NAWIGACJA W STAROŻYTNOŚCI PO MORZU ŚRÓDZIEMNYM I NIE TYLKO

Dzięki temu zadaniu uczniowie nauczą się:

• nawigacji przy pomocy gwiazd, które to znana jest od bardzo dawna.

• że oprócz gwiazdy polarnej istnieją i inne metody określania kierunków świata w oparciu o położenie gwiazd.

• że starożytni żeglarze potrafili z powodzeniem żeglować po morzach opierając się na gwiazdach i konstelacjach gwiazd.

Uczniowie będą potrafili:

• opisać metody jakie wykorzystywane są do określenia kierunków świata przy pomocy obserwacji nieba.

• nazwać istotne konstelacje gwiazd.

• wyjaśnić rolę gwiazd okołobiegunowych i konstelacji.

• korzystać z arkusza kalkulacyjnego Excel w celu prowadzenia wyliczeń.

• opisać znaczenie umiejętności nawigacyjnych jakie posiadały pierwsze cywilizacje.

Zgodnie z pytaniami jakie zawarte zostały w opisie zadania nauczyciel powinien pełnić rolę przewodnika uczniów i pokazywać im w jaki sposób rozpoznawać położenie i widoczny ruch obiektów niebieskich, które służą jako wskazówki w określaniu kierunków świata.

Zanim zaczniesz pracować nad zadaniem numer 1 uczniowie powinni dokładnie przyjrzeć się załączonej mapie. Wizyta w planetarium może im pomóc w zapamiętaniu konstelacji. Pozwól uczniom nazwać konstelacje jakie już znają.

Zapytaj się uczniów(zobacz Q&A w opisie zadania) gdzie widoczna będzie gwiazda północna gdy obserwujemy ją z bieguna północnego i równika. Następnie zapytaj się ich jak zmienia się jej pozycja, gdy podróżujemy między tymi miejscami. Gdy uczniowie zrozumieją omawiane zagadnienie, wprowadź do lekcji zagadnienie obrotu i widocznego ruchu gwiazd. Pokaż uczniom zdjęcie ścieżki ruchu gwiazd i zapytaj się skąd ono pochodzi. Zapytaj się uczniów także i o to, które z gwiazd lub konstelacji jakie wymienione zostały wcześniej pozostają ponad horyzontem w różnych miejscach na ziemi. Są to gwiazdy okołobiegunowe i konstelacje.

Wyjaśnij uczniom sposób korzystania z arkusza kalkulacyjnego Excel jaki potrzebny będzie w zadaniu nr 2. Pozwól uczniom porównać swoje wyniki dla różnych szerokości geograficznych.

Porozmawiaj z uczniami na temat przyczyn podróżowania drogą morską w czasach starożytnych.

Trzecie z zadań do wyboru to swojego rodzaju podsumowanie i może zostać wykorzystane jako ocena tego, czego uczniowie się nauczyli.

Poniższa lista zwiera wykaz rzeczy jakich potrzebować będzie każdy z uczniów. Nauczyciel może zdecydować o tym czy uczniowie będą pracować w parach czy też nie.

• Arkusze do pracy

• Kompasy

• Ołówek

• Linijka

• Kalkulator

• Kątomierz

• Komputer z zainstalowanym programem MS Excel

• Arkusz Excel: „AncientMediterranean_BrightStars_EUSPACE-AWE_Navigation.xlsx”

Strony świata

Rysunek 1: Widoczny dzienny ruch słońca na półkuli północnej w czasie równonocy. Słońce osiąga najwyższy punkt wzniesienia ponad horyzont na południu. Na półkuli południowej słońce porusza się w kierunku północnym (Źródło: Tauʻolunga, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Equinox-50.jpg, „Equinox-50“, system współrzędnych horyzontalnych i informacje dodane przez Markusa Nielbock’a, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Kierunki stron świata określane są poprzez procesy astronomiczne takie jak dzienny i roczny widoczny ruch słońca oraz ruch gwiazd. W czasach starożytnych i prehistorycznych niebo z pewnością miało inne znaczenie niż ma to miejsce obecnie. Odzwierciedlenie tej tezy widoczne jest w szeregu mitów na temat nieba jakie powstawały we wszystkich zakątkach ziemi. Możemy dzięki temu wnioskować, że procesy obecne na niebie były oglądane i monitorowane w sposób bardzo dokładny. Dzięki temu możliwe było zaobserwowanie istniejącej cykliczności i zjawisk zachodzących na niebie.

W przypadku dowolnej pozycji ziemi z wyjątkiem położenia w okolicach równika słońce zawsze kieruje się w tym samym kierunku (Rysunek 1). Obszar między dwoma zwrotnikami 23.5° szerokości północnej i południowej od równika jest wyjątkowy gdyż słońce może przyjmować pozycję w zenicie w południe czasu lokalnego przez cały rok. Nocą gwiazdy poruszają się wokół biegunów gwiezdnych. Badania archeologiczne czasów prehistorycznych takie jak miejsca pochówku i umiejscowienie budynków pokazują, że znane już wtedy były kierunki świata (np. McKim Malville & Putnam, 1993; Rudgeley, 2000; Schmidt-Kaler & Schlosser, 1984). Dlatego też oczywistym jest, że kierunki świata

stosowane były we wczesnych etapach nawigacji. Kompas magnetyczny do XIII wieku był nieznany w Europie (Lane, 1963).

Szerokość i długość geograficzna

Rysunek 2: Ilustracje pokazujące w jaki sposób określane są szerokości i długości geograficzne (Źródło: Peter Mercator, djexplo, CC0).

Każde miejsce na ziemi określane jest przy pomocy dwóch współrzędnych. Powierzchnia okręgu jest zakrzywiona, tak więc korzystanie ze współrzędnych góra dół nie ma zupełnie sensu gdyż powierzchnia okręgu nie ma ani początku ani końca. Zamiast tego możemy skorzystać ze współrzędnych biegunowych okręgu, które zaczynają się od środka okręgu wraz ze stałym promieniem (Rysunek 2). Otrzymujemy wówczas dwie współrzędne kątów. W przypadku ich zastosowania do ziemi, noszą one nazwę szerokości i długości geograficznych. Ich obrót tworzy oś symetrii. Biegun Północny określany jest jako punkt, gdzie teoretyczne osie obrotu spotykają powierzchnię okręgu i gdzie obrót zachodzi w kierunku odwrotnym do ruchu wskazówek zegara gdy patrzymy na Biegun Północny z góry. Punktem przeciwnym jest Biegun Południowy. Równik definiowany jest jako wielki okrąg w połowie drogi między obydwoma biegunami.

Szerokości geograficzne to okręgi równoległe do równika. Liczone są one od 0°na równiku do ±90° na biegunach. Długość geograficzna to okręgi łączące dwa bieguny ziemi. Dla każdego miejsca na ziemi długość geograficzna przechodzi przez zenit, tj. przez punkt noszący nazwę południka. Jest to linia, którą przekracza słońce w południe. Współrzędna ta pochodzi of Południka Głównego, który przechodzi przez Greenwich, gdzie znajduje się Królewskie Laboratorium Astronomiczne. Od tego miejsca południki liczone są od 0° do ±180°.

Przykład: Współrzędne geograficzne Heidelbergu w Niemczech to 49.4° North i 8.7° East.

Wzniesienie bieguna (wysokość bieguna)

Rysunek 3: Ślady gwiazd na niebie w okresie czasu około dwóch godzin (Źródło: Ralph Arvesen, Live Oak star trails, https://www.flickr.com/photos/rarvesen/9494908143, https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode).

Jeżeli naniesiemy na niebie system współrzędnych ziemi w postaci długości i szerokości geograficznej to otrzymamy system współrzędnych ciał niebieskich. Równik ziemi staje się wówczas równikiem gwiazd a bieguny geograficzne podlegają ekstrapolacji i tworzą bieguny niebieskie. Gdybyśmy mieli zrobić zdjęcie o dużej ekspozycji nieba północnego to zobaczylibyśmy ślady gwiazd obracających się wokół jednego miejsca, niebieskiego bieguna północnego (Rysunek 3).

Rysunek 4: Konfiguracja dwóch konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy i Małej Niedźwiedzicy na niebie północnym. Gwiazda Północna, która znajduje się blisko prawdziwego bieguna północnego nieba jest najjaśniejszą z gwiazd w konstelacji Małej Niedźwiedzicy (Źródło: Bonč, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ursa_Major_-_Ursa_Minor_-_Polaris.jpg, „Ursa Major – Ursa Minor – Polaris”, w oparciu o https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ursa_Major_and_Ursa_Minor_Constellations.jpg, kolory odwrócone przez Markusa Nielbock’a, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Na półkuli północnej występuje stosunkowo jasna gwiazda w pobliżu bieguna niebieskiego, tj. Gwiazda Północna. Jest to najjaśniejsza z gwiazd w konstelacji Małej Niedźwiedzicy (Rysunek 4). Obecnie Gwiazda Północna jest odchylona o mniej niż 1 stopień. Jednak 1000 lat temu znajdowała się o 8° od bieguna. Dlatego dzisiaj pełni ona rolę odnośnika w stosunku do pozycji niebieskiego bieguna północnego. Na południowym biegunie niebieskim nie można zobaczyć gołym okiem tego rodzaju gwiazdy. Aby ją zobaczyć należy korzystać z innego rodzaju metod.

Gdybyśmy stanęli dokładnie tam gdzie znajduje się geograficzny Biegun Północny to gwiazda północna byłaby zawsze dokładnie nad naszymi głowami. Możemy powiedzieć, że jej położenie wynosiłoby (niemal) 90°. Informacja ta stanowi wprowadzenie do systemu współrzędnych horyzontalnych (Rysunek 5). Stanowią one naturalny odnośnik z jakiego korzystamy każdego dnia. My jako obserwatorzy jesteśmy autorami tego systemu współrzędnych zlokalizowanego na płaskiej powierzchni, której krawędź stanowi horyzont. Niebo pokazane jest jako półkula nad nią. Kąt pomiędzy danym obiektem na niebie a horyzontem określa wysokość. Podany kierunek stanowi kąt między 0° a 360°, czyli azymut, który obliczany jest zazwyczaj od północy w kierunku ruchu wskazówek zegara. W nawigacji jest to określane mianem namiaru. Południk to linia, która łączy biegun północny z południowym ponad horyzontem i przechodzi przez zeni

Rysunek 5: Ilustracje horyzontalnego systemu współrzędnych. Współrzędne przypisane są obserwatorowi w postaci azymutu i wysokości (Źródło: TWCarlson, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Azimuth-Altitude_schematic.svg, „Schemat Azymut-Wysokość“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Dla każdego innego miejsca na ziemi biegun nieba lub Gwiazda Północna pojawiłaby się na wysokości mniejszej niż 90°. Na równiku dotknęłaby jedynie horyzontu, tj. byłaby na wysokości 0°. Związek między szerokością geograficzną (Biegun Północny = 90°, Równik = 0°) oraz wysokość Gwiazdy Północnej nie są zbiegiem przypadku. Rysunek 6 pokazuje wszystkie trzy rodzaje współrzędnych. Dla osoby obserwującej, niezależnie od jej szerokości geograficzne na ziemi, lokalny system współrzędnych horyzontalnych dotyka ziemskiego sferycznego układu współrzędnych w pojedynczym miejscu styku. Rysunek ten pokazuje, że wysokość bieguna północnego nieba znana również pod nazwą wysokości bieguna jest równa dokładnie szerokości geograficznej północnej osoby obserwującej na ziemi.

Rysunek 6: Kiedy połączymy te trzy systemy współrzędnych (sferyczny ziemski, równikowy niebieski, lokalny horyzontalny) to będzie jasne, że szerokość geograficzna obserwującego to dokładnie punkt wzniesienia bieguna nieba noszącego także nazwę wysokości bieguna (Źródło: M. Nielbock, praca własna).

Z tego możemy wnioskować, że jeżeli zmierzymy wysokość Gwiazdy Północnej to będziemy w stanie określić w miarę dokładnie naszą szerokość geograficzną na ziemi.

Gwiazdy okołobiegunowe i konstelacje

W starożytności, tj. w epoce brązu, nie było możliwe korzystanie z Gwiazdy Północnej w celu określenia północy. W związku z precesją osi ziemi 3500 lat temu znajdowała się ona o około 30° od bieguna północnego nieba. Zamiast tego gwiazda o nazwie Thuban (α Draconis) mogła być wykorzystywana w tym celu gdyż jej odchylenie wynosiło mniej niż 4°. Jednak świeciła ona znacznie słabiej niż Gwiazda Północna i być może dlatego właśnie nie zawsze była widoczna gołym okiem.

Rysunek 7: Gwiazdy w regionie północnego bieguna nieba 2750 przed naszą erą i w roku 2016 naszej ery (prac własna, wykonana przy pomocy XEphem Wersja 3.7.6 wyprodukowane przez Elwood C. Downey i dystrybuowane przez Clear Sky Institute Inc., Solon, Iowa, USA, http://www.xephem.com).

Gdy patrzymy na niebo w nocy niektóre z gwiazd w pewnym promieniu od bieguna nieba nigdy nie znikają; są to gwiazdy okołobiegunowe (zobacz Rysunek 3). Żeglarze potrafili określić prawdziwe położenie bieguna nieba obserwując gwiazdy znajdując się blisko niego. Ta metoda działa w taki sam sposób w przypadku południowego bieguna nieba.

Gdy żeglujemy na północ bądź na południe obserwujemy, że wraz ze zmieniającą się wysokością bieguna nieba zmianie ulega także zasięg okołobiegunowy. Dlatego też kiedykolwiek żeglarze widzą tą samą gwiazdę lub konstelację przechodzą przez południk na tej samej wysokości są w stanie pozostać na tej samej „szerokości”. Ci starożytni Grecy, którzy byli dobrze wykształceni znali zagadnienie szerokości geograficznej ziemi, ale zwykli żeglarze najprawdopodniej o tym nie wiedzieli. Im wystarczyło znaleźć związek między wysokością gwiazd a ich kursem. Żeglarze w starożytności bardzo dobrze znali nocne niebo. Korzystali ze względnych pozycji konstelacji, aby móc określić swoją pozycję jako szerokość geograficzną.

Wczesne podróże morskie i nawigacja po Morzu Śródziemnym

Nawigacja przy pomocy ciał niebieskich to umiejętność, która miała zastosowanie na długo zanim ludzie pojawili się na ziemi. Znamy obecnie wiele przykładów zwierząt, które odnajdywały drogę w nocy lub w ciągu dnia. Pszczoły czy motyle wędrowne odnajdują odpowiedni kierunek dzięki słońcu (Sauman et al., 2005), tak jak szpaki (Kramer, 1952). Niesamowita jest też zdolność ptaków (Emlen, 1970; Lockley, 1967; Sauer, 1958) i fok (Mauck, Gläser, Schlosser, & Dehnhardt, 2008), które potrafią określić położenie gwiazd nocą dzięki czemu mogą obrać odpowiedni kierunek. Jednak w obecnych czasach wskutek intensywnego światła generowanego przez miasta, mocne światło może być pomylone ze światłem generowanym przez ciała niebieskie. Na przykład ćmy korzystają z księżyca

aby poruszać się w danym kierunku, ale jeżeli pomylą go z lampą uliczną zaczną poruszać się wokół niej aż padną z wycieńczenia (Stevenson, 2008). Dlatego też zanieczyszczenie świetlne jest poważnym zagrożeniem dla wielu zwierząt. Skala tego problemu pokazana jest na Rysunku nr 8.

Rysunek 8: Półwysep Iberyjski widziany nocą z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (Źródło: zdjęcie wykorzystane dzięki uprzejmości Earth Science and Remote Sensing Unit, NASA Johnson Space Center, mission-roll-frame no. ISS040-E-081320 (26 July 2014), http://eol.jsc.nasa.gov/SearchPhotos/photo.pl?mission=ISS040&roll=E&frame=081320).

Wsród pierwszych ludzi którzy żeglowali po otwartych morzach byli rdzenni mieszkańcy Australii, którzy dokonali tego około 50,000 lat temu (Hiscock, 2013). Najstarsze informacje na temat żeglowania po Morzu Śródziemnym pochodzą z roku około 7000 przed naszą erą (Hertel, 1990), kiedy to wykorzystywane były małe łodzie lub statki zasilane jedynie wiosłami. Trasy po jakich poruszały się te statki znajdowały się blisko brzegu, gdzie punkty odniesienia pomagały żeglarzom w dotarciu do wyznaczonych miejsc. Aby móc podróżować na większe odległości konieczny był mechanizm zasilania, który byłby niezależny od pracy ludzkich mięśni. Dlatego też żagiel stał się jednym z najważniejszych wynalazków człowieka a jego znaczenie jest podobne do roli jaką odegrało koło. Mniej więcej w połowie czwartego tysiąclecia przed naszą erą egipskie statki przemierzały wschodnie obszary Morza Śródziemnego (Bohn, 2011) i w ten sposób ustanowiły trasy handlowe z Byblos in Fenicji, biblijnym Kanaan, obecnie Libanem. To wtedy rozpoczęła się epoka brązu. Cyna była istotnym materiałem w epoce brązu a jej zasoby z Europie centralnej i zachodniej przyczyniły się do rozpowszechnienia się handlu na szeroką skalę (Penhallurick, 1986). Transport na długie odległości zarówno po Morzu Śródziemnym ale i nie tylko odbywał się przy pomocy statków

Rysunek 9: Mapa pokazująca rozwój metalurgii. Zasoby cyny w czasie epoki brązu znajdowały się głównie w europejskiej części wybrzeża Atlantyku (Źródło: Użytkownik: Hamelin de Guettelet, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metallurgical_diffusion.png, dostęp publiczny).

Wkrótce potem żeglarze zdali sobie sprawę z tego, że obiekty niebieskie, a w szczególności gwiazdy, mogą być wykorzystywane do wyznaczania i utrzymywania kursu statku. Tego rodzaju umiejętności wymieniane były we wczesnej literaturze jak Odyseja Homera, która jak się uważa datuje się na VIII wiek przed naszą erą. Uważa się, że oryginalne źródła pochodzą z epoki brązu kiedy to kultura minojska z Krety odgrywała znaczącą rolę. Zamieszkiwali oni północny region Morza Śródziemnego w latach 3650 i 1450 p.n.e. i żeglowali po Morzu Egejskim. Z uwagi na fakt, że wiele ze zbudowanych przez nich budynków sakralnych miało związek z kierunkami stron świata i zjawiskami astronomicznymi jak wschód słońca i przesilenia (Henriksson & Blomberg, 2008, 2009), uważa się, że wykorzystywali oni swoją wiedzę również w nawigacji po morzach (Blomberg & Henriksson, 1999). Żeglowali na wyspę Santoryn i do Egiptu a taka podróż zajmowała im kilka dni na morzu.

Rysunek 10: Mapa Krety oraz starożytna kultura minojska we wczesnych latach drugiego tysiąclecia p.n.e. (Źródło: Eric Gaba (Sting), https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crete_integrated_map-en.svg, uwagi na czerwono wprowadzone przez Markusa Nielbock’a, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode).

Grecki poeta Aratos z Soli opublikował Phaneomena około 275 roku p.n.e.(Aratus, Callimachus, & Lycophron, 1921), gdzie szczegółowo opisał umiejscowienie konstelacji i kolejność według której wschodziły i zachodziły one na niebie. Były to bardzo cenne informacje dla każdego żeglarza pozwalające na utrzymanie danego kursu. Należało jedynie skierować statek w kierunku gwiazdy i podążać wraz z nią przy pomocy konstelacji jakie pojawiały się przed statkiem. Azymut danej gwiazdy gdy wschodzi lub zachodzi pozostaje niezmienny przez cały rok, z wyjątkiem niewielkich wahań na przestrzeni 26000 lat związanych z precesją osi ziemi. Co ciekawe pozycje wskazane przez Aratosa nie pasowały do okresów późnej epoki brązu ani wczesnej epoki żelaza, ale odpowiadały epoce panowania kultury minojskiej (Blomberg & Henriksson, 1999) jakie miało miejsce około 2000 lat wcześniej.

Około 1200 roku przed naszą erą Fenicjanie stali się dominującą cywilizacją w rejonie Morza Śródziemnego. Zbudowali oni ośrodki wzdłuż południowych i zachodnich brzegów Morza Śródziemnego i nie tylko. Wśród nich było założone przez nich Gades (obecnie Kadyks), niedaleko cieśniny Gibraltarskiej, który stanowił punkt handlowy dla towarów i dóbr z Europy północnej (Cunliffe, 2003; Hertel, 1990). Udokumentowanych zostało także kilkanaście wypraw morskich do Brytanii jak i wypraw wzdłuż wybrzeży Afryki (Johnson & Nurminen, 2009)

Rysunek 11: Niebo nocą od Krety do Aleksandrii w dniu 22 września 2000 roku p.n.e, 21:30 czasu uniwersalnego (Źródło: praca własna, wykonana przy pomocy Stellarium, bezpłatnego oprogramowania GNU GPL, po Blomberg & Henriksson (1999), Fig. 9).

Grecki historyk Herodot (około 484 – 420 p.n.e.) wspominał o fenickich wyprawach jakie finansowane były przez egipskiego faraona Necho II (610 – 595 p.n.e), które wyruszały z Morza Czerwonego, aby opłynąć Afrykę i powrócić do Egiptu przez Morze Śródziemne (Bohn, 2011; Hertel, 1990; Johnson & Nurminen, 2009). Żeglarze zauważyli, że niekiedy słońce znajdowało się na północy (Cunliffe, 2003), co jest zrozumiałe po przekroczeniu równika od południa. Wszystko to przemawia za wspaniałymi umiejętnościami nawigacyjnymi. Gdy Persowie podbili Fenicję w 539 p.n.e. ich znaczenie zmalało, ale zostało ono przywrócone przez potomków utworzonych przez nich ośrodków, Kartagińczyków.

Rysunek 12: Trasy handlowe Fenicjan w epoce brązu w Europie (Źródło: DooFi, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PhoenicianTrade_EN.svg, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode ).

Pyteasz

Długie podróże morskie zostały dobrze udokumentowane przez starożytnych autorów i naukowców takich jak Strabon, Pliniusz i Diodor Sycylijski. Ale to Pyteasz (około 380 – 310 p.n.e.), grecki astronom, geograf i badacz z dzisiejszej Marsylii około roku 320 p.n.e. opuścił Morze Śródziemne i podróżował wzdłuż zachodniego wybrzeża Europy docierając do Wysp Brytyjskich i dalej do Bieguna Północnego jak i prawdopobnie Islandii oraz Wysp Owczych, które nazwał Thule (Baker & Baker, 1997; Cunliffe, 2003; Hergt, 1893).

Massalia (lub Massilia), to stara nazwa dzisiejszej Marsylii, została założona przez Greków około 600 roku p.n.e. i szybko stała się jednym z największych i najbogatszych greckich miast w zachodniej części Morza Śródziemnego posiadającym silne więzi handlowe z plemionami Celtyckimi, które zamieszkiwały większą część Europy (Cunliffe, 2003). Pyteasz urodził się w późnej epoce brązu gdy handel z regionami północnej Europy był w rozkwicie. Grecy nie wiedzieli dużo na temat tej części świata poza tym, że mieszkający tam barbarzyńcy wydobywali rudy żelaza i dostarczali cenny bursztyn, który był ogromnie poszukiwanym towarem w rejonie Morza Śródziemnego. Być może Pyteasz postanowił odkryć nowe lądy ze zwykłej ciekawości.

Rysunek 13: Statua Pyteasza znajdująca się w Palais de la Bourse w Marsylii będąca uhonorowaniem jego osiągnięć (Źródło: Rvalette, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pythéas.jpg, „Pythéas“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Jego podróż była krokiem milowym gdyż Pyteasz był naukowcem i wielkim obserwatorem. Korzystał on z gnomonu i zegara słonecznego, który pozwolił mu określić szerokość geograficzną na jakiej się znajdował jak również mierzyć czas podczas jego wyprawy (Nansen, 1911). Zauważył on także, że latem słońce świeciło dłużej na wyższych szerokościach geograficznych. Ponadto jako pierwszy zauważył związek pomiędzy pływami, które praktycznie nie występują na Morzu Śródziemnym oraz fazami księżyca (Roller, 2006).

Rysunek 14: Podróż Pyteasza z Massalii według Cunliffe (2003) (Źródło: ESA/Cunliffe, http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2005/09/The_journey_of_Pytheas, http://www.esa.int/spaceinimages/ESA_Multimedia/Copyright_Notice_Images).

Wprowadzenie

Dobrze byłoby gdyby zadanie to stanowiło część lekcji na temat podróży po morzach, np. podczas lekcji geografii, historii, literatury, itd.

Wskazówka: Zadanie to można połączyć z innymi sposobami nabywania wiedzy jak na przykład prezentacjom z historii, literatury czy geografii, które poświęcone są nawigacji. Dzięki temu uczniowie byliby bardziej zaangażowani w poznawanie zagadnienia aniżeli słuchając jedynie faktów podawanych przez nauczyciela.

Możesz także pokazać uczniom ciekawe filmy dokumentalne na temat poznawania mórz. Jako wprowadzenie do nawigacji przy pomocy gwiazd jak i pierwszych żeglarzy, pozwól uczniom obejrzeć nastepujące filmy wideo. Ostatni z nich jest w języku francuskim. Możesz to zrobić w ramach lekcji języka francuskiego w szkole. Jeżeli nie jest to możliwe, opowiedz historię o Pyteaszu tak jak

przedstawione zostało to w informacjach dodatkowych. Możesz połączyć omawiane zagadnienie w informacjami podawanymi na lekcjach literatury bądź historii prosząc uczniów o przeczytanie „Niesamowitej Podróży Pyteasza” autorstwa B. Cunliffe

Część 2: Żeglowanie przy pomocy gwiazd (Czas trwania: 4:39)

https://www.youtube.com/watch?v=DoOuSo9qElI

W jaki sposób pierwsi żeglarze potrafili nawigować po morzach? | Ciekawy Inżynier (Czas trwania: 6:20)

https://www.youtube.com/watch?v=4DlNhbkPiYY

Odkrywcy Świata w 10 minut (Czas trwania: 9:59)

https://www.youtube.com/watch?v=iUkOfzhvMMs

Dawno temu … Człowiek: Odkrywcy - Pierwsi żeglarze (Czas trwania: 23:13)

https://www.youtube.com/watch?v=KuryXLnHsEY

Pyteasz, un Massaliote méconnu (w języku francuskim, czas trwania: 9:57)

https://www.youtube.com/watch?v=knBNHbbu-ao

Zapytaj się uczniów przez jak długi okres czasu ludzie korzystali ze statków, aby przemierzać oceany. Ktoś z klasy może wskazać na migrację homo sapiens na wyspy i odizolowane kontynenty takie jak Australia.

Możliwa odpowiedź:

Wiemy na pewno, że statki były wykorzystywane do podróży na długie odległości już od roku 3000 p.n.e. lub wcześniej. Jednak już pierwsi osadnicy w Australii musieli znaleźć sposób na dostanie się tam już około 50000 lat p.n.e.

Zapytaj się uczniów jakie mogą być korzyści z odkrywania mórz. Być może któryś z uczniów zna dawne kultury lub ludy, które znane były ze swoich umiejętności żeglowania. Nauczyciel może pomóc uczniom podając kilka przykładów ludów ze starożytności, które znane były z żeglarstwa, np. w rejonie Morza Śródziemnego.

Możliwa odpowiedź:

Znajdowanie nowych zasobów, handel, duch odkryć, ciekawość.

Zapytaj się uczniów w jaki sposób odnajdują drogę do szkoły każdego dnia. Co sprawia, że nie gubią się i znajdują właściwą drogę? Gdy wymienią oni punkty odniesienia (budynki, światła, przystanki autobusowe, itd.) zapytaj się ich w jaki sposób żeglarze odnajdywali drogę na morzu. Dawno temu korzystali z informacji w oparciu o znane im punkty odniesienia. Ale aby tak mogło się stać, statki musiały znajdować się w niedalekiej odległości od brzegu. Latarnie morskie zmieniły to. Kompasy magnetyczne odkryto dość późno bo około XI wieku naszej ery a w Europie zaczęto z nich korzystać dopiero w XIII wieku. Ale co może stanowić punkt odniesienia na otwartym morzu? Uczniowie mogą wymienić obiekty niebieskie takie jak słońce, księżyc czy gwiazdy.

Sugerowane pytania dodatkowe, w szczególności po obejrzeniu przez uczniów filmów wprowadzających

Q: Kim był Pyteasz?

A: Pyteasz był żyjącym w starożytności greckim naukowcem i odkrywcą.

Q: Gdzie żył i w jakim okresie?

A: Pyteasz żył w IV wieku p.n.e. w późnej epoce brązu w Massalii, obecnie Marsylii.

Q: Dokąd podróżował?

A: Pyteasz podróżował wzdłuż wybrzeży Oceanu Atlantyckiego Europy do Brytanii i prawdopobnie dotarł do Koła Podbiegunowego i na Islandię.

Q: Co zaobserwował i co odkrył podczas swojej podróży?

A: Był on pierwszym Grekiem, który podróżował tak daleko na północ. Zauważył on, że długość dnia uzależniona jest od szerokości geograficznej. Również jako pierwszy zauważył związek między pływami a fazami księżyca.

Zadanie 1: Konstelacje okołobiegunowe i gwiazdy

Potrzebne materiały:

• Arkusze

• Kompasy

• Ołówek

• Linijka

• Kalkulator

W przypadku braku gwiazdy świecącej na jasno w rejonie biegunów nieba starożytni żeglarze byli w stanie odnaleźć bieguny nieba obserwując gwiazdy okołobiegunowe. Posiadali oni wystarczająco duże doświadczenie, aby móc określić kierunek północny rozpoznając położenie względne tych gwiazd jak i ich ścieżki wokół nich.

Oprócz tego korzystali oni z konstelacji okołobiegunowych i gwiazd, aby znaleźć szerokość geograficzną na jakiej się znajdowali. Gwiazdy te nigdy nie wschodzą ani nie zachodzą - znajdują się zawsze ponad horyzontem. Chociaż dzisiaj możemy po prostu zmierzyć wysokość Gwiazdy Północnej ponad horyzontem żeglarze w starożytności widzieli gwiazdę Polaris o kilka stopni dalej od bieguna północnego nieba niż ma to miejsce dzisiaj. Na półkuli południowej nie występuje tego rodzaju wskazanie na niebie. Tak więc zamiast mierzyć wysokość Gwiazdy Północnej obserwowali oni gwiazdy i konstelacje, które były widoczne ponad horyzontem gdy znajdowały się w najniższym punkcie wzniesienia nad horyzontem (niższa kulminacja) gdy znajdowały się wokół bieguna nieba.

Pozwól uczniom obejrzeć te dwa filmy wideo, które pokazują zjawisko gwiazd okołobiegunowych i konstelacji dla dwóch miejsc na ziemi. Pokazują one symulację dziennego obrotu nieba wokół bieguna północnego nieba.

CircumpolarStars Heidelberg 49degN (Czas trwania: 0:57)

https://youtu.be/uzeey9VPA48

CircumpolarStars Habana 23degN (Czas trwania: 0:49)

https://youtu.be/zggfQC_d7UQ

Uczniowie zauważą, że:

1. Zawsze obecne są gwiazdy i konstelacje, które nigdy nie zachodzą. Są to gwiazdy okołobiegunowe i konstelacje.

2. Kąt między biegunem nieba (Polaris) a horyzontem uzależniony jest od miejsca w którym znajduje się obserwujący. Tak naprawdę kąty te są identyczne.

3. Obszar okołobiegunowy uzależniony jest od szerokości geograficznej na jakiej znajduje się obserwujący. Jest on większy dla miejsc znajdujących się bliżej bieguna.

Jeżeli uczniowie wiedzą w jaki sposób korzystać z planisfery to mogą zbadać to samo zjawisko oglądając te dwa filmy.

CircumPolarStars phi N20 (Czas trwania: 0:37)

https://youtu.be/Uv-xcdqhV00

CircumPolarStars phi N45 (Czas trwania: 0:37)

https://youtu.be/VZ6RmdzbpPw

Pokazują one obrót nieba na szerokościach geograficznych 20° i 45°. Przezroczysty obszar to niebo jakie jest widoczne przez dany okres czasu. Okręgi wskazują obszar gwiazd okołobiegunowych i konstelacji.

Pytania

Q: Co jest takiego wyjątkowego jeżeli chodzi o geograficzny biegun północny i południowy w porównaniu do innych miejsc??

A: Określają one oś obrotu ziemi.

Q: Jak możesz odnaleźć kierunki świata bez użycia kompasu?

A: Ciała niebieskie, np. gwiazdy takie jak Gwiazda Północna wskazują biegun północny nieba.

Q: Dlaczego Gwiazda Północna (Polaris) wskazuje północ?

A: Za naszego życia Gwiazda Północna znajduje się w pobliżu północnego bieguna nieba.

Q: Gdzie na niebie możesz znaleźć północny/ południowy biegun nieba jeżeli znajdziesz się dokładnie na ziemskim biegunie północnym/ południowym?

A: W zenicie, tj. dokładnie nad głowami.

Q: Jak zmieniłoby się jego położenie gdybyś podróżował w kierunku równika?

A: Wysokość od zenitu po horyzont uległaby zmniejszeniu.

Q: Co to są konstelacje okołobiegunowe?

A: Są to konstelacje, które obracają się wokół jedneego z biegunów nieba i nigdy nie wschodzą ani nie zachodzą. Znajdują się zawsze ponad horyzontem.

Q: Które z widocznych konstelacji byłyby konstelacjami okołobiegunowymi gdybyś stanął na biegunie północnym/ południowym ziemi lub na równiku?

A: Cała półkula południowa/ północna (bieguny). Żadne na równiku.

Q: Gdyby nie było widać Gwiazdy Północnej, w jaki sposób można byłoby określić szerokość geograficzną?

A: Skoro położenie gwiazd okołobiegunowych i konstelacji uzależnione jest od szerokości geograficznej tak samo jak ma to miejsce w przypadku Gwiazdy Polarnej, te gwiazdy które zawsze znajdują się ponad horyzontem wskażą miejsce, gdzie się znajduję.

Ćwiczenie

Zadanie uczniów polega na tym, aby wcielili się w rolę żeglarza, który żył 5000 lat temu. Korzystając z nabytych umiejętności uczniowie mają za zadanie określić te konstelacje, które są okołobiegunowe gdy patrzymy na nie z ziemi.

Tabela poniżej zawiera nazwy sześciu miast wraz z ich szerokością geograficzną. Wartości ujemne pokazują szerokości na półkuli południowej. Rząd siódmy jest pusty i to tam uczniowie będą musieli obliczyć kąt promienia bieguna nieba. Obliczenia te są proste, gdyż ma on taką samą wysokość i szerokość, tj. φ=ϱ

Następnie mogą wybrać mapę, które odpowiada danej półkuli. Uczniowie korzystają z kompasów, aby narysować okręgi promieni wokół odpowiedniego bieguna. Konstelacje znajdujące się wewnątrz bieguna to konstelacje okołobiegunowe. Konstelacje, które są częściowo lub w pełni widoczne w danym mieście dodane są do tabeli.

Możliwe rozwiązania dodane są kursywą. Tabela przygotowana do przeprowadzenia zadania znajduje się w arkuszu.

Instrukcje szczegółowe

1. Określ mapę skali. Skala kątów wynosi 90° od biegunów do zewnętrznego okręgu, tj. równika niebieskiego.

2. Zamień szerokości geograficzne w tabeli na promienie według skali mapy i dodaj je do tabeli.

3. Dla każdego z miast:

i. Wybierz odpowiednią mapę.

i. Skorzystaj z kompasów, aby narysować okrąg z promieniem jaki określony został dla danego miasta.

i. Znajdź i zanotuj widoczne konstelacje okołobiegunowe. Jeżeli jest ich zbyt wiele wybierz te najbardziej widoczne.

Rysunek 15: Tabele gwiazd na półkuli północnej i południowej (Źródło: Markus Nielbock, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NorthernCelestialHemisphere.png, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SouthernCelestialHemisphere.png, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode, przygotowane przy pomocy PP3, http://pp3.sourceforge.net).

Dyskusja

W czasach starożytnych gwiazda północna nie kolidowała z niebieskim biegunem północnym. Wyjaśnij znaczenie jakie gwiazdy okołobiegunowe i konstelacje miały dla żeglarzy w czasach starożytnych.

*Możliwa odpowiedź:

Stanowiły one idealne narzędzie do utrzymywania szerokości geograficznej i uniemożliwiały żeglarzom zgubienie drogi na otwartym morzu.

Rozwiązanie

Mapa skali to: 1cm 10°

Niebo północne

Niebo południowe

Zadanie 2: Gwiazdy wskazują drogę

Potrzebne materiały:

• Arkusz do pracy

• Ołówek

• Kątomierz

• Komputer z zainstalowanym programem MS Excel

• Arkusz Excel: „AncientMediterranean_BrightStars_EUSPACE-AWE_Navigation.xlsx"

W przypadku braku gwiazdy takiej jak Gwiazda Polarna, która wskazuje biegun nieba żeglarze w starożytności korzystali z innych gwiazd i konstelacji w celu określenia stron świata oraz kursu statków. Wiedzieli, że pozycje w których się pojawiają i znikają na horyzoncie (namiary) nie ulegają zmianom. Doświadczeni żeglarze znali najjaśniejsze z gwiazd i konstelacji na pamięć.

Rysunek 16: Położenie wybranych jasnych wschodzących gwiazd dla szerokości 45° przy wzniesieniu 10° ponad horyzont (praca własna).

Pytania

Q: Czy możesz określić kierunki świata przy pomocy innych gwiazd niż Gwiazda Polarna? Zwróć uwagę, że na biegunie południowym gwiazda ta nie występuje.

A: Tak. Jeżeli znamy gwiazdy i konstelacje, mogą one wskazać kierunek gdyż każdego dnia powracają one w to samo miejsce.

Q: W jaki sposób możesz skorzystać z obecności gwiazd wschodzących i zachodzących oraz konstelacji, aby poruszać się po morzu?

A: Położenie na horyzoncie gdy zmianom nie ulega zarówno wschód jak i zachód gwiazd (z wyjątkiem bardzo powolnych długookresowych zmian).

Q: Czy mógłbyś/ mogłabyś zobaczyć te same gwiazdy każdej nocy w ciągu roku?

A: Nie, z uwagi na fakt, że zmianie ulega czas wschodu i zachodu. Gwiazdy, które widoczne są zimą są już na niebie w okresie lata.

Ćwiczenie

Uczniowie tworzą kompas gwiezdny podobny do tego jaki znajduje się na rysunku numer 16. Obliczenia jakie potrzebne są do zamiany współrzędnych gwiazd na współrzędne poziome, tj. azymut i wysokość, są dość skomplikowane. Dlatego do zadania dołączony został plik Excel, który dokonuje tej zamiany zamiast uczniów. Zawiera on 57 jasnych gwiazd oraz plejady, które stanowią bardzo ważną grupę gwiazd.

Zadaniem uczniów jest wprowadzenie na dole arkusza kalkulacyjnego szerokości geograficznej miejsca oraz wysokość gwiazd. W przypadku wysokości 10° jest dobrą wartością. Oznacza to, że azymuty gwiazd będą widoczne gdy patrzeć na nie będziemy z wysokości 10°. Można także skorzystać z innego rodzaju wartości, ale zadanie to ma na celu znalezienie gwiazd, które wschodzą lub zachodzą. Azymut to kąt wzdłuż horyzontu, licząc od północy zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara.

Dwie ostatnie kolumny w arkuszu (AZ1, AZ2) pokazują dwa azymuty, jeden gdy gwiazda wschodzi oraz drugi gdy dana gwiazda zachodzi. Zwróć uwagę na to, że rozłożenie azymutów dla gwiazd wschodzących i zachodzących jest względną symetryczną do południka, tj. linii, która łączy północ z południem. Komórki zawierające #NA nie zawierają ważnych liczb. Gwiazdy te albo nigdy nie wschodzą albo nigdy nie zachodzą. Znajdują się one albo w okolicach bieguna bądź poniżej horyzontu.

Uczniowie następnie wprowadzają otrzymane wartości do kompasu gwiezdnego. Korzystają z kątomierza i wskazują położenie każdej z gwiazd na okręgu. Następnie zapisują obok nich ich nazwę.

Dyskusja

Jedną z metod nawigacji po Morzu Śródziemnym było pozostawanie w bliskiej odległości od brzegu. Oprócz niebezpieczeństwa w postaci płycizn, z jakich metod nawigacji korzystali marynarze w epoce brązu, aby móc bezpiecznie pływać po otwartych akwenach wodnych. Możesz spojrzeć na Mapę Morza Śródziemnego.

Możliwe odpowiedzi:

Ludzie w starożytności podróżowali na wyspy w celach handlowych ale i nie tylko. Wiele z nich było niewidocznych z brzegu Morza Śródziemnego. Podróż często trwała więcej niż kilka godzin. Statki w tamtym okresie mogły pokonać średnio pięć mil morskich na godzinę. Istnieją także raporty jakie przekazywane były na przestrzeni wieków pokazujące w jaki sposób korzystano z gwiazd w nawigacji morskiej.

Zadanie 3: Zrób to sam! (Zadanie dodatkowe)

Potrzebne materiały:

• Wyniki otrzymane we wcześniejszych zadaniach

• Przenośna lampa dająca czerwone światło np. latarka o przygaszonym świetle bądź latarka z czerwonym filtrem

• Kompas magnetyczny jeżeli jest to możliwe

Nic nie ma większego znaczenia jak zastosowanie nowo nabytej wiedzy w praktyce. Dlatego też możesz sprawdzić czego nauczyli się uczniowie we wcześniejszym dwóch zadaniach podczas ćwiczenia polegającego na obserwacji nieba nocą.

Zadanie to może zostać wykonane przez uczniów samodzielnie w domu lub jako zadanie grupowe z całą klasą.

Wybierz taki wieczór kiedy niebo będzie dobrze widoczne oraz miejsce z którego dobrze będzie widać horyzont. Gdy będzie już na tyle ciemno, że będzie można zobaczyć gwiazdy, pozwól uczniom skorzystać z latarek aby spojrzeli na mapy i skorzystali ze sakli około biegunowej z zadania 1. Latarka o przygaszonym świetle a najlepiej o świetle w kolorze czerwonym pozwala oczom lepiej przystosować się do ciemności.

Po określeniu najjaśniejszych gwiazd poproś uczniów, aby skorzystali z gwiezdnych kompasów z zadania 2. Uczniowie powinni wskazać gwiazdy i ich odpowiedniki na niebie. Pozwól im określić północ (lub południe w zależności od tego jaki biegum niebieski widoczny jest w miejscu w którym się znajdujesz). Jeżeli jesteś na półkuli północnej czy jest on zgodny z kierunkiem Gwiazdy Polarnej? Jeżeli na półkuli południowej będziesz potrzebować kompasu magnetycznego.

Pozwól uczniom określić konstelacje jakie widzą na niebie na swoich mapach. Poproś ich, aby spojrzeli na północ (południe na półkuli południowej) i nazwali gwiazdy i konstelacje jakie znajdują się tuż ponad horyzontem. Czy jest to widoczne na mapach? Zwróć uwagę, że powinien występować okrąg wskazujący okołobiegunowy zasięg lokalnej szerokości geograficznej.

Spróbuj podkreślić, że dzięki temu zadaniu pracują oni dokładnie w taki sam sposób jak żeglarze 4000 lat temu.

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Navigation through the ages, coordinate systems, celestial navigation