Suite de l'article "La navigation maritime"
Les principales questions pour naviguer sont :
- Savoir où l’on se trouve : donc connaitre sa « position »
- Savoir où l’on va : connaitre sa « direction »
- et combien de temps va durer la navigation : connaitre sa « vitesse »
Sans aucun point de repères terrestres en haute mer, il ne reste que les astres c’est-à-dire le soleil, la lune et les étoiles.
Les progrès dans la navigation maritime ont été un enjeu majeur à toutes les époques. Les grands empires ont construit leur puissance en dominant la mer.
Que dire de ces marins intrépides qui se lançaient à la conquête du monde avec seulement les astres comme points de repères ? Pythéas, il y a plus de 2500 ans quitta Marseille avec son navire et mena une expédition jusqu’au cercle arctique. Bien avant Christophe Colomb, le plus célèbre des navigateurs, les vikings ont traversés l’Atlantique. Ou encore, les polynésiens qui eux aussi ont explorés le Pacifique bien avant Cook.
Aujourd’hui, toutes les terres sont découvertes, mais il reste la mer et elle demeure irrésistible à l’homme. Les instruments de navigation moderne tels que GPS, radars, etc. lui permettent sur un bateau moderne de se déplacer sans problème sur toutes les mers du monde, par tous les temps !
L’apogée de la navigation antique
Entre le 8ème et le 11ème siècle, les grands marins vikings se retrouvaient seuls sur la mer avec comme point de repère « le soleil ». Ils avaient donc une « direction » mais aussi une notion de temps en fonction de sa « position » dans le ciel (haut, bas).
Ils utilisaient également la Pierre de Soleil pour estimer la position de l’astre par temps couvert. En effet, plusieurs textes médiévaux en font état, mais seule l'histoire de Rauðúlf et ses fils en décrit l’utilisation. Il s ‘agirait vraisemblablement d’un cristal tel le Spath d’Islande qui agirait par polarisation de la lumière.
Cette pierre a été utilisée probablement en association avec un compas solaire. Un exemplaire de ce compas a été découvert en 1948 par l’archéologue danois CL Verbaek. Un fragment de bois semi cylindrique avec un trou en son centre dans lequel était placé un gnomon (que l’on trouve également sur les cadrans solaires) Sur le pourtour sont gravées 16 encoches qui laissent supposées qu’il existait sur l’autre moitié également le même nombre d’encoches pour au total en donner 32 comme pour la boussole (inventée par les chinois au 11ème siècle). Une courbe est gravée au-dessus du centre et également une ligne droite. La courbe semble s’associer à la courbe de déclinaison du soleil et la ligne droite à l’équinoxe.
Les vikings préparaient soigneusement leur voyage. Un jour avant le départ, ils positionnaient le compas à plat et marquaient à intervalles réguliers l’ombre portée sur le disque par le gnomon (comme pour le cadran solaire). En reliant l’ensemble des points relevés, ils obtenaient une courbe passant au plus près du centre dans la direction du Nord.
Ils avaient donc un axe Nord/Sud, et, une fois en mer, il suffisait de faire coïncider l’ombre du gnomon avec un point de la courbe pour pouvoir s’orienter.
Cet instrument avait de nombreuses limites notamment l’obligation de naviguer avec une latitude constante (ce qui n’a pas gênés les vikings !) De plus, la déclinaison du soleil varie tous les jours, elle devait donc être retracée régulièrement.
Anecdote : Les Vikings, qui ne portaient pas de casques à cornes contrairement au mythe, se sont sédentarisés à partir du 12ème siècle. Pour la plupart devenus catholiques, ils ont conservés l’habitude de se laver une fois par semaine alors qu’en Europe, on ne se lavait qu’une fois par an ! Donc pourquoi se mariait-on au mois de Juin ? Tout simplement parce que les odeurs corporelles étaient moins fortes. La mariée portait un bouquet destiné à … dissiper ces mauvaises odeurs !
Apparition des instruments de navigation
La boussole est le premier véritable instrument de navigation inventé par l’homme. Elle a fait son apparition en Chine vers le 11ème siècle (1040-44), mais pas comme instrument indiquant une direction. De vieux récits font état d’une « pierre d’aimant » destinée à harmoniser l’énergie environnementale. Pourtant la preuve incontestable de son utilisation dans la navigation maritime se trouve dans le livre Pingzhou Ketan (萍洲可谈) de ZHU YU de 1117. En effet, il est écrit : « Le navigateur connaît la géographie, il observe les étoiles la nuit, il observe le soleil le jour ; quand le ciel est sombre et nuageux, il regarde la boussole ».
Ainsi, l’emploi d’un compas magnétique (nom de la boussole en navigation maritime) date de 1040 et la preuve de son utilisation comme instrument de direction date de 1117.
C’est ensuite en 1282 que le sultan yéménite Al Ashraf, astronome, fait référence à une boussole sous la forme d’une aiguille magnétisée dans un bol d’eau qu’il aurait utilisé pour effectuer des mesures dans le ciel.
Pourtant, l’invention de la boussole en Europe serait attribuée à un Amalfitain Flavio Gioia aux alentours de 1300, 1302, époque où il est certain que les navigateurs européens utilisaient bien la boussole pour se diriger.
Celle-ci est simple en elle-même.
Elle peut être constituée de n’importe quel dispositif utilisant un fin morceau de métal magnétisé posé sur un pivot afin de pouvoir indiquer librement le Nord Magnétique de la terre. Elle se conforme donc aux lois magnétiques naturelles faisant que les pôles opposés s’attirent mutuellement. Par convention, le pôle nord d’un aimant est celui qui pointe vers le Nord magnétique de la terre. Il est le plus souvent indiqué par un repère noir ou rouge.
Aussi pour déterminer un « cap » (direction), le plus simple est de considérer tout d’abord que l’aiguille indique toujours la même direction, c’est-à-dire le nord. Si l’on note soigneusement les distances parcourues (temps et vitesse de déplacement) et les angles mesurés à chaque changement de direction, on peut tracer l’évolution de son propre itinéraire et revenir à son point de départ uniquement à l’aide d’une boussole seule (sans carte).
L’ère de l’exploration pouvait commencer.
Flavio Gioia
Les plus grandes découvertes de nouvelles terres furent donc concentrées entre le 15ème et le 16ème siècle. Nous étions alors dans le cadre de la navigation dite à « l’estime », c’est-à-dire : Direction avec boussole et Vitesse estimée par le navigateur.
Dans ces conditions, sur de longues distances, les erreurs de navigation s’accumulaient et la direction devenait de moins en moins précise. En effet, si l’on considère que la boussole peut être utile pour déterminer son cap et revenir à son point de départ, cela n’est valable que sur de courtes distances.
Plus la destination était éloignée, plus le voyage était long. Le capitaine du navire devait en principe savoir lire et écrire contrairement à l’équipage. L’information sur sa position lui était donnée par la somme des petites mesures de vitesse et de direction.
A partir du 16ème siècle, on assiste à un développement de nouveaux instruments de mesure.
Loch moderne à hélice
Le « loch » ou corde à nœud permettait de déterminer la vitesse du bateau. La planchette était amarrée à un cordage comportant des nœuds régulièrement espacés qu'un marin comptait à haute voix au fur et à mesure qu'ils glissaient entre ses doigts. Le compte se faisait pendant le temps d'écoulement d'un sablier. Le nombre résultant, exprimé en nœuds, mesurait donc une vitesse et non une longueur. Du fait des mesures anglo-saxonnes, on espaçait les nœuds de 47 pieds et 3 pouces (14,4 m) et on calibrait le sablier de manière à mesurer une période de 28 secondes.
Le nœud est donc devenu l’unité de mesure de la vitesse dans la navigation maritime et aussi aérienne. Un nœud correspond à un mille marin par heure, soit une distance de 1852 mètres par heure, soit 0.514 mètre par seconde.
Longitudes et latitudes
La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement Nord ou Sud d’un point sur la surface terrestre et la longitude, également valeur angulaire, l’expression du positionnement Est ou Ouest.
Bien avant les vikings, vers l’an 300 avant JC, Ératosthène de Syène, (aujourd’hui Assouan en Egypte) est le premier à avoir démontré que la Terre est ronde. Il a su exploiter cette découverte pour permettre l’étude de la géographie et ainsi, permettre aux marins de naviguer (connaitre leur position !) Né en 276 avant JC, il fit établir des cartes précises, comportant pour la première fois les latitudes et les longitudes. Son point 0, pour les coordonnées, était le Colosse de Rhodes (l’une des sept merveilles du monde aujourd’hui disparu) valable pour toute la Méditerranée et le monde connu de son époque.
La navigation devenait donc possible pour les Grecs avec une grande précision, tout au moins sur la Méditerranée.
N’oublions pas qu’ils savaient déjà diviser le temps avec la fameuse « clepsydre », horloge à eau qui fonctionnait sur le principe régulier de l’écoulement au fil du temps, tout comme le sablier. La première clepsydre remonte à -1400 avant JC, elle fut découverte en 1904 en Egypte sur le site de Karnak. C’est le génie inventif de Ctésibios, ingénieur d'Alexandrie né au III ème siècle, qui permis d’améliorer la précision des clepsydres en ajoutant un troisième récipient entre les deux existants. Ce vase intermédiaire est maintenu à niveau constant grâce à un trop plein avec une variante, l’ajout d’un flotteur. Ce système est d’ailleurs toujours utilisé de nos jours notamment dans les chasses d’eau, les carburateurs, etc.
Clepsydre découvert en 1904 à Karnak (Egypte)
Clepsydre de Ctésibios
En complément, les Grecs savaient relever la hauteur du soleil au midi local et la hauteur sur l’horizon de l’étoile polaire. Pour cette dernière, cela est valable dans l’hémisphère Nord et non l’hémisphère Sud (pas d’étoile polaire).
Les navigateurs jusqu’au 16ème siècle, avaient donc besoin d’estimer la position du soleil à son zénith par les latitudes et les dates. Ces informations étaient classées dans de gros almanachs que l’on gardait à bord du navire.
A 0° le 21 mars, le soleil est à son zénith mais comme la rotation de la terre implique un angle plus ou moins ouvert ou fermé suivant la position du navire par rapport à l’astre, il était impératif de connaitre l’altitude du soleil.
Mesurer l’altitude du soleil
Dans la navigation astronomique, une erreur de 1° sur l’altitude du soleil correspond à environ 100 km sur la surface du globe, d’où la nécessité d’améliorer ou d’inventer des instruments de mesure beaucoup plus précis.
Début du 16ème siècle, le bâton de Jacob (ou arbalestrille ou arbalète) inventé au 14ème siècle par Levi Ben Gerson, est adopté par les navigateurs pour mesurer la distance angulaire entre deux corps célestes. Instrument simple à fabriquer et d'une précision acceptable pour la mesure des latitudes, il n'est délaissé par les navigateurs qu'à la fin du 18ème siècle, le quadrant de Davis, l’octant et le sextant ayant fini par le faire disparaître définitivement.
Les Grecs antiques et Byzantins utilisaient déjà pour la navigation des astrolabes et octants comme ceux découverts à Anticythère dans une épave du 3ème siècle, Héron d’Alexandrie en fait une description dans un récit du 1er siècle.
Arbalestrille ou Baton de Jacob Quadrant de Davis Astrolabe Octant
Toutefois, le sextant moderne fut inventé dans les années 1730 par deux personnes indépendamment l’une de
l’autre : John Hadley (1682 – 1744) mathématicien anglais et Thomas Godfrey (1704 – 1749), inventeur américain.
La spécificité du sextant par rapport à l’astrolabe est que les deux directions dont on veut mesurer l’angle sont observées en même temps, rendant la mesure à peu près indépendante des mouvements du navire. Le sextant se tient à hauteur des yeux, alors que l’astrolabe nécessite un point de suspension d’autant plus élevé que l’on vise un astre de site élevé.
Sextant
Donc début 18ème siècle, le sextant est l’instrument de navigation le plus utilisé par les marins qui l’utilisent pour mesurer la distance angulaire entre deux points aussi bien verticalement qu'horizontalement. Il leur permet de faire le point en pleine mer, hors de vue de la terre, en relevant la hauteur angulaire d’un astre au-dessus de l’horizon. Un usage courant du sextant est de relever la hauteur angulaire du soleil à midi, ce qui permet de déterminer la latitude du point de l'observation à l'aide d'une table de déclinaison du soleil. On peut aussi l'utiliser en navigation côtière pour calculer la distance à un amer, ou l'angle horizontal entre deux points remarquables.
Le sextant est toujours utilisé de nos jours (sa présence demeure obligatoire à bord des navires marchands : Convention SOLAS Chapitre V, Régulation 19).
Animation crée par Joaquim Alves Gaspar
Mesurer le temps
Même si l’on utilise un almanach, il faut l’heure de Greenwich pour déduire sa longitude.
En effet, celle-ci est définie par rapport à Greenwich et la rotation de la terre qui prend 24 heures pour effectuer un tour de 360°. Donc si l’on connait la différence de temps, on connait sa longitude. Greenwich est l’heure zéro, il faut donc disposer sur le navire de l’heure de la position de la terre d’où la méthode des distances lunaires et le développement des chronomètres.
La méthode des distances lunaires permet de trouver sa longitude par rapport au déplacement de la lune dans le champ des étoiles. Elle se déplace relativement vite puisqu'elle fait un tour sidéral en 27 jours moyens 1/3 environ, son déplacement en un jour est en moyenne de 13°.2. Sa distance angulaire aux autres astres varie donc constamment. La variation horaire de cette distance est maximum pour les astres qui sont placés sur la trajectoire du centre de la lune ou pratiquement à proximité tant que la distance reste assez grande, c'est-à-dire pour le soleil, les étoiles zodiacales et les planètes.
Cette méthode fut proposée pour la première fois par Werner en 1514 bien avant la création du Board of Longitude (bureau des longitudes) par le parlement anglais en 1714 dont la mission était de promouvoir la recherche par des prêts ou l’attribution de contrats pour résoudre le problème de la détermination de la longitude en mer.
John Harrison, l'inventeur de la montre marine
Ces recherches sur les longitudes en mer avaient déjà été soutenues par les divers royaumes européens dès le 16ème siècle. Le Longitude Act promulgué par la reine Anne en 1714 offrait une fabuleuse fortune (20 000 livres Sterling) à qui révélerait le «secret des longitudes» et permettrait aux marins de déterminer la longitude en mer à moins d’un demi-degré ou 50 kilomètres près sur l’équateur. Pour atteindre cet objectif à l’aide des seules méthodes lunaires, les astronomes devaient être en mesure de donner des longitudes écliptiques de la Lune à une minute d’arc près.
Le nœud du problème était de disposer sur le bateau d’une mesure de temps très précise. Ce n’est qu’en 1761, soit près de 35 ans après le Longitude Act que John Harrison réussit à créer un chronomètre marin. Il permettait d’avoir l’heure de Greenwich et donc de connaitre sa longitude en la comparant avec l’heure locale (par rapport au soleil).
Une première traversée de l’Atlantique fut effectuée pour comparer la montre marine à la méthode des distances lunaires. Après neuf semaines d’essai, le roi Georges V a conclu que John Harrison avait gagné le prix, son chronomètre permettait une précision à 16 km prés sur l’équateur.
La navigation astronomique aujourd’hui
La navigation astronomique a été utilisée jusque dans les années 60 en aviation. C’est en 1968 que le Pentagone imagine un système de localisation géographique composé d’une constellation, de satellites en orbites autour de la terre, qui pourrait leur donner la position d’un point sur notre planète en temps réel et H24. Le système NAV.S.T.A.R-G.P.S (Navigation System Time and Ranging - Global Positioning System) a alors été conçu, financé et développé dès 1973 par le département de la Défense des Etats-Unis pour un usage strictement militaire.
Pour la navigation maritime, il y eu un retour de la navigation à l’estime faites sur des circuits très précis. Enseignée par la marine américaine jusqu’en 1997, elle fut abandonnée avec le développement des GPS (seuls les officiers sont encore formée à la navigation à l’estime)