое исчезновение водно-болотистых территорий в Китае, на которых эти птицы останавливаются для пополнения сил по пути на север.
