Cirkumzenitál je astrolábový přístroj určený ke zjišťování geografické polohy z okamžiků, kdy fundamentální hvězdy dosáhnou určité výšky nad horizontem (almukantarát). Prvními konstruktéry cirkumzenitálu byli v letech 1899–1922 František Nušl a Josef Jan Frič. Přístroj umožňuje s velkou přesností (zhruba na 1,5 metru) určit polohu na zemském povrchu.

Zdroj: Historický archiv Ondřejovské observatoře

František Nušl a cirkumzenitál

Metoda stejných výšek

Významný německý matematik, astronom a geodet Carl Friedrich Gauss navrhl v roce 1808 metodu stejných výšek pro určení zeměpisných souřadnic z pozorování hvězd. Její princip spočívá v měření času průchodu tří hvězd stejnou výškou nad obzorem (almukantaratem), z nichž se spočítají tři neznámé veličiny: zeměpisná šířka, délka a zenitová vzdálenost hvězd nad obzorem v okamžiku pozorování. Pozorované hvězdy by měly být ideálně vybrány tak, aby jejich azimuty v okamžiku jejich průchodu byly podél almukantaratu rozloženy rovnoměrně. Výhoda této metody spočívá především v tom, že refrakce je u všech pozorovaných hvězd stejná a eliminuje se tak její vliv. Také se neodečítají žádné úhly, jedinou měřenou veličinou je čas. Nevýhodou je naopak dosti komplikovaný výpočet oproti tradičnímu pozorování v poledníku.
Metoda byla v průběhu 19. století dále vylepšována, hlavně co do matematického zpracování (Knorre v Nikolajevě 1828 zavedl úpravu pro více hvězd, Anger v Gdaňsku 1835 zavedl do výpočtu variaci neznámých, další vylepšení zavedli Summer v USA 1837, Perrin ve Francii 1888 či Canete del Pinar ve Španělsku 1895). Přesnost určení polohy se postupně zvyšovala v souvislosti s použitým přístrojem. K pozorování se původně používal sextant, nastavený na konstantní výšku nad obzorem, později se objevily přístroje, speciálně pro tuto metodu navržené. Během následujícího století tak byl použit Chandlerův almucantar (USA 1879), Loewyho skleněný hranol (Francie 1886), Beckův nadirinstrument (Švýcarsko 1890), Claudův hranolový astroláb (Francie 1900) a konečně Nušlův cirkumzenitál (Rakousko-Uhersko 1902). Přesnost se z původních 100 m (Gauss, sextant) zlepšovala přes 25 - 30 m v polovině 19. století a 3 – 5 m (cirkumzenitál Nušl-Frič 1922) až na 1 m (Danjonův astroláb či cirkumzenitál VÚGTK ve druhé polovině 20. století).

Nušlův cirkumzenitál

Nušl vynalezl cirkumzenitál ještě jako gymnaziální profesor v Hradci Králové na konci 19. století, a to zhruba ve stejné době a nezávisle na podobném přístroji, francouzském Claudově astrolábu (Claude publikoval studii o svém přístroji v Paříži v roce 1900, Nušl v Praze v roce 1902). Oba přístroje používaly trojboký skleněný hranol ve spojení se rtuťovým horizontem, avšak poněkud odlišným způsobem. V obou případech se světlo od hvězdy dělí na hranolu na dvě části – jedna se od něj odráží přímo do dalekohledu, druhá se odráží dvakrát: nejprve od horizontu a pak od hranolu. Rozdíl je v tom, že zatímco u Nušlova přístroje se využívají vnější odrazy, u Claudova jsou to odrazy vnitřní. Výhoda Nušlova řešení je zřejmá – vnější plochy hranolu mohou být postříbřené, a tak dochází k menším ztrátám odraženého světla nežli u Claudova řešení; tam se část světla pohltí při průchodu hranolem a část nedokonalým odrazem od jeho vnitřní plochy. Pozorovatel v obou případech vidí v dalekohledu dva obrazy téže hvězdy, které se pohybují vertikálně proti sobě. V okamžiku jejich splynutí se hvězda nachází právě ve výšce 60° nad obzorem.
První cirkumzenitál, který Nušl vyrobil sám v roce 1899, reprezentuje skvělou ukázku jeho pověstného improvizačního umění. Pracoval většinou se dřevem, přístroj je postaven na rýsovacím prkně, jako stavěcí šrouby mu posloužily obyčejné vruty, pouze vlastní dalekohled je kovový. Dalekohled se spolu s hranolem otáčí nad rtuťovým horizontem za hvězdou kolem svislé osy.
Brzy nato se ale Nušl spojil s J. J. Fričem, jeho celoživotním přítelem, astronomem amatérem, majitelem továrny na optické přístroje v Praze a zakladatelem Ondřejovské hvězdárny, a společně vytvořili v letech 1901 - 1902 první profesionální přístroj. Upravili přitom mírně optický systém tak, aby bylo možné pozorovat hvězdy v libovolné výšce nad obzorem. Použili přitom dva hranoly o úhlech α = 120° a 130°, přičemž ten druhý umožňoval v naší zeměpisné šířce  ozorovat Polárku. Tento model měl dalekohled o průměru 40 mm a ohniskovou vzdálenost 350 mm. Na rozdíl od původního přístroje stál pozorovatel zády k pozorované hvězdě. Před objektiv byly vloženy vedle sebe dva tenké optické klínky o různých lámavých úhlech, každý zakrýval jednu třetinu objektivu. Každý ze dvou obrazů hvězd se tak dále rozdělil na tři, čímž se docílilo zvětšení počtu pozorovatelných koincidencí na třináct. Právě tímto přístrojem byla vykonána pozorování na nově budované observatoři v Ondřejově o prázdninách 1901 a 1902. Na základě zkušeností s těmito experimenty byly navrženy a provedeny další úpravy přístroje:

• Bylo zjištěno, že hladina rtuti se blízko okraje misky deformuje a rozmazává tak jeden z obrazů hvězdy. Proto autoři zvětšili průměr rtuťového horizontu z 85 mm na 200 mm a využívali pouze jeho střední část.
• Byly zjištěny značné změny přístrojové konstanty (výšky hvězdy nad obzorem, dané úhlem odrazného hranolu) v rozmezí ±3ˮ. To bylo způsobeno rozdělením světla na hranolu horizontálně – při změně fokusace dalekohledu se tak měnila výška hvězdy. Výsledkem byla náhrada hranolu zkříženými zrcadly ve speciálním invarovém držáku, takže světlo obou obrazů bylo rozděleno vertikálně. Změna fokusace tak měnila vzájemný posun obou obrazů hvězdy ve směru azimutu, nikoliv její výšku.
• Byl vypracován plán na konstrukci rotačního neosobního mikrometru, který však nakonec nebyl realizován. Namísto toho byl před zrcadla vložen navíc překladný optický klín, čímž se trojnásobně zvětšil počet pozorování během jednoho průchodu hvězdy (pozorovalo se vlastně ve třech různých, ale blízkých výškách).

Tak vznikl další vývojový stupeň cirkumzenitálu, model 1905. Právě tento model byl použit při historicky vůbec prvním pozorování po dokončení observatoře v Ondřejově 1. srpna 1906 večer. V roce 1907 provedli Nušl s Fričem v Ondřejově zajímavý experiment s velkým jednoúčelovým modelem cirkumzenitálu. Jeho dalekohled měl ohniskovou vzdálenost 6 m a průměr 24 cm, neměl žádný tubus, a byl rozdělen do tří oddělených částí:
1. Na jednom pilíři stál rtuťový horizont a nad ním zkřížená zrcadla.
2. Na druhém pilíři byl umístěn fotografický objektiv.
3. Třetí pilíř nesl v ohniskové rovině objektivu posuvný vozík s fotografickou deskou a byl umístěn v dřevěné chatičce.
Všechny tři pilíře byly orientovány v rovině místního poledníku a úhel zrcadel byl zvolen tak, aby přístroj byl trvale zacílen na Polárku v horní kulminaci. Z nepravidelností vzdálenosti stop obou jejích obrazů na fotografické desce pak byly studovány časové změny astronomické refrakce.
Další vývoj cirkumzenitálu byl na řadu let pozdržen první světovou válkou. Po jejím skončení a vzniku Československa však požádal nově zřízený Vojenský zeměpisný ústav J. J. Friče o konstrukci nového přenosného polního modelu cirkumzenitálu. Tak vznikl nejúspěšnější model 1922 s objektivem o ohniskové vzdálenosti 690 mm a průměru 60 mm, zenitová vzdálenost pozorovaných hvězd byla 40°. Zrcadla byla tentokrát umístěná nikoliv zkříženě, ale stříškovitě vedle sebe (tím se zmenšil vstupní otvor a průměr překladného klínu), pro zmenšení celkových rozměrů byl zvolen lomený dalekohled. Kromě překladného optického klínu, podobného jako u modelu 1905, byly před část objektivu vloženy dva další optické klíny, které každý ze dvou obrazů hvězdy dále zdvojnásobily. Tím se docílilo podstatného zvětšení počtu pozorovaných koincidencí obrazů během jednoho průchodu hvězdy.
Model 1922, zhotovený ve třech exemplářích, byl používán v letech 1924 až 1947 Vojenským zeměpisným ústavem pro měření astronomických poloh bodů základní geodetické sítě. V září 1924 jej Nušl předvedl na kongresu IUGG v Madridu, a uspořádal o něm téhož roku přednášku v Paříži. V roce 1937 byl vystaven na Světové výstavě v Paříži. Tam měl velký úspěch, dokonce se občas tvrdí, že tam za něj Nušl s Fričem dostali zlatou medaili. Pátrali jsme po tom ve spolehlivých pramenech, a zdá se zatím, že to není tak úplně pravda. Jediné dohledatelné zmínky z té doby jsou patrně dvě:

• V Říši hvězd 10/1937 v článku k Nušlovým 70. narozeninám píše doc. V. Nechvíle: „V poslední době obrátil se prof. Fr. Nušl ke konstrukci svého původního návrhu neosobního mikrometru a nového zdokonaleného cirkumzenitálu, jehož model jest již vystaven na letošní „Exposition internationale pour la Technique et l'Art“ v Paříži. Zkoušky dosud s ním vykonané předstihují veškerá očekávání!“
• Zeměměřičský věstník 1/1938 pak uvádí toto sdělení: „Uznání čs. jemné mechanice. Na světové Výstavě v Paříži 1937 byla právě udělena Grand Prix a čestný diplom firmě J. & J. Frič z Prahy XII. za její konstrukci a provedení cirkumzenitálu Nušl-Fričova. S tímto strojem docílil čsl. Vojenský zeměpisný ústav nejlepších výsledků v měření zeměpisných souřadnic, neboť v soutěži s velkými pasážními stroji německými, polskými a americkými byl na prvním místě, jak je také konstatováno ve zprávách konference Mezinárodní unie geodetické a geofyzikální v Edinburgu 1936.“

Všechny tři zhotovené exempláře se dochovaly, i když nikoliv všechny v původním stavu:
1. Původní model 1922 je trvale zapůjčen z Technického muzea v Brně Muzeu Vojtěcha Šafaříka na observatoři v Ondřejově, kde je vystaven pro veřejnost.
2. Model s neosobním mikrometrem Šuráně a Baueršímy (viz níže) je v majetku Výzkumného ústavu geodetického, topografického a kartografického ve Zdibech (VÚGTK) na Geodetické observatoři Pecný (GOP) v Ondřejově.
3. Model s upraveným neosobním mikrometrem prof. Buchara (viz níže) je vystaven v zasedací místnosti Katedry geomatiky Fakulty stavební ČVUT v Dejvicích.
V meziválečném období vstupuje na scénu Emil Buchar, který ve Vojenském zeměpisném ústavu vykonával s cirkumzenitálem pozorování a zasloužil se o jejich další zpřesňování. Stal se tak svým způsobem
pokračovatelem F. Nušla.

Cirkumzenitál se ukázal být životaschopným a byl úspěšně postupně vylepšován a používán téměř po jedno století. V poslední fázi vývoje byl důstojným konkurentem jiných podobných přístrojů, jako např. Danjonova astrolábu. V nedávné době se o něm bohužel opakovaně na různých místech vyskytly některé nesprávné informace.
O jedné z nich (údajná zlatá medaile na Světové výstavě v Paříži 1937) jsem se zmínil výše. Druhá se týká tvrzení, že cirkumzenitálem se pozorují hvězdy při průchodu poledníkem a určuje se jím zeměpisná délka. Ta má zřejmě původ ve vzpomínkách Nušlova vnuka Jana Sokola (Dědeček Nušl). Rovněž další tvrzení tam uvedené (S jeho praktickým využitím to bylo horší. Pilně s ním měřila a experimentovala československá armáda, která ho ovšem v dobře zmapovaném středoevropském prostoru fakticky příliš nepotřebovala) není přesné, jak je ostatně demonstrováno v tomto pojednání. Jde o omyly, snadno pochopitelné u autorových subjektivních vzpomínek z dětství. Bohužel, i někteří autoři z řad České astronomické společnosti tento pramen občas nekriticky přejímají, místo aby šli do původních Nušlových prací, kterých je celá řada.

Ing. Jan Vondrák, DrSc.

Zdroj: sborník František Nušl - 151 let