バートの太陽コンパス

バートの太陽コンパスまたは天文コンパス/太陽コンパスは、磁気の代わりに太陽の方向を利用する測量機器です。ウィリアム・オースティン・バートは1835 年に太陽コンパスを発明しました。太陽コンパスは、地球表面の観測者の位置がわかっていれば、特定の時間における太陽の方向を同様の精度で計算できるという原理で機能します。方向は、惑星の自転軸に対する太陽の角度で説明できます。

この角度は、緯度による角度、季節による角度、および時刻による角度を組み合わせたものです。これらの角度は、選択した時刻に対してコンパスに設定され、コンパスのベースは、付属の水準器を使用して水平に設定され、指定された時間に照準が太陽に合わせられるため、太陽のイメージが十字格子ターゲットに投影されます。この時点で、コンパスのベースは真北から南に合わせられます。次に、この位置で固定され、その後、照準アームを回転させて任意のランドマークまたはビーコンに合わせることができ、方向は真北に対する角度としてバーニヤから読み取ることができます。

この装置は、測量士が使用する通常の磁気コンパスの問題を回避しました。磁気コンパスは、鉄鉱石の含有量が多い地域や、一貫性がなく未知の地域磁気変動がある地域では、不規則な読み取り値を示しました。この機器は非常に正確であることが判明したため、米国政府は公有地、州境、鉄道路線の測量にこの機器を選択しました。この機器はさまざまな組織から賞を受賞し、19世紀から20世紀にかけて測量士によって使用されました。^[1]

バートは1833年に合衆国副測量士となり、オハイオ川北西の領土の政府所有地の測量を始めた。^[2] 1834年までに、彼と彼の測量チームはミシガン州のロウアー半島の領土の測量を行っていた。1835年までに、彼はミシガン州のアッパー半島の土地の測量をし、新しい入植者が利用できるようにする予定だった。^[3]ここでバートは、磁場の吸引力で動く彼の敏感なコンパスが、磁場を妨害するその地域の鉄鉱床のせいで不規則に変動していることに気付いた。バートは、磁気ではなく太陽光を利用して真北を見つける器具を考案した。彼はその結果生まれた製品を「真子午線探知器具」と呼んだ。^[4]これにより、地元の陸地地区の鉄鉱床の干渉によって測量士のコンパスが不安定になる問題が克服された。^[5]

バートは、ミシガンの調査で初めて太陽計測器を使用しました。^[6]彼は、1844年にミシガン州の上部半島を調査した際に、マルケット郡のネガウニーで大規模な鉄鉱石の露頭鉱床を発見しました。 ^[7]これはマルケット鉄鉱床として知られるようになります。^[8]彼のチームは、ほぼ同じ時期に、州の下部半島で小さな鉄鉱石の鉱床を発見しました。^[9]ミシガン州でのこれらの鉄鉱床の偶然の発見は、アメリカの産業革命に大きく貢献しました。^[10]ミシガン州の銅鉱山地帯にあるカルメット鉱山とヘクラ鉱山は、バートの計測器で発見され、世界有数の銅生産地となりました。^[11]

バートの太陽コンパスは、天文表で太陽の位置を利用し、測量士がより正確な測線を引くことができるため、時間を大幅に節約できます。バートは、1835年にプロの測量機器製作者であるウィリアム・ジェームズ・ヤングにこの機器のモデルを製作させました。 ^{[12]その後、彼はこの太陽コンパスをフィラデルフィアの}フランクリン研究所の委員会に提出しました。^[13]彼らはその特性を審査し、バートに金20ドルとジョン・スコット・メダルを授与しました。^[14]バートは、1836年2月25日に太陽コンパスの革新の特許を取得しました。 ^[15]それ以来、これはバートの太陽コンパスまたは天文コンパスと呼ばれています。彼は1836年から1837年のシーズンにアイオワの第5主子午線の測量に使用しました。 ^{[16] [17]}

バートは、操作が簡単で精度が向上するよう、何年もかけて特定の機構を改良した。^[12] 1840年、彼は改良した太陽コンパスで別の特許を取得した。^[18]彼は改良版の機器をフランクリン研究所に再提出し、最初のバージョンよりも正確で使いやすいことがわかった。^[13]連邦土地局の測量局長ESヘインズは、1840年12月にバートの測量機器を検査し、1841年の手紙で、4年間の測量経験から、当時ほとんどの測量士が使用していた通常のコンパスよりも技術的に優れていることがわかったと報告した。^[19]連邦土地局長官は、バートのコンパスが測量士ヘンリー・ウェアによって製造されており、購入可能であることを米国中の測量局長に手紙で伝えた。 ^[16]

バートは1849年に息子とともにワシントンに行き、期限切れ間近だった1835年の太陽コンパスの特許更新を申請した。^[20]ミシガン州および他の州の上院議員からなる土地管理委員会は、バートの太陽コンパスが公共の土地測量に価値を及ぼすことを認め、更新を諦めて議会に適切な前払い金を請願するよう説得した。バートは適切な補償金が支払われると信じて提案に従った。しかし、提示された補償金はバートの存命中もその後も実現しなかった。^[20]バートの太陽コンパスには1850年以降特許がなかったため、機器メーカーは「バートの太陽コンパス」を製造し、測量士に商品として販売した。^[21]発明者は機器の完成に数千ドルを費やしたが、その労力に対するツールの販売で受け取ったのはわずか80ドルだった。^[20]

バートは、同僚のウィリアム・S・ヤングが書いた『太陽コンパスの鍵と測量士の手引き』 （1858年）の序文で、太陽コンパスの使い方に関する本を求める声が多数あったことに言及している。彼は、一般的な測量士用コンパスでは、場所によって真の子午線が合わないこと、また、日によって、一定値として期待される値や前回の測定値と異なる測定値が出る問題があったことを説明している。磁気コンパスは、鉄鉱石の局所的な引力の影響を受けやすいことが判明した。^[20]測量士にとってより正確なガイドが求められたため、バートは太陽コンパスを作成した。^[22]

1845年、測量士ベラ・ハバードはバートの太陽コンパスを使えば鉄分が豊富な土地を直線で測量できると記した。これは通常のコンパスでは不可能な作業だった。^[23]バートの太陽コンパスが最初に開発されたのは、旧式のコンパスでは陸上の大きな鉄鉱床の影響を受けやすく、読み取りが困難な場所で使用するためだった。その後、地元の鉄鉱床が問題にならない場合でも、一般的に一般的なコンパスより優れていることがわかった。測量士のトランシットに太陽コンパスを取り付けることは、米国土地管理局の1973年測量士マニュアルに指示されているように、真北の方向を知るための推奨方法だった。^[24]この機器は米国で土地の測量に広く採用され、19世紀半ばから衛星GPS技術が測量の好ましい方法となった2000年まで、政府の測量では必須であった。^[18]

測量士は、太陽や、地球表面の任意の地点から方向がわかる星や月などの天体を見ることで、真北を見つけることができます。真北は特定の日時で正確に計算でき、鉄鉱石などの鉱物の堆積による磁場の局所的な変動の影響を受けません。バートの機器により、測量士は地球の磁場の影響を受けることなく、太陽を基準にして真北の方向を決定できます。^[18]これは真鍮製であるため、コンパスの針に磁気的な影響を与えません。^[18]これはもともと標準的な測量士の一般的なコンパスに付属する小さな付属品でした。^[25]

太陽コンパスの応用には、地球を基準フレームの中心として、そしてより具体的には、測量で使用するためにセットアップされた機器の位置に対する、地球の周りの太陽の見かけの動きに関する知識が必要です。コンパスにはこれらの変数のそれぞれを考慮するための特定のサブアセンブリがあるため、緯度と季節による偏角、および時刻による経度の変化を理解する必要があります。^{[22] [26]}

地球の赤道上では、春分と秋分の日には太陽に季節偏角がなく、真東から昇り、真西に沈みます。正午には太陽は真上、最も高い位置にあります。真夜中には最も低い位置にあり、赤道面内を動いているように見えます。赤道から離れた場所では、太陽の正午の高度は、地球の水平線と極軸の角度、つまり緯度によって減少します。そのため、南緯または北緯 10 度の緯度では、春分と秋分の日には正午の高度は90 度 - 10 度 = 80 度になります。この角度は測量士に知られており、機器の緯度アーク上に設定されています。そのため、ベースを水平にし、コンパスを真北に合わせると、^[27]時間アークの軸が極軸と平行になります。^{[22] [26]}

地球の自転軸は、太陽の周りの軌道面に対する垂直から傾いています。この角度により、太陽の高度角は季節によって変化しますが、その量はずれの方向によって異なります。高度角は年間を通じて予測どおりに変化し、計算可能な速度で滑らかに増減し、同時に地球上のどこでも一定です。この値は年鑑の表集に掲載されているため、測量士にも知られています。この偏角の補正は、緯度角の上にある極軸上で回転するように取り付けられたコンパスの偏角弧で行われます。緯度角と偏角は加算されるためです。時刻による太陽の角度は、極軸に垂直な時角弧で設定されます。この角度は経度と GMT から計算されますが、現場での計算は面倒で、誤差があると広範囲にわたる影響を及ぼす可能性があるため、測量士と航海士の便宜のために表にまとめられています。^{[22] [26]}

地球が球体であると仮定すると、昇る太陽から沈む太陽まで直線を引いた場合、また春分と秋分の日の正午と真夜中の太陽から直線を引いた場合、これらの直線は両方とも地球の中心を通り、赤道がこれらの直線と交差する。太陽が北または南に偏角している場合はそうならない。太陽の見かけの動きは赤道面に対して、太陽の北または南の偏角に等しい角度で起こるからである。したがって、太陽が北または南に偏角し、地球がその公転の中心と見なされる場合、太陽から地球の中心までの直線は円錐を描く。^{[22] [26]}

太陽のこの円錐運動は、幌馬車の車輪の皿状のスポークで表現することもできます。縁は太陽の見かけの軌道、ハブは地球を表し、スポークは太陽の軌道から引いた線です。太陽から地球の中心に引いた線は、赤道の北または南を通過し、その角度は赤道の北または南の赤緯に等しいことがわかります。この機器には赤道運動があり、基準となる星を視認するための機械的なアタッチメントが付いています。^{[22] [26]}

バートの太陽コンパスは、三脚スタンドに取り付けられたメインプレートで構成され、2 つの直交する水準器を使用して水平に調整されます。これは、針の北端に約 36 度の目盛りが付いた一般的なコンパスの針箱と、針の変化を読み取​​るためのバーニヤ、および太陽計器の 3 つの調整可能なアーク (1 つは場所の緯度用に設定され、もう 1 つは太陽の季節的な赤緯用に設定され、3 つ目は場所の経度に合わせて調整された 1 日の時間用) を備えています。太陽によって位置合わせを設定するための照準器は、赤緯アークの可動アームに取り付けられており、ターゲット格子に太陽の円盤の画像を焦点に合わせるための小さなレンズを備えています。上部プレートは太陽と位置合わせされ、極の位置合わせ後も固定されたままですが、方位は下部プレートの照準器で測定されます。下部プレートには測量用の照準器が付いており、上部プレートに対して回転でき、上部プレートの任意の位置に固定できます。^{[22] [26]}下側のプレートには目盛りの付いたリングがあり、北を向いた上側のプレートと下側のプレートの測量視線との間の相対的な回転が表示され、角度を正確に読み取れるバーニヤが付いています。^{[22] [26]}

緯度アークは上部プレートに垂直に取り付けられています。時間アークは緯度アークの可動上部に垂直に固定され、偏角アークは偏角アークの上とそれに垂直な極軸上で回転します。アークの位置はネジで微調整でき、角度はバーニヤで読み取れます。部品を所定の位置に固定するために、必要に応じてクランプネジが用意されています。偏角アークの調整可能なリムの一方の端には、太陽の円盤の画像を、垂直の線が2本平行に刻まれたターゲットプレートに焦点を合わせるための小さなレンズが取り付けられており、正しく位置合わせすると画像がフレームされます。^{[22] [26]}

操作は以下のとおりです。

1. 表によって得られたその日の太陽の赤緯を、時間弧に垂直に取り付けられたスケールに設定します。
2. アリダードのスケール上に場所の緯度を設定します。
3. 極軸上で回転する円弧上のおおよその現地時間を設定します。
4. 装置を水平に保ったまま、レンズの反対側のスクリーン上の 2 本の刻み線の間に太陽の像が現れるように向けます。時間ダイヤルを微調整して、最初の 2 本の刻み線に垂直な 2 つ目の刻み線の間に像を置きます。すると、上部プレートの主軸が極を指します。
5. 次に、小羽根（照準羽根）を地上の物体に合わせ、角度スケールからその方位を読み取ります。
6. 磁気偏角はベースプレートに取り付けられたコンパスから読み取ることができます。^{[22] [26]}

バートは長年にわたりこの機器を改良し、その技術はシンプルで頑丈、安価、信頼性が高く正確であると様々な団体から賞を獲得し、19世紀から20世紀にかけて測量士によって使用された。^[2] 1851年、彼はロンドンで開催された万国博覧会で最新版を展示した。 ^{[28]そこで学者の}ジョン・ハーシェルが検査し、承認した。^[11]バートはコンパス機器の設計で博覧会から賞を受賞した。^{[11] [29]その後、1851年10月15日}、ロンドンのハイドパークで、よりシンプルで正確なバージョンに対して、天文機器の審査員から別のメダルが授与され、チャールズ皇太子アルバート・エドワードから個人的な賛辞が贈られた。^[30]

この機器は、大規模な鉄鉱床によって磁場の異常が生じた地域で、当時の一般的なコンパスの測定値が非常に変動しやすく信頼性が低いことから、これを回避するために発明されました。この機器は非常に正確であることが判明したため、米国政府によって公有地、州境、鉄道路線の測量用に指定されました。^[31]バートの機器は、米国の公有地の75％、約10億エーカーの測量に使用されました。^[20]一般的に安価で測量が正確だったため、政府は数百万ドルを節約しました。この機器は、ミシガン州、ウィスコンシン州、ミネソタ州、アーカンソー州、コロラド州など、多くの州の鉱区の測量をしました。土地の一区画を測量するためのプロジェクト費用は、発明以前の費用のほんの一部でした。比較例としては、アイオワ州とミネソタ州の境界線が、旧式の測量機器を使用して1マイルあたり120ドル（1キロあたり75ドル）で測量されたのに対し、バートの太陽コンパスを使用すると1マイルあたり15ドル（1キロあたり9.3ドル）しかかからなかった。^[32]

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