Struve and the Tartu Meridian

Page 1

Struve and the Tartu Meridian F.G.Wilhelm von Struve, astronomer and initiator of the Struve Geodetic Arc, now a UNESCO World Heritage Site

Struve and the Tartu Meridian

Commemorative marker in the floor of the old building of Tartu Observatory.

In 1824, the 9” Fraunhofer refractor arrived to Tartu Observatory, and was the largest achromatic telescope in the world at the time.

The theodolite used by Struve is on display at Tartu University History Museum.

On the floor of the entrance hall of Tartu Observatory there is a marker commemorating “Struve’s astro-geodetical point”. A few meters above this brass plaque, in 1825, F.G.W Struve had installed the world’s largest telescope at the zero point of what was to become the Tartu Meridian – a breakthrough measurement of the longitude of planet Earth. At the time, Tartu was known as Dorpat, and the BalticGerman astronomer Struve was using the old French “toise” (about 2 meters) as the unit of measurement for length. Around this time in France the “meter” was being introduced as a much more logical unit defined as 1/10,000,000th of the Earth’s meridian along a quadrant. But, the question remained: how long was 1/4 of the polar circumference of the Earth? After decades of surveying work, Struve provided an amazingly accurate result for the shape and size of the globe. The size and shape of the earth was calculated by F.W. Bessel in 1840 using Struve’s data. This work remained as a major baseline for all international mapping until the advent of the Global Positioning System pioneered in the 1960s. The significance of Struve’s achievement is only recently being publicly understood – in 2005 the Struve Arc was accepted onto the UNESCO World Heritage List and in 2006 a commemorative marker was unveiled at Tartu Observatory. From 1816 to 1855 Struve directed the measurement a meridian arc of over 2,820 km, stretching from the vicinity of Hammarfest in northern Norway to near Izmail on the Black Sea. Struve’s work is amazing on many levels: accuracy, scale and historical significance. The need to maximise accuracy was supreme and the most modern equipment and telescopes were used for triangulation. The basic method was to physically mark out precise baselines - for example, frozen lake surfaces in Finland provided excellent horizontal surfaces on which to measure very long and precise baselines. The baselines were calibrated with a special tool constructed by Struve. The tool was calibrated with a sample of one “toise” measure brought from Paris. Next, by a combination of astronomical measurements and triangulation to surface points, a long north-south chain of measurements could be made. Over the years this chain was

Tartu Observatory: “Die Sternwarte”, a lithograph based on a photograph by L. Höflinger, 1860.

Traingulation points used from northern Estonia, crossing the Gulf of Finland and further north to Jyväskylä in Finland.

spread so long that it was possible to accurately calculate the length and curvature of the earth. In its time, the Struve Arc was the longest measurement of the form and size of our globe. It comprised 258 main arcs with 265 triangulation points in all, with 65 ancillary points. The Arc measurement traverses many countries: nowadays Norway, Sweden, Finland, Russia, Estonia, Latvia, Lithuania, Belarus, Moldova and Ukraine. Struve’s work is remarkable as an early example of international scientific cooperation. Struve built on existing surveying work and linked up with work which was managed by C. Tenner in Latvia, Lithuania, Belarus, Ukraine and Moldova for the southern part of the meredian. Over the years he managed to extend the length of the arc, time and again being given funding by tsars and kings and the support of military teams to survey parts of the arc. These were times when good maps were becoming of increasing strategic military advantage, and when clearly defined national borders were part of political alliances as Europe began to reorganize itself into nation-states during the 19th century. The early 1800s was a time when the acceleration of scientific knowledge was becoming evident. Advances in hardware technology and applied mathematics allowed conceptual theories to be tested. However, there was also a background of great uncertainty for Struve’s work - there was debate about the shape of the earth, debate about the location of the prime meridian (Paris or Greenwich) and even confusion about basic units of measure. Imperial measures had basic failings – it was not possible to define the exact length of an English “foot” or a French “toise” and all over Europe there was a patchwork of different measurement systems. Struve’s work helped to prove that Newton was correct when he theorized that the shape of the Earth was an oblate spheroid. As a scientist, Struve is as highly regarded as Isaac Newton in many countries. Similarly, the Struve Arc, or the Tartu Meridian, is of as much scientific, historical and practical importance as the Greenwich Meridian (which was adopted as an international standard some 50 years after Struve’s work in 1884). Having made the final significant measurement with the French “toise” system, Struve contributed to the international acceptance of the metric system.

“Dr. Wilhelm Struve”, detail of a portrait by Eduard Hau, published 1837.

Only two other physical markers of Struves triangulation points survive in Estonia. These are both endpoints of the Simuna-Võivere baseline in Lääne-Viru County. At Simuna the endpoint is marked by a1.9 m high granite column with the number “1849”. The second endpoint in Võivere was thought to have been destroyed but it was found by GPS measurements carried out in 2001. A granite marker with a hole drilled in its centre was found buried underground. Struve’s baseline measured in 1827 differed from modern measurements by only 14 mm over the 4.5 km length. Today much has changed. With an internet connection and laptop computer, one could even track their own journey in real-time using Google Earth, a virtual globe of satellite images. This would be entertaining on a day-trip, but trivial compared to the highly significant achievement and 40 years of hard work by Struve.

Tartu Observatory: “Die Sternwarte”, a lithograph by A.M. Hagen, 1827.

Published: Tartu City Government 2009. Design: Emajõe Disain. Images: Meelis Lokk, Michael Walsh and Tartu University Library. Print: Ecoprint.

Struve ja Tartu meridiaan Astronoom F.G. Wilhelm von Struve algatas geodeetilise kaare m천천distamise Praegu kuulub Struve kaar UNESCO maailmap채randisse

Struve ja Tartu meridiaan

Mälestustähis Tartu tähetorni põrandas.

1824. aastal jõudis Tartu tähetorni tolle aja maailma suurim, Fraunhoferi refraktor.

Struve kasutatud teodoliit on väljas Tartu ülikooli ajaloo muuseumis.

Tartu tähetorni esiku põrandas on W. Struve astro-geodeetilise punkti tähis. Mõni meeter praegusest messingtahvlist ülevalpool seadistas W. Struve 1825. aastal maailma suurima refraktorteleskoobi tulevase meridiaanikaare Tartu punkti. Tartu meridiaani mõõtmisest sai läbimurdeline etapp planeedi Maa kuju määramisel. Tol ajal oli Tartu tuntud kui Dorpat. Balti-saksa päritolu astronoom Struve kasutas pikkuse mõõtühikuna vana Prantsuse toise’i (umbes 2 meetrit). Veidi varem, 1791. aastal, oli Prantsusmaal võetud kasutusele meeter kui palju loogilisem ühik, mida defineeriti kui 1/10 000 000 Pariisi läbiva veerandmeridiaani pikkusest. Jäi siiski küsimus, kui pikk on meridiaan tegelikult. Maakera suuruse ja kuju arvutas Struve mõõtmisandmete põhjal Köningsbergi Tähetorni direktor F. W. Bessel 1840. aastal. See töö jäi kogu rahvusvahelise kaardistustöö peamiseks aluseks kuni Global Positioning System’i, GPSi tulekuni 1960. aastatel. Maailma avalikkus mõistis F. G. W. Struve saavutuse suurust alles hiljaaegu – 2005. aastal arvati Struve meridiaanikaar UNESCO maailmapärandi nimekirja. 2006. aastal avati Tartu tähetorni juures selle tähistamiseks mälestustahvel. Ajavahemikul 1816–1855 juhatas Struve enam kui 2820 km pikkuse meridiaanikaare mõõtmist Hammarfestist PõhjaNorras Izmailini Ukrainas Musta mere lähedal. Struve töö puhul on imetlusväärne selle täpsus, ulatus ja ajalooline tähtsus. Esmane eesmärk oli maksimaalne täpsus, seepärast kasutati mõõtmistel kõige moodsamaid seadmeid. Peamiseks meetodiks oli täpsete alusjoonte ehk baasijoonte füüsiline mahamärkimine – näiteks külmunud järvepinnad Soomes olid suurepäraseks horisontaalpinnaks, millele sai kanda väga pikad ja täpsed jooned. Alusjooned mõõdeti Struve poolt konstrueeritud baasi mõõtmise riistaga. See riist kalibreeriti Pariisi toise’i koopia abil. Kombineerides astronoomilisi mõõtmisi ja maapinna punktide triangulatsiooni, suudeti järgmisena teostada pikk põhja-lõuna mõõtmiste ahel. Aastatega arenes see kett nii pikaks, et sai võimalikuks maakera meridiaanikaare täpne mõõtmine. Omal ajal oli Struve meridiaanikaare mõõtmine suurim

Litograafia "Tähetorn" L. Höflingeri foto põhjal (1860, detail).

Triangulatsioonipunktid Põhja-Eestist Soome.

maakera suuruse ja kuju mõõtmine. See moodustus ühtekokku 258 kolmnurgast koos 265 triangulatsiooni põhipunkti ja 65 abipunktiga. Tookord läbis mõõtmiste ahel mitmeid riike: praegused Norra, Rootsi, Soome, Venemaa, Eesti, Läti, Leedu, Valgevene, Moldova ja Ukraina. See saavutus on rahvusvahelise teaduskoostöö suurepärane näide. Struve arendas edasi varasemaid uuringuid ning ühendas need C. Tenneri juhtimisel Lätis, Leedus, Valgevenes, Ukrainas ja Moldovas tehtud mõõtmiste tulemustega, mis moodustasid meridiaanikaare lõunapoolse osa. Aastate jooksul õnnestus tal meridiaanikaare mõõdetud osa ikka ja jälle pikendada. Seda tegevust rahastasid tsaarid ja kuningad ning sõjavägi. Need olid ajad, kus head maakaardid muutusid üha olulisemaks strateegilise tähtsusega militaarseks varaks ja kus selgelt määratletud riigipiirid said osaks poliitilistest kokkulepetest – Euroopas kujunesid rahvusriigid 19. sajandi jooksul. 19. sajandi algus oli aeg, kus teaduslike teadmiste areng muutus silmanähtavaks. Tehnika ja rakendusmatemaatika edusammud võimaldasid testida kontseptuaalseid teooriaid. Samas oli olemas ka taust segadusteks Struve töö ümber, kuna käis debatt maakera kuju, samuti nullmeridiaani üle (kas Pariis või Greenwich). Segadus valitses ka mõõtühikute küsimuses. Impeeriumide mõõtühikutel olid omad puudused: nii ei olnud võimalik defineerida ühe Inglise jala või Prantsuse toise’i täpset pikkust, sest terves Euroopas eksisteeris hulk kohalikke mõõtesüsteeme. Struve töö aitas tõestada, et Isaac Newtonil oli õigus, kui ta teoretiseeris, et maakera on ligiähedaselt pöördellipsoidi kujuline, st kera, mis on poolustelt pisut lapikuks vajutatud. Paljudes maades on Struve teadlasena niisama kõrgelt hinnatud kui Newton. Samamoodi on Struve meridiaanikaarel ehk Tartu meridiaanil samasugune teaduslik, ajalooline ja praktiline tähtsus kui Greenwichi meridiaanil, mis kehtestati rahvusvahelise standardina umbes 50 aastat pärast Struve tööd, 1884. aastal. Teinud viimase olulise mõõtmise prantsuse toise’iga, andis Struve oma panuse meetermõõdustiku rahvusvaheliseks tunnustamiseks. Eestis on säilinud veel kaks Struve triangulatsioonipunktide tähist. Need on mõlemad Simuna–Võivere baasjoone (st füüsiliselt mõõdetud joone) otspunktid Lääne-Virumaal. Simunas on otspunkt tähistatud 1,9 meetrit kõrge

graniitsambaga, millel aastaarv 1849. Teine otspunkt Võiveres arvati olevat hävinud, kuid GPS-mõõtmisega leiti see 2001. aastal. Puuritud auguga graniitmärk leiti maa seest. Struve mõõdetud (1827) baasijoone pikkus erines Maa-ameti 2001. aasta tulemusest 14 mm võrra 4,5 km kohta. Tänapäeval on palju muutunud. Soovi korral võib internetiühendusega sülearvuti ja virtuaalse satelliitpiltide gloobuse Google Earth abil jälgida oma teekonda reaalajas. Kuid selline meelelahutus ühepäevasel reisil on ikkagi triviaalne võrreldes Struve 40 aastat kestnud pingsa töö ülimalt olulise tulemusega.

Friedrich Georg Wilhelm Struve (1793–1864), astronoom, Tartu ülikooli professor ja tähetorni direktor.

W. F. Krügeri litograafia "Tähetorn" (1837).

Tartu linnavalitsus 2009. Disain: Emajõe Disain. Pildid: Meelis Lokk, Michael Walsh ja Tartu Ülikooli Raamatukogu. Trükk: Ecoprint.