灯台

明確に定義された港が開発される以前は、船乗りは丘の頂上に焚かれた火を頼りに航路を進んでいました。火を高くすることで視界が良くなるため、台の上に火を焚くことが慣習となり、灯台の開発につながりました。^{[ 1 ]}古代の灯台は、現代の多くの灯台とは異なり、暗礁や岬の警告信号というよりも、港への入り口を示す目印としての役割が大きかったのです。古代で最も有名な灯台は、エジプトのアレクサンドリアのファロス灯台で、 956年から1323年の間に発生した一連の地震により倒壊しました。

スペインのア・コルーニャにあるヘラクレスの塔は、古代の灯台建設に関する貴重な手がかりを与えてくれる。灯台に関するその他の証拠としては、硬貨やモザイク画に描かれたものがあり、その多くはオスティアの灯台を描いたものである。アレクサンドリア、オスティア、そしてシリアのラオディキアで鋳造された硬貨も現存している。

灯台の近代化は18世紀初頭に始まりました。大西洋横断貿易の活発化に伴い、建設される灯台の数が大幅に増加したためです。構造工学の進歩と、新しく効率的な照明設備の開発により、海に面した灯台を含む、より大型で強力な灯台の建設が可能になりました。灯台の機能は、港を示すことから、岩礁や暗礁といった航行上の危険に対する視覚的な警告を提供するものへと徐々に変化していきました。

エディストーン岩礁は、イギリス海峡を航行する船乗りにとって大きな難破の危険地であった。^{[ 2 ]}そこに最初に建てられた灯台は、岩に固定された12本の鉄製の支柱で支えられた八角形の木造構造物で、ヘンリー・ウィンスタンリーによって1696年から1698年にかけて建設された。彼の灯台は、世界で初めて外洋に完全に露出した塔であった。^{[ 3 ]}

土木技師の ジョン・スミートンは1756年から1759年にかけて灯台を再建しました。 ^{[ 4 ]}彼の灯台は灯台設計における大きな進歩を示し、1877年まで使用されました。彼は花崗岩のブロックを使って、灯台の形状を樫の木になぞらえました。彼はローマ人が使用していた水中で固まるコンクリートの一種である「水硬性石灰」を再発見して使用し、花崗岩のブロックを蟻継ぎと大理石のダボで固定する技術を開発しました。^{[ 5 ]}蟻継ぎは構造の安定性を向上させるのに役立ちましたが、スミートンは塔の厚みを上部に向かって細くする必要もあり、そのため塔を緩やかな勾配で内側に湾曲させました。この形状には、波のエネルギーの一部が壁に衝突した際に散逸するという利点もありました。彼の灯台は現代の灯台の原型となり、その後のすべての技師に影響を与えました。^{[ 6 ]}

そうした影響の一つに、灯台の設計と建設の発展における先駆者であったロバート・スティーブンソンがいた。 ^{[ 7 ]}彼の最大の功績は、1810年にベルロック灯台を建設したことであり、これは当時最も印象的な工学的偉業の一つであった。この構造はスミートンの設計に基づいていたが、赤と白を交互に点灯する回転灯の組み込みなど、いくつかの改良点が加えられていた。^{[ 8 ]}スティーブンソンは、ノーザン灯台委員会で約50年間働き^{[ 7 ]、}その間に数多くの灯台の設計、建設、そして後の改良を監督した。彼は光源の選択、取り付け、反射鏡の設計、フレネルレンズの使用、そして灯台に船乗りが識別できる独自の特徴を与える回転およびシャッターシステムに革新をもたらした。彼はまた、灯台建設に不可欠な可動式ジブとバランスクレーンを発明した。

アレクサンダー・ミッチェルは、最初のスクリューパイル式灯台を設計しました。彼の灯台は、砂地や泥地の海底にねじ込まれた杭の上に建てられました。彼の設計による灯台の建設は1838年にテムズ川河口で始まり、マップリン・サンズ灯台として知られ、1841年に初めて点灯されました。 ^{[ 9 ]}建設は後から始まりましたが、ランカシャー州フリートウッドのワイア灯台が最初に点灯されました（1840年）。^{[ 9 ]}

1782年までは、灯台の照明は一般的に薪の山や石炭の燃焼でした。1782年にスイスの科学者エメ・アルガンによって発明されたアルガンランプは、安定した無煙の炎で灯台の照明に革命をもたらしました。初期のモデルでは、芯の周りに着色されたすりガラスが使用されていました。後のモデルでは、炎の上に吊り下げられた二酸化トリウムのマントルが使用され、明るく安定した光を作り出しました。 ^{[ 10 ]}アルガンランプは、鯨油、菜種油、オリーブ油^{[ 11 ]}、またはその他の植物油を燃料として使用し、バーナーの上に設置された貯蔵庫から重力によって供給されました。このランプは、1784年にマシュー・ボールトンがアルガンと共同で初めて製造し、1世紀以上にわたって灯台の標準となりました。^{[ 12 ]}

サウター灯台は、1871年に電気照明を目的として建設された最初の灯台でした。^{[ 13 ]}

サウス・フォアランド灯台は、1875年に電気灯を初めて実用化した灯台でした。灯台の炭素アーク灯は、蒸気駆動のマグネトーによって電力供給されていました。^{[ 14 ]}ジョン・リチャードソン・ウィガムは、灯台のガス照明システムを初めて開発しました。アイルランドのダブリン県、ダブリン市近郊のベイリー灯台に設置された彼の改良型ガス「クロッカス」バーナーは、当時知られていた最も明るい灯火の13倍の威力がありました。^{[ 15 ]}

気化オイルバーナーは、1901 年にアーサー・キットソンによって発明され、トリニティ・ハウスのデイビッド・フッドによって改良されました。燃料は高圧で気化され、燃焼してマントルを加熱し、従来のオイルランプの 6 倍以上の明るさを出力しました。^{[ 16 ]}ガスを光源として使用することは、スウェーデンのエンジニア、グスタフ・ダーレンによるダーレン灯の発明によって広く普及しました。彼は、ガスを吸収する基材であるアガマッサン(Aga)を使用して、ガスを安全に貯蔵し、使用できるようにしました。ダーレンはまた、光を自動的に調整し、日中は消灯する「サンバルブ」も発明しました。 ^{[ 16 ]}この技術は、1900 年代から 1960 年代に電灯が主流になるまで、灯台の主要な光源でした。^{[ 17 ]}

アルガンランプの安定した照明の開発により、光学レンズを使用して光の強度を高め、集束させることが実用的になりました。ウィリアム・ハッチンソンは1777年に、反射鏡システムとして知られる最初の実用的な光学システムを開発しました。^{[ 18 ]}この原始的なシステムは、放出された光を効果的に集束ビームにコリメートし、それによって光の視認性を大幅に向上させました。^{[ 19 ]}光を集束させる能力により、最初の回転灯台のビームが実現し、船乗りには光が断続的な閃光の連続として見えるようになりました。また、光の閃光を使用して複雑な信号を送信することも可能になりました。

フランスの物理学者でありエンジニアでもあるオーギュスタン＝ジャン・フレネルは、灯台で使用するための多部品構成のフレネルレンズを開発しました。彼の設計により、従来のレンズに必要な質量と体積の材料を必要とせずに、大口径かつ短焦点のレンズを製造することが可能になりました。フレネルレンズは、同等の従来のレンズよりもはるかに薄く作ることができ、場合によっては平らなシート状になります。また、フレネルレンズは光源からの斜めの光をより多く捉えることができるため、フレネルレンズを備えた灯台からの光をより遠くまで視認できるようになります。

最初のフレネルレンズは1823年にジロンド川河口のコルドゥアン灯台で使用され、その光は20マイル（32km ）以上先から見ることができました。^{[ 20 ]}フレネルの発明により灯台の光度は4倍に増加し、彼のシステムは現在でも広く使用されています。 

電化と自動ランプ交換機の導入により、灯台守は不要になり始めました。長年にわたり、灯台には灯台守がいましたが、これは必要に応じて灯台守が救助活動を行うことができたためです。全地球測位システム（GPS）などの海上航行と安全性の向上により、世界中で非自動化灯台が段階的に廃止されました。^{[ 21 ]}安全上の懸念からいくつか閉鎖されましたが、カナダは依然として51の有人灯台を維持しており、東西海岸にほぼ均等に分散しています。これには、カナダの主権を主張するために有人が配置されているマキアス・シール島灯台も含まれます。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

現存する現代の灯台は通常、太陽光発電で充電されたバッテリーで駆動する単一の固定式点滅灯で照らされ、鋼鉄製の骨組みの塔に取り付けられています。^{[ 25 ]}太陽光発電だけでは電力需要が大きすぎる場合は、ディーゼル発電機によるバッテリーのサイクル充電が行われます。発電機はバッテリーの充電が必要なときだけ使用されるため、燃料を節約し、メンテナンス間隔を長くすることができます。^{[ 26 ]}

ジョン・スミートンは、3番目で最も有名なエディストーン灯台を設計したことで知られていますが、灯台を複数建設したことで有名な建設者もいます。スティーブンソン一家（ロバート、アラン、デイビッド、トーマス、デイビッド・アラン、チャールズ）は、スコットランドで灯台建設を3世代にわたる職業としました。 リチャード・ヘンリー・ブラントンは、明治時代の日本で26基の灯台を設計・建設し、それらはブラントンの「子供たち」として知られるようになりました。^{[ 27 ]}盲目のアイルランド人アレクサンダー・ミッチェルは、スクリューパイル式灯台を数多く発明・建設しました。イギリス人のジェームズ・ダグラスは、 4番目のエディストーン灯台での功績によりナイトの称号を授与されました。^{[ 28 ]}

アメリカ陸軍工兵隊のジョージ・ミード中尉は、大西洋岸とメキシコ湾岸に数多くの灯台を建設した後、ゲティスバーグの戦いで勝利した将軍として広く知られるようになった。アトランタ包囲戦でウィリアム・テカムセ・シャーマン将軍の技師を務めたオーランド・M・ポー大佐は、アメリカの五大湖の最も困難な場所に、最もエキゾチックな灯台のいくつかを設計し建設した。^{[ 29 ]}

フランス商船隊士官のマリウス・ミシェル・パシャは、クリミア戦争（1853年～1856年）後の20年間で、オスマン帝国沿岸に100近くの灯台を建設した。^{[ 30 ]}

当初は焚火、後にろうそくで照らされていたアルガンド式中空芯ランプと放物面反射鏡は、18世紀後半に導入された。

鯨油も芯とともに光源として使用されていました。灯油は1870年代に普及し、20世紀初頭頃には炭化カルシウムから現地で生成される電気とアセチレンガスが灯油に取って代わり始めました。 ^{[ 25 ]}炭化カルシウムは、日没時に自動的に点灯し、夜明けに消灯するダーレン灯によって普及しました。

20世紀後半、ロシア（当時はソビエト連邦）の多くの僻地の灯台は、放射性同位体熱電発電機（RTG）によって電力供給されていた。RTGは昼夜を問わず電力を供給でき、燃料補給やメンテナンスが不要という利点があった。しかし、1990年代のソビエト政府崩壊後、これらの灯台の位置と状態に関する公式記録のほとんどが失われたと伝えられている。^{[ 31 ]}時間の経過とともに、ロシアのRTGの状態は悪化し、その多くが破壊行為やスクラップ金属泥棒の被害に遭った。彼らは危険な放射性物質が含まれていることを認識していなかった可能性がある。^{[ 32 ]}

エネルギー効率の高いLEDライトは、太陽光発電パネルで電力を供給でき、バックアップにはディーゼル発電機の代わりにバッテリーを使用できます。^{[ 33 ]}

多くのフレネルレンズ式照明装置は、メンテナンスの手間が少ない回転式エアロビーコンに置き換えられている。

現代の自動灯台では、回転レンズのシステムは、短時間の全方向フラッシュを発する高輝度ライトに置き換えられることが多く、方向ではなく時間的に光を集中させています。これらのライトは、航空機に高層構造物を警告するために使用される障害物灯に似ています。後の革新としては、ベガライトや発光ダイオード（LED）パネルの実験がありました。^{[ 25 ]}

エネルギー消費量が少なく、メンテナンスも容易なLEDライトは、2020年までに広く普及した。英国とアイルランドでは、灯台の約3分の1がフィラメント光源からLEDに切り替えられ、年間約3基のペースで切り替えが続いている。光源は、伝統的な灯台の光の色と特性をできる限り忠実に再現するように設計されている。この変化は地域の人々に気づかれないことが多いが、提案された変更によって、回転ビームを含む伝統的な灯台を保存しようという声が上がることもある。19世紀の伝統的なフレネルレンズ筐体に収まるように設計された典型的なLEDシステムは、トリニティ・ハウスと他の2つの灯台管理機関によって開発され、構成によって約20,000ユーロかかると供給業者は述べている。このシステムには放熱のための大きなフィンが付いている。LED光源の寿命は50,000～100,000時間で、フィラメント光源の約1,000時間と比べて長い。^{[ 33 ]}

レーザー光

レーザーライトの実験的な設置では、空に光の線を出すために高出力を使用したり、船員に向けて低出力を使用したりしたが、設置とメンテナンスの複雑さが増し、高出力が必要になるという問題が明らかになった。最初の実用的な設置は、1971年にクイーンズランド州のポイント・デンジャー灯台で行われたが、ビームが狭すぎて見えにくかったため、4年後に従来のライトに置き換えられた。^{[ 34 ] [ 35 ]}

現代のストロボライトが登場する以前は、連続光源からの光を集中させるためにレンズが使用されていました。ランプの垂直方向の光線は水平面へと方向転換され、水平方向には一度に1つまたは数方向に光が集中し、光線は周囲を掃引されます。その結果、光線の側面が見えるだけでなく、より遠くからでも光が直接視認でき、識別可能な光特性を持つようになりました。

この光の集中は、回転レンズアセンブリによって実現されます。初期の灯台では、光源は灯油ランプ、あるいはそれ以前は動物油または植物油のアルガンドランプであり、レンズは灯台守が巻き上げる重り駆動の時計仕掛けによって回転し、時には2時間ごとに巻き上げられました。レンズアセンブリは、摩擦を減らすために液体水銀に浮かべられることもありました。より近代的な灯台では、一般的にディーゼル発電機で駆動される電灯とモーター駆動装置が使用されました。これらは灯台守にも電力を供給しました。^{[ 25 ]}

大きな全方向性光源からの光を効率的に集光するには、非常に大きな直径のレンズが必要です。従来のレンズを使用すると、非常に厚くて重いレンズが必要になります。フレネルレンズ（発音は/ f r eɪ ˈ n ɛ l /）は、当時の放物面反射鏡で集光されていた20%に対し、ランプの光の85%を集光しました。その設計により、従来のレンズ設計のような重量や体積の材料を必要とせずに、大型で焦点距離の短いレンズを製造することが可能になりました。^{[ 37 ]}

フレネル灯台のレンズは、屈折力の尺度である次数によってランク付けされ、1 次レンズが最も大きく、最も強力で高価であり、6 次レンズが最も小さい。次数はレンズの焦点距離に基づいており、1 次レンズが最も焦点距離が長く、6 次が最も短い。沿岸灯台では一般的に 1、2、または 3 次レンズが使用され、港湾灯やビーコンでは 4、5、または 6 次レンズが使用される。^{[ 38 ]}

ニューファンドランド島のケープ・レース灯台やハワイのマカプウ岬灯台など、一部の灯台では、チャンス・ブラザーズ社製のより強力な超放射フレネルレンズが使用されていた。

灯台の建物は場所や目的によって異なるものの、共通する構成要素を持つ傾向がある。

灯台施設は、灯台塔と、灯台守の居住区、燃料庫、ボート小屋、霧信号所などの付属建物すべてから構成される。灯台自体は、灯火が作動する灯室を支える塔状の構造物である。

灯室は、灯台の塔の最上部にあるガラス張りの空間で、ランプとレンズが収められています。そのガラス製の防風窓は、垂直または斜めに走る金属製の桟（格子）によって支えられています。灯室の最上部には、ランプから出る煙とガラス張りの空間にこもる熱を排出するための防風換気装置が設置されています。金属製のドーム屋根に接続された避雷針と接地システムは、落雷時の安全な経路となります。

灯室のすぐ下には、通常、燃料やその他の物資が保管され、灯台守が夜間の灯火の準備をし、しばしば見張りをしていた監視室または整備室があります。レンズを回転させるための時計仕掛けもそこにありました。灯台の塔には、監視室（メインギャラリーと呼ばれる）または灯室（灯室ギャラリーと呼ばれる）の外側にギャラリーと呼ばれる開放されたプラットフォームがよくあります。これは主に灯室の窓の外側を掃除するために使用されました。^{[ 39 ]}

形状が似ている近隣の灯台は、昼間でも容易に識別できるよう、それぞれ独自の模様で塗装されることが多く、これは「昼間標識」と呼ばれる。ケープハッテラス灯台の白黒の螺旋模様はその一例である。カナダ西部のレースロックス灯台は、水平線上で目立つように、黒と白の水平帯で塗装されている。

効果を発揮するためには、船員が危険に到達する前にランプが視認できる十分な高さに設置する必要があります。最低高さは三角法によって計算されます（水平線までの距離を参照）。${\displaystyle D=1.22{\sqrt {H}}}$ここで、Hは水面からの高さ（フィート）、Dは灯台から水平線までの距離（海里）、つまり灯台の範囲である。^{[ 40 ]}

平坦な砂浜から遠く離れた危険な浅瀬がある場所では、航海者が大洋横断後に上陸する際に航路を知らせるために、典型的な背の高い石造りの沿岸灯台が建設されます。ケープメイ灯台のように、これらの灯台は、高い構造物への風の影響を軽減するために円筒形になっていることがよくあります。この設計の小型版は、ニューロンドン港灯台のように、港の入り口を示す港灯としてよく使用されます。

高い崖がある場所では、ホートン・ポイント灯台のように、その上に小さな構造物を設置することがあります。しかし、米国西海岸のように、頻繁に発生する低い雲によって灯台の光が遮られるような高すぎる場所もあります。このような場合、ポイント・レイエス灯台のように、霧や低い雲が発生している時でも水面から灯台が見えるように、崖の頂上より低い場所に灯台を設置します。カリフォルニア州サンディエゴにも例があります。旧ポイント・ロマ灯台は高すぎて霧でよく見えなかったため、1891年に低い新ポイント・ロマ灯台に建て替えられました。

技術の進歩に伴い、20世紀に建設された灯台には、プレハブ式の鉄骨構造や鋼鉄構造が用いられるようになった。フィンズポイント灯台のように、これらの灯台は、細長い円筒形の芯材を格子状の補強材で囲んだ構造になっていることが多い。

灯台は、水上に建設する必要がある場合もあります。波に洗われる灯台は、イギリスのエディストーン灯台やカリフォルニアのセントジョージリーフ灯台のように、水の衝撃に耐えるように建設された石造りの構造物です。浅い湾では、トーマスポイントショール灯台のように、スクリューパイル灯台の鉄骨構造が海底にねじ込まれ、その上に低い木造構造物が設置されます。スクリューパイルは氷によって損傷を受ける可能性があるため、オリエントポイント灯台のような鋼鉄製のケーソン灯台は寒冷地で使用されます。 オリエントロングビーチバー灯台（バグライト）は、氷による損傷の恐れがあるため、スクリューパイル灯台をケーソン灯台に改造したものです。^{[ 41 ]}スクリューパイル基礎を持つ骨組み鉄塔は、 1852年のキャリスフォートリーフ灯台を皮切りに、フロリダキーズ沿いのフロリダリーフに建設されました。 ^{[ 42 ]}

従来の構造物を設置するには深すぎる海域では、灯台の代わりに灯台船が使用されることがあり、かつての灯台船コロンビア号などがその例である。現在では、これらの灯台船のほとんどは、沖合石油探査で使用されるものと同様の固定式灯台プラットフォーム（アンブローズ灯台など）に置き換えられている。^{[ 38 ]}

陸上の2つの固定点を一直線に並べることで、航海士は位置線を得ることができます。この位置線は、北米ではレンジ、英国ではトランジットと呼ばれます。レンジは、河川などの狭い水路内で船舶を正確に位置合わせするために使用できます。レンジの目印となる固定灯台を照らすことで、夜間航行も可能です。

このような一対の灯台は、北米ではレンジライト、英国ではリーディングライトと呼ばれます。手前の灯台はビーコンまたはフロントレンジと呼ばれ、奥の灯台はリアレンジと呼ばれます。リアレンジライトは、ほとんどの場合、フロントレンジライトよりも高くなっています。

船舶が正しい航路を進んでいるときは、2つの灯火は垂直に一直線に並ぶが、観測者が正しい位置から外れると、その位置のずれが航路を修正するための進行方向を示す。

灯台は陸上または沖合に設置されることがある。

沖合灯台とは、陸地から離れた場所に位置する灯台のことです。^{[ 43 ]}これらの灯台が建設される理由はいくつか考えられます。沖合灯台は、海洋権益に対する主権や領土主張を投影するためによく使用され、初期の公共サービスや国家建設として現れることがよくあります。^{[ 44 ]}このような灯台の例としては、シンガポールの南部海洋権益を主張するラッフルズ灯台、南シナ海に対する中国の係争中の主張を主張するスビ礁灯台、メイン湾とファンディ湾におけるアメリカ合衆国との境界紛争におけるカナダの係争中の主張を肯定するマキアス・シール島灯台などがあります。陸地から数マイル離れた場所に浅瀬、岩礁、または水没した島が存在する場合があります。

現在のコルドゥアン灯台は、海岸から7キロメートル（4.3マイル）離れた小島に1611年に完成しましたが、880年代に遡る以前の灯台の上に建てられており、フランスで現存する最古の灯台です。本土とは土手道で繋がっています。現存する最古の海洋灯台は、スコットランド沖の北海にあるベルロック灯台です。^{[ 45 ]} 

他の灯台は、カリフォルニア州のポイント・ビセンテ灯台のように崖の上などの海岸沿いの土地に建てられているものもあれば、イングランドのイースト・ライディング・オブ・ヨークシャーにあるウィザンシー灯台のように、海に崩れ落ちる危険を避けるために内陸に建てられているものもある。後者は海岸線から約400メートル（1/4マイル）離れた場所に位置している。^{[ 46 ]}

オーストラリアでは、灯台の管理はオーストラリア海事安全局が行っています。

インドでは、灯台は港湾・海運・水路省の機関である灯台・灯船総局によって維持管理されている。^{[ 47 ]}

旧ソ連政府は、ロシア北部の僻地に放射性同位体熱電発電機で動く自動灯台を多数建設した。これらは外部からの支援なしに長期間にわたり高い信頼性で稼働した。^{[ 48 ]}しかし、多くの施設が老朽化したり、盗難に遭ったり、破壊されたりした。記録管理が不十分なため、所在が不明なものもある。^{[ 49 ]}

イギリスとアイルランド共和国には合わせて3つの機関があり、イングランドとウェールズ沿岸の灯台はトリニティ・ハウスが、スコットランドとマン島沿岸の灯台は北部灯台委員会が、アイルランド沿岸の灯台はアイルランド灯台委員会が管理している。

カナダでは、灯台はカナダ沿岸警備隊によって管理されている。

アメリカ合衆国では、灯台はアメリカ沿岸警備隊によって維持管理されており、アメリカ灯台局は1939年にアメリカ沿岸警備隊に統合された。^{[ 38 ]}