Histoire de la navigation astronomique

vignette|Des instruments de navigation.

La science de la navigation a pour objet principal la solution des deux problèmes suivants : déterminer la route à suivre pour se rendre d'un lieu à un autre ; faire le point, c'est-à-dire déterminer la position du navire sur la surface des mers ; La résolution de ces problèmes exige des observations et des calculs, différents suivant les circonstances.

D'où plusieurs méthodes de navigation : Navigation à l'estime, dans laquelle les éléments des calculs sont tirés uniquement des indications du loch et du compas ; « Navigation observée », dans laquelle on utilise des observations d'objets de positions connues. Elle se subdivise en navigation côtière et, en navigation astronomique suivant que les objets observés sont des points terrestres ou des astres ; « Navigation radioélectrique », dans laquelle on fait appel à des moyens radioélectriques, et comprenant, en particulier, la navigation par satellite artificiel de la terre. Dans ce qui suit, il est fait un bref survol de la seule navigation astronomique. Le problème de cette méthode s'est posé lorsque les navigateurs quittèrent de vue le rivage. Sur la surface des mers, rien ne change d'aspect que le ciel. Il était donc naturel que les navigateurs demandent à l'astronomie de leur venir en aide.

La navigation hors de vue de côtes fut très longtemps un art réservé à quelques initiés. Elle est devenue une Science relativement précise et sûre grâce à la détermination astronomique du point. C'est par une lente transformation et par des chemins parfois sinueux, qu'une méthode simple a vu le jour, à la suite des progrès accomplis par l'Astronomie et de ceux réalisés dans la construction des instruments de mesure : mesure d'angles et mesure de temps. Cette méthode est celle des droites de hauteur.

Évolution, en abrégé de la navigation astronomique : le problème du « point » présente deux recherches, de difficultés bien différentes. L'une est la détermination de la latitude, l'autre celle de la longitude. De plus, il suppose que le navigateur possède des cartes côtières et océaniques exactes, afin d'y repérer, sans erreur, sa position. C'est pourquoi dans une étude plus complète, il serait nécessaire de réserver plusieurs paragraphes aux cartes marines.

Navigation astronomique Détermination de la latitude

Pour la détermination de la latitude, le navigateur s'adressa d'abord à l'étoile polaire. Dès le , en mesurant avec l'astrolabe nautique la hauteur de l'étoile Polaire, le navigateur obtenait, avec une légère correction que les pilotes savaient par cœur, sa latitude. Ce procédé si commode ne pouvait cependant suffire à lui seul pour tous les besoins de la navigation. Il n'était utilisable que de nuit. De plus, l'étoile polaire n'est visible que dans l'hémisphère nord. À mesure que les navigateurs s'approchaient de l'équateur, la polaire s'abaissait de plus en plus sur l'horizon, puis cessait d'être visible pour eux. Aucune étoile brillante ne joue un rôle analogue dans l'hémisphère sud (voir Sigma Octantis).

Il fallait trouver une méthode susceptible d'être employée le jour sur toute la Terre. C'est Martin Behaim, astronome du roi Jean II de Portugal qui, vers 1485, répandit l'usage de tables pratiques de déclinaison du soleil, et enseigna aux navigateurs le moyen d'avoir leur latitude à l'aide de la hauteur méridienne du Soleil prise à l'astrolabe nautique. Ce progrès marque une époque dans la navigation astronomique. Toutes les navigations se feront à l'estime, en partie rectifiée par la latitude observée (jusqu'à la fin du ). C'est aussi en latitude qu'on atterrira, suivant un procédé utilisé encore aujourd'hui. On chercha à perfectionner les instruments de mesure de hauteurs, car toute erreur sur la hauteur se reporte intégralement sur la latitude.

Aussi vit-on éclore différents instruments : l'anneau astronomique, l'arbalestrille, le quart nautique ... Ainsi les navigateurs possédaient à la fin du le moyen de déterminer astronomiquement l'une des coordonnées du point, la latitude. Mais la longitude restait encore du domaine de l'estime.

Détermination de la longitude

On pensa quelque temps pouvoir déduire la longitude de la déclinaison magnétique (Christophe Colomb). On parlait encore de ce procédé trois siècles après sa découverte. Astronomiquement, la longitude est égale à la différence des angles horaires ou des temps simultanés d'un même astre dans le lieu où l'on se trouve et dans le lieu origine des longitudes. L'angle horaire d'un astre dans un lieu à un instant donné était relativement facile à déterminer, même avec les instruments rudimentaires dont on disposait au . Il n'en allait pas de même pour la détermination de l'angle horaire de l'astre dans le lieu origine. Il faut remarquer que le problème a été résolu, en principe, presque aussitôt posé, c'est-à-dire vers le milieu du .

On peut constater que les savants trouvèrent immédiatement les procédés qui, après plus de deux siècles et demi de travaux, devaient fournir la solution cherchée. D'une part, utilisation des signaux instantanés que présente le ciel, visibles à la fois sur tout un hémisphère et dont l'instant a été calculé à l'avance en temps du . D'autre part, construction d'un appareil permettant de conserver avec une grande précision l'heure du .

C'est ainsi qu'avait été préconisé l'emploi des « distances lunaires » et celui des montres. Mais au , la résolution du problème des longitudes restait stationnaire car elle nécessitait une astronomie, une physique et une technique dans un état d'avancement que ces disciplines n'avaient pas.

Dès lors, puisque les méthodes astronomiques ne donnaient pas satisfaction, il fallait faire retour à des méthodes terrestres et naviguer en se passant du ciel, donc revenir à l’estime. Puisqu'on ne parvenait pas à tirer parti des mouvements célestes, par suite de la grossièreté des instruments d'observation et de l'imperfection des tables astronomiques, il était normal de penser qu'on arriverait avec moins de difficultés à mesurer exactement des angles et des vitesses sur la Terre.

C'est pour cette raison vraisemblablement que pendant le et le le problème de la loxodromie, courbe qui s'enroule sur la terre en coupant tous les méridiens sous un angle constant (trajectoire du navire qui gouverne toujours au même cap), a été étudié avec tant d'ardeur et que la résolution du problème de l'estime a suscité de grands espoirs. Il est certain qu'à cette époque l'estime, avec toutes ses incertitudes, donnait cependant beaucoup plus de satisfactions que les procédés astronomiques.

Les ouvrages de cette époque indiquaient encore comme méthodes possibles pour résoudre le problème des longitudes: L'observation d'une éclipse dont les différentes phases sont repérées en heures du méridien de Paris, dans les recueils astronomiques. Pour résoudre un problème qui se pose chaque jour, ce phénomène est trop peu fréquent. L'observation d'une occultation d’étoile. L’utilisation de l'éclairement et de l'obscurcissement des taches de la Lune durant les progrès de la lunaison. L'observation des éclipses des satellites de Jupiter, que Galilée avait découverts au nombre de quatre, dès 1610. Ces éclipses se produisent plusieurs fois par jour. Le mouvement d'une tache de Jupiter dont on avait reconnu qu'elle achevait son tour en neuf heures.

Il aurait fallu pour observer utilement tous ces phénomènes des lunettes assez puissantes dont les observatoires du commençaient à peine à être munis, en admettant qu'on puisse employer de telles lunettes sur un navire.

On fit alors des tentatives pour conserver à bord l'heure du premier méridien au moyen d'horloges; on essaya successivement des sabliers de 24 heures, des clepsydres à eau et à mercure, des horloges à balancier suspendues à la Cardan. Tous ces essais furent vains.

En 1714, le Parlement britannique promit une récompense considérable à qui trouverait une solution acceptable au problème de la longitude en mer. Le « quartier anglais », apparu vers 1600, constituait un notable progrès sur l'arbalestrille. Mais la construction en 1731 de l'octant, à double réflexion, d'Hadley, qui a servi de base aux sextants modernes, permit de donner aux observations une précision qui dépassait de beaucoup ce qu'on avait obtenu jusque-là. Avec la création de l'octant devait débuter l'ère des "distances lunaires", étape importante vers une solution satisfaisante du problème des longitudes. Distances lunaires et chronomètres

Jusque vers la fin du premier tiers du , la méthode des distances lunaires l'a emporté sur la méthode chronométrique car les montres imparfaites demandaient un contrôle permanent par les observations astronomiques. Les chronomètres devenant de plus en plus sûrs, les méthodes lunaires devaient être de moins en moins employées, pour être complètement délaissées avant la fin du siècle. Le degré de perfection atteint par les chronomètres ne permettait plus de considérer comme moyen de contrôle efficace une méthode astronomique dont les résultats étaient moins précis que ceux qu'il s'agissait de vérifier. Car l'observation et le calcul d'une distance lunaire sont des opérations longues et délicates, et la confiance que l'on peut accorder à des résultats obtenus avec des observations médiocres ne peut pas être très grande.

La méthode n'était pas à n'importe quel moment utilisable par le navigateur à la recherche d'un point, puisqu'il était nécessaire que la Lune soit levée et à plus de deux ou trois jours de la nouvelle lune. Dans ces conditions, sur des navires à grande vitesse, la méthode aurait été déficiente. Dans la méthode chronométrique qui utilise la mesure de la hauteur d'un astre, tous les astres sont en principe équivalents dès l'instant que l'observateur possède leurs éphémérides. Pour observer, il suffit que le ciel et l'horizon soient découverts. Les observations sont simples, les calculs courts, le résultat relativement précis si le chronomètre est bien réglé. On comprend dès lors la recherche constante du perfectionnement des chronomètres et, ceux-ci ayant atteint d'excellentes qualités de justesse et de précision, l'emploi final exclusif des méthodes chronométriques.

Lieux géométriques

Au lieu de déterminer séparément la latitude et la longitude, suivant le principe de l’« ancienne navigation », on commença à naviguer, surtout à partir de 1875-1880, en faisant appel aux lieux géométriques exacts et uniquement avec le chronomètre, en appliquant la méthode de la « nouvelle navigation ». Nous supposerons que l'on a avec exactitude l'heure du . Deux hauteurs sont nécessaires pour déterminer les coordonnées du navire. Toutefois, nous remarquerons qu'une seule de ces observations, incapable par elle-même de fixer la position, donne cependant un lieu géométrique exact. Elle fournit donc un renseignement précieux, qu'on la complète ou non par une seconde observation. Tandis que dans l' l’« ancienne méthode », l'observation du matin par exemple restait inutile tant que la hauteur méridienne (ou circuméridienne) n'avait pas été prise.

Méthode des droites de hauteur

La Connaissance des Temps permet de déterminer le point a de la Terre au zénith duquel se trouve l'astre A à l'instant de son observation. La mesure de la hauteur Hv de l'astre donne la distance az = 90° - Hv de cet astre à notre zénith z. Sur la terre supposée sphérique, ce dernier se trouve donc sur un petit cercle de pôle a et de rayon az, appelé cercle de hauteur. Son image sur la carte, ou courbe de hauteur, représente l'ensemble des lieux de la Terre parmi lesquels se trouve notre position actuelle.

Pour fixer cette dernière, une seconde observation est nécessaire ; ce sera, au même instant, la hauteur d'un astre B qui fournira un second cercle de hauteur.