Кто из ученых древности рассчитал размеры земного шара? Путешествие во времени: эратосфен – отец географии
ЭРАТОСФЕН – ОТЕЦ ГЕОГРАФИИ.
19 июня мы имеем полное основание отмечать как День Географии – в 240 году до н.э. греческий, вернее, эллинистический ученый Эратосфен в день летнего солнцестояния (тогда он приходился именно на 19 июня) провел удачный эксперимент по измерению окружности земли. Более того, именно Эратосфен ввёл в обращение термин «ГЕОГРАФИЯ».
Слава Эратосфену!
Итак, что мы знаем о нем и его эксперименте? Изложим то немногое, что удалось собрать…
Среди математических сочинений Эратосфена нужно назвать произведение Платоник (Platonikos), представляющее род комментария к Тимею Платона, в котором рассматривались вопросы из области математики и музыки. Исходным пунктом был так называемый делийский вопрос, то есть удвоение куба. Геометрическое содержание имело произведение «О средних величинах (Peri mesotenon)» в 2 частях. В известном трактате Решето (Koskinon) Эратосфен изложил упрощенную методику определения первых чисел (так называемое "решето Эратосфена"). Сохранившееся под именем Эратосфена сочинение «Превращения звезд» (Katasterismoi), являясь, вероятно, конспектом более крупного произведения, связывало воедино филологические и астрономические исследования, вплетая в них повести и мифы о происхождении созвездий.
В «Географии» (Geographika) в 3 книгах Эратосфен представил первое систематическое научное изложение географии. Он начал с обзора того, что было достигнуто греческой наукой в этой области на тот момент. Эратосфен понимал, что Гомер был поэтом, поэтому он выступал против трактовки «Илиады» и «Одиссеи» как кладезя географических сведений. Зато ему удалось по достоинству оценить информацию Пифея. Создал математическую и физическую географию. Он также высказал предположение, что если плыть от Гибралтара на запад, то можно доплыть до Индии (это положение Эратосфена косвенным путем достигло Колумба и подсказало ему идею его путешествия). Эратосфен снабдил свое произведение географической картой мира, которую, по сведениям Страбона, критиковал Гиппарх Никейский. В трактате «Об измерении Земли» (Peri tes anametreseos tes ges; возможно, часть «Географии») на основании известного расстояния между Александрией и Сиеной (современный город Асуан), а также разницу угла падения солнечных лучей в обоих местностях, Эратосфен высчитал длину Экватора (итог: 252 тысячи стадий, то есть примерно 39 690 км, подсчет с минимальной ошибкой, поскольку истинная длина экватора составляет 40 120 км).
В объемном произведении «Хронография» (Chronographiai) в 9 книгах Эратосфен заложил основы научной хронологии. Оно охватывало период от разрушения Трои (датированного Э. 1184/83 гг. до н. э.) до смерти Александра (323 г. до н. э.). Эратосфен опирался на составленный им список олимпийских победителей и разработал точную хронологическую таблицу, в которой все известные ему политические и культурные события датировал по олимпиадам (то есть, четырехлетними периодами между играми). «Хронографи» Эратосфена стала основой позднейших хронологических исследований Аполлодора Афинского.
Произведение «О древней комедии» (Peri tes archaias komodias) в 12 книгах было литературным, лингвистическим и историческим исследованием и решало проблемы подлинности и датировки произведений. Как поэт Эратосфен был автором ученых эпилионов. «Гермес» (фр.), вероятно представляющий собой александрийскую версию гомеровского гимна, рассказывал о рождении бога, его детстве и вступлении на Олимп. «Месть, или Гесиод» (Anterinys или Hesiodos) повествовал о смерти Гесиода и наказании его убийц. В Эригоне, написанной элегическим дистихом, Эратосфен представил аттическую легенду об Икаре и его дочери Эригоне. Это было, вероятно, лучшее поэтическое произведение Эратосфена, которое хвалит в своем трактате «О возвышенности» Аноним. Эратосфен был первым ученым, который назвал себя "филологом" (philologos - любящий науку, подобно тому как philosophos - любящий мудрость).
Эксперимент Эратосфена по измерению окружности Земли:
1. Эратосфен знал, что в городе Сиене в полдень 21 или 22 июня, в момент летнего солнцестояния солнечные лучи освещают дно самых глубоких колодцев. То есть в это время солнце располагается строго по вертикали над Сиеной, а не под углом. (Ныне город Сиена называется Асуан).
2. Эратосфен знал, что
Александрия находится
севернее Асуана примерно на
той же долготе.
3. В день летнего солнцестояния
он, находясь в Александрии, по
длине теней установил, что угол
падения солнечных лучей равен 7,2°,
то есть Солнце отстоит от
зенита на эту величину. В круге
360°. Эратосфен разделил 360 на 7,2
и получил 50. Таким образом, он
установил, что расстояние
между Сиеной и Александрией
равно одной пятидесятой
окружности Земли.
4. Затем Эратосфен определил
фактическое расстояние между
Сиеной и Александрией. В те
времена это было непросто
сделать. Тогда люди
передвигались на верблюдах.
Длину пройденного пути
измеряли в стадиях. Караван
верблюдов обычно проходил
около 100 стадий в день.
Путешествие из Сиены в
Александрию занимало 50 дней.
Значит, определить расстояние
между двумя городами можно
следующим образом:
100 стадий x 50 дней = 5 000 стадий.
5. Поскольку расстояние в 5 000 стадий равняется, как заключил Эратосфен, одной пятидесятой окружности Земли, следовательно, длину всей окружности можно вычислить следующим образом:
5 000 стадий x 50 = 250 000 стадий.
6. Длину стадии сейчас определяют по-разному; согласно одному из вариантов, стадия равна 157 м. Таким образом, длина окружности Земли равняется
250 000 стадий x 157 м = 39 250 000 м.
Чтобы
перевести метры в километры,
нужно разделить полученное
значение на 1 000. Окончательный
ответ - 39 250 км
Согласно современным
вычислениям, длина окружности
земного шара равна 40 008 км.
В знаменитой библиотеке хранилось более 700 000 свитков, которые содержали все сведения о мире, известные людям той эпохи. При содействии своих помощников Эратосфен первым рассортировал свитки по темам. Эратосфен дожил до глубокой старости. Когда он ослеп от старости, он перестал есть и умер от голода. Он не представлял себе жизни без возможности работать со своими любимыми книгами.
Теперь вы знаете, что в сказочной Вселенной наших далеких предков Земля даже не напоминала шар. Жители Древнего Вавилона представляли ее в виде острова в океане. Египтянам она виделась вытянутой с севера на юг долиной, в центре которой был Египет. А древние китайцы одно время изображали Землю в виде прямоугольника... Вы улыбаетесь, представляя себе такую Землю, но часто ли вы задумывались о том, как люди догадались, что Земля - не безграничная плоскость или диск, плавающий в океане? Когда я спрашивал об этом ребят, то одни говорили, что о шарообразности Земли люди узнали после первых кругосветных путешествий, а другие вспоминали, что при появлении из-за горизонта корабля мы сначала видим мачты, а потом палубу. Доказывают ли такие и некоторые подобные им примеры, что Земля - шар? Вряд ли. Ведь объехать можно и вокруг... чемодана, а верхние части корабля появлялись бы и в том случае, если бы Земля имела форму полушария или была похожа, скажем, на... бревно. Подумайте об этом и постарайтесь изобразить сказанное на своих рисунках. Тогда вы поймете: приведенные примеры свидетельствуют лишь о том, что Земля изолирована в пространстве и, возможно, шарообразна.
Как же узнали, что Земля - шар? Помогла, как я уже вам рассказал, Луна, а точнее - лунные затмения, во время которых на Луне всегда видна круглая тень Земли. Устройте небольшой "театр теней": освещайте в темной комнате предметы разной формы (треугольник, тарелку, картофелину, мяч и т. д.) и замечайте, какая тень от них получается на экране или просто на стене. Убедитесь, что только мячик всегда образует на экране тень в виде круга. Итак, Луна помогла людям узнать, что Земля - это шар. К такому выводу ученые в Древней Греции (например, великий Аристотель) пришли еще в IV веке до нашей эры. Но еще очень долго "здравый смысл" человека не мог смириться с тем, что люди обитают на шаре. Даже представить себе не могли, как можно жить на "другой стороне" шара, ведь находящимся там "антиподам" пришлось бы все время ходить вниз головой... Но где бы ни находился человек на земном шаре, всюду брошенный вверх камень будет под действием силы притяжения Земли падать вниз, то есть на земную поверхность, а если бы было возможно, то и к центру Земли. На самом деле, людям, конечно, нигде, кроме цирков и спортивных залов, не приходится ходить вверх ногами и вниз головой. Они в любом месте Земли ходят нормально: земная поверхность у них под ногами, а небо над головой.
Около 250 года до нашей эры греческий ученый Эратосфен
впервые довольно точно измерил земной шар. Эратосфен жил в Египте в городе Александрия. Он догадался сравнить высоту Солнца (или его угловое расстояние от точки над головой, зенита,
которое так и называется - зенитное расстояние
) в один и тот же момент времени в двух городах - Александрии (на севере Египта) и Сиене (ныне Асуан, на юге Египта). Эратосфену было известно, что в день летнего солнцестояния (22 июня) Солнце в полдень
освещает дно глубоких колодцев. Следовательно, в это время Солнце находится в зените. Но в Александрии в этот момент Солнце не бывает в зените, а отстоит от него на 7,2°. Такой результат Эратосфен получил, изменяя зенитное расстояние Солнца с помощью своего несложного угломерного инструмента - скафиса. Это просто вертикальный шест - гномон, укрепленный на дне чаши (полусферы). Скафис устанавливают так, чтобы гномон принимал строго вертикальное положение (направлен в зенит) Освещенный солнцем шест отбрасывает тень на разделенную на градусы внутреннюю поверхность скафиса. Так вот в полдень 22 июня в Сиене гномон тень не отбрасывает (Солнце в зените, его зенитное расстояние равно 0°), а в Александрии тень от гномона, как видно по шкале скафиса, отмечала деление 7,2°. Во времена Эратосфена расстояние от Александрии до Сиена считали равным 5000 греческих стадий (примерно 800 км). Зная все это, Эратосфен сопоставил дугу в 7,2° со всей окружностью в 360° градусов, а расстояние 5000 стадий - со всей окружностью земного шара (обозначим ее буквой X) в километрах. Тогда из пропорции
получилось, что Х = 250 000 стадий, или примерно 40 000 км (представьте себе, это так и есть!).
Если вам известно, что длина окружности равна 2πR, где R - радиус окружности (а π ~ 3,14), зная длину окружности земного шара, легко найти его радиус (R):
Замечательно, что Эратосфену удалось очень точно измерить Землю (ведь и сегодня считают, что средний радиус Земли 6371 км! ).
Но почему здесь упомянут средний радиус Земли, разве у шара не все радиусы одинаковы? Дело в том, что фигура Земли отличается от шара. Об этом ученые стали догадываться еще в XVIII веке, но какова в действительности Земля - сжата она у полюсов или у экватора - выяснить было трудно. Чтобы разобраться в этом, Французской академии наук пришлось снарядить две экспедиции. В 1735 году одна из них отправилась проводить астрономические и геодезические работы в Перу и занималась этим в экваториальном районе Земли около 10 лет, а другая, лапландская, трудилась в 1736-1737 годах вблизи Северного полярного круга. В результате выяснилось, что длина дуги одного градуса меридиана неодинакова у полюсов Земли и у ее экватора. Градус меридиана оказался у экватора длиннее, чем в высоких широтах (111,9 км и 110,6 км). Так может быть лишь в том случае, если Земля сжата у полюсов и представляет собой не шар, а тело, близкое по форме к сфероиду. У сфероида полярный радиус меньше экваториального (у земного сфероида полярный радиус короче экваториального почти на 21 км ).
Полезно знать, что великий Исаак Ньютон (1643-1727) предвосхитил результаты экспедиций: он сделал правильный вывод о том, что Земля сжата, потому наша планета вращается вокруг оси. Вообще, чем быстрее вращается планета, тем больше должно быть ее сжатие. Поэтому, например, сжатие Юпитера больше, чем Земли (Юпитер успевает сделать оборот вокруг оси по отношению к звездам за 9 ч 50 мин, а Земля только за 23 ч 56 мин).
И еще. Истинная фигура Земли очень сложна и отличается не только от шара, но и от сфероида вращения. Правда, в данном случае речь идет о разнице не в километры, а...метры! Подобным тщательным уточнением фигуры Земли ученые занимаются по сей день, используя для этой цели специально проводимые наблюдения с искусственных спутников Земли. Так что вполне возможно, что в решении задачи, за которую давным-давно взялся Эратосфен, когда-нибудь и вам придется принять участие. Это очень нужное людям дело.
Какой же лучше всего запомнить вам фигуру нашей планеты? Думаю, что пока достаточно, если вы будете представлять Землю в виде шара с надетым на него "дополнительным поясом", своего рода "нашлепкой" на область экватора. Такое искажение фигуры Земли, превращающее ее из шара в сфероид, имеет немалые последствия. В частности, из-за притяжения Луной "дополнительного пояса" земная ось примерно за 26 000 лет описывает в пространстве конус. Это движение земной оси называется прецессионным. В результате роль Полярной звезды, которая сейчас принадлежит α Малой Медведицы, поочередно играют некоторые другие звезды (ею в будущем станет, например, α Лиры - Вега). Кроме того, из-за такого (прецессионного ) движения земной оси знаки Зодиака все больше и больше не совпадают с соответствующими созвездиями. Другими словами, через 2000 лет после эпохи Птолемея "знак Рака", например, уже не совпадает с "созвездием Рака" и т. д. Впрочем, современные астрологи стараются не обращать на это внимания...
Совершая путешествия из г. Александрии на юг, в г. Сиену (теперь Асуан), люди замечали, что там летом в тот день, когда солнце бывает всего выше на небе (день летнего солнцестояния - 21 или 22 июня), в полдень оно освещает дно глубоких колодцев, т. е. бывает как раз над головой, в зените. Вертикально стоящие столбы в этот момент не дают тени. В Александрии же и в этот день солнце в полдень не доходит до зенита, не освещает дна колодцев, предметы дают тень.
Эратосфен измерил, насколько полуденное солнце в Александрии отклонено от зенита, и получил величину, равную 7°12", что составляет 1 / 50 окружности. Это ему удалось сделать при помощи прибора, называемого скафисом. Скафис представлял собой чашу в форме полушария. В центре ее отвесно укреплялась
Слева - определение высоты солнца скафисом. В центре - схема направления солнечных лучей: в Сиене они падают вертикально, в Александрии - под углом в 7°12". Справа - направление солнечного луча в Сиене в момент летнего солнцестояния.
Скафис - древний прибор для определения высоты солнца над горизонтом (в разрезе).
игла. Тень от иглы падала на внутреннюю поверхность скафиса. Для измерения отклонения солнца от зенита (в градусах) на внутренней поверхности скафиса проводились окружности, помеченные цифрами. Если, например, тень доходила до окружности, помеченной цифрой 50, солнце стояло на 50° ниже зенита. Построив чертеж, Эратосфен совершенно правильно заключил, что Александрия отстоит от Сиены на 1 / 50 окружности Земли. Чтобы узнать окружность Земли, оставалось измерить расстояние между Александрией и Сиеной и умножить его на 50. Это расстояние было определено по числу дней, которое тратили караваны верблюдов на переход между городами. В единицах того времени оно равнялось 5 тыс. стадий. Если 1 / 50 окружности Земли равняется 5000 стадий, то вся окружность Земли равна 5000х50 = 250 000 стадий. В переводе на наши меры это расстояние приблизительно равно 39 500 км. Зная длину окружности, можно вычислить и величину радиуса Земли. Радиус всякой окружности в 6,283 раза меньше ее длины. Поэтому средний радиус Земли, по Эратосфену, оказался равным круглому числу - 6290 км, а диаметр - 12 580 км. Так Эратосфен нашел приблизительно размеры Земли, близкие к тем, которые определены точными приборами в наше время.
Как проверялась информация о форме и величине земли
После Эратосфена Киренского на протяжении многих столетий никто из ученых не пытался вновь измерить земную окружность. В XVII в. был изобретен надежный способ измерения больших расстояний на поверхности Земли - способ триангуляции (названный так от латинского слова «триангулюм» - треугольник). Этот способ удобен тем, что встречающиеся на пути препятствия - леса, реки, болота и т. п.- не мешают точному измерению больших расстояний. Измерение производится следующим образом: непосредственно на поверхности Земли очень точно измеряют расстояние между двумя близко расположенными точками А и В, из которых видны удаленные высокие предметы - холмы, башни, колокольни и т. п. Если из А и В через зрительную трубу можно разглядеть предмет, находящийся в точке С, то нетрудно измерить в точке А угол между направлениями АВ и АС, а в точке В - угол между ВА и ВС.
После этого по измеренной стороне АВ и двум углам при вершинах А и В можно построить треугольник АBС и, следовательно, найти длины сторон АС и ВС, т. е. расстояния от А до С и от В до С. Такое построение можно выполнить на бумаге, уменьшив все размеры в несколько раз или с помощью вычисления по правилам тригонометрии. Зная расстояние от В до С и наводя из этих точек зрительную трубу измерительного инструмента (теодолита) на предмет в какой-либо новой точке D, тем же путем измеряют расстояния от В до D и от С до D. Продолжая измерения, как бы покрывают часть поверхности Земли сетью треугольников: ABC, BCD и т. д. В каждом из них можно последовательно определить все стороны и углы (см. рис.). После того как измерена сторона АВ первого треугольника (базис), все дело сводится к измерению углов между двумя направлениями. Построив сеть треугольников, можно вычислить по правилам тригонометрии расстояние от вершины одного треугольника до вершины любого другого, как бы далеко друг от друга они ни находились. Так решается вопрос об измерении больших расстояний на поверхности Земли. Практическое применение способа триангуляции - дело далеко не простое. Эту работу могут выполнять только опытные наблюдатели, вооруженные очень точными угломерными инструментами. Обычно для наблюдений приходится сооружать специальные вышки. Работы такого рода поручаются особым экспедициям, которые продолжаются по нескольку месяцев и даже лет.
Способ триангуляции помог ученым уточнить знания о форме и величине Земли. Произошло это при следующих обстоятельствах.
Знаменитый английский ученый Ньютон (1643-1727) высказал мнение, что Земля не может иметь форму точного шара, потому что она вращается вокруг своей оси. Все частицы Земли находятся под влиянием центробежной силы (силы инерции), которая особенно велика
Если нам нужно измерить расстояние от А до D (при этом точку В не видно из точки А), то мы измеряем базис АВ и в треугольнике AВС измеряем углы, прилегающие к базису (a и b). По одной стороне и прилегающим к ней двум углам определяем расстояние АС и BС. Далее из точки С мы с помощью зрительной трубы измерительного инструмента находим точку D, видимую из точки С и точки B. В треугольнике CUB нам известна сторона СВ. Остается измерить прилегающие к пей углы, а затем определить расстояние DB. Зная расстояния DB u AB и угол между этими линиями, можно определить расстояние от А до D.
Схема триангуляции: АB - базис; BE - измеряемое расстояние.
у экватора и отсутствует у полюсов. Центробежная сила у экватора действует против силы тяжести и ослабляет ее. Равновесие между силой тяжести и центробежной силой было достигнуто тогда, когда земной шар у экватора «раздулся», а у полюсов «сплющился» и постепенно приобрел форму мандарина, или, выражаясь научным языком, сфероида. Интересное открытие, сделанное в то же время, подтвердило предположение Ньютона.
В 1672 г. один французский астроном установил, что если точные часы перевезти из Парижа в Кайенну (в Южной Америке, вблизи экватора), то они начинают отставать на 2,5 минуты в сутки. Это отставание происходит потому, что маятник часов около экватора качается медленнее. Стало очевидно, что сила тяжести, которая заставляет маятник качаться, в Кайенне меньше, чем в Париже. Ньютон объяснил это тем, что на экваторе поверхность Земли находится дальше от ее центра, чем в Париже.
Французская академия наук решила проверить правильность рассуждений Ньютона. Если Земля имеет форму мандарина, то дуга меридиана размером в 1° должна удлиняться при приближении к полюсам. Оставалось при помощи триангуляции измерить длину дуги в 1° на разном расстоянии от экватора. Измерить дугу на севере и на юге Франции поручили директору Парижской обсерватории Джованни Кассини. Однако южная дуга у него получилась длиннее северной. Казалось, что Ньютон не прав: Земля не сплюснута, как мандарин, а вытянута подобно лимону.
Но Ньютон не отказался от своих выводов и уверял, что Кассини ошибся при измерениях. Между сторонниками теории «мандарина» и «лимона» разгорелся ученый спор, который длился 50 лет. После смерти Джованни Кассини его сын Жак, также директор Парижской обсерватории, чтобы защитить мнение своего отца, написал книгу, где доказывал, что по законам механики Земля должна быть вытянута, как лимон. Чтобы окончательно решить этот спор, Французская академия наук снарядила в 1735 г. одну экспедицию к экватору, другую - к северному полярному кругу.
Южная экспедиция проводила измерения в Перу. Для измерения была выбрана дуга меридиана длиной около 3° (330 км). Она пересекала экватор и проходила через ряд горных долин и высочайших горных хребтов Америки.
Работа экспедиции продолжалась восемь лет и была сопряжена с большими трудностями и опасностями. Однако ученые выполнили свою задачу: градус меридиана у экватора был измерен с очень большой точностью.
Северная экспедиция работала в Лапландии (так до начала XX в. называлась северная часть Скандинавского и западная часть Кольского полуостровов).
После сравнения результатов работы экспедиций выяснилось, что полярный градус длиннее экваториального. Следовательно, Кассини действительно ошибался, а Ньютон был прав, утверждая, что Земля имеет форму мандарина. Так кончился этот затянувшийся спор, и ученые признали правильность утверждений Ньютона.
В наше время существует особая наука - геодезия, которая занимается определением величины Земли при помощи точнейших измерений ее поверхности. Данные этих измерений позволили достаточно точно определить действительную фигуру Земли.
Геодезические работы по измерению Земли проводились и проводятся в различных странах. Такие работы выполнены и в нашей стране. Еще в прошлом веке русскими геодезистами была проделана очень точная работа по измерению «русско-скандинавской дуги меридиана» протяжением более 25°, т. е. длиной почти в 3 тыс. км. Ее назвали «дугой Струве» в честь основателя Пулковской обсерватории (под Ленинградом) Василия Яковлевича Струве, который задумал эту огромную работу и руководил ею.
Градусные измерения имеют большое практическое значение прежде всего для составления точных карт. Как на карте, так и на глобусе вы видите сеть меридианов - кругов, идущих через полюсы, и параллелей - кругов, параллельных плоскости земного экватора. Карта Земли не могла быть составлена без длительной и кропотливой работы геодезистов, определявших шаг за шагом на протяжении многих лет положение разных мест на земной поверхности и затем наносивших полученные результаты на сеть меридианов и параллелей. Чтобы иметь точные карты, требовалось знать действительную форму Земли.
Результаты измерений Струве и его сотрудников оказались очень важным вкладом в эту работу.
Впоследствии другие геодезисты с большой точностью измерили длины дуг меридианов и параллелей в разных местах земной поверхности. По этим дугам при помощи вычислений удалось определить длину поперечников Земли в плоскости экватора (экваториальный диаметр) и в направлении земной оси (полярный диаметр). Оказалось, что экваториальный диаметр длиннее полярного примерно на 42,8 км. Это еще раз подтвердило, что Земля сжата с полюсов. По последним данным советских ученых, полярная ось на 1 / 298,3 короче экваториальной.
Допустим, мы хотели бы изобразить отклонение формы Земли от шара на глобусе с поперечником в 1 м. Если шар по экватору имеет поперечник точно 1 м, то его полярная ось должна быть всего лишь на 3,35 мм короче! Это столь малая величина, что на глаз ее нельзя обнаружить. Форма Земли, таким образом, очень мало отличается от шара.
Можно подумать, что неровности земной поверхности, и особенно горные вершины, высочайшая из которых Джомолунгма (Эверест) достигает почти 9 км, должны сильно искажать форму Земли. Однако это не так. В масштабе глобуса диаметром в 1 м девятикилометровая гора изобразится в виде прилипшей к нему песчинки диаметром около 3 / 4 мм. Разве только на ощупь, да и то с трудом, можно обнаружить этот выступ. А с той высоты, на которой летают наши корабли-спутники, его можно различить разве по черному пятнышку тени, отбрасываемой им при низком стоянии Солнца.
В наше время размеры и форма Земли очень точно определены учеными Ф. Н. Красовским, А. А. Изотовым и др. Вот числа, показывающие размер земного шара по измерениям этих ученых: длина экваториального диаметра - 12 756,5 км, длина полярного диаметра - 12 713,7 км.
Изучение пути, пройденного искусственными спутниками Земли, позволит определить величину силы тяжести в разных местах над поверхностью земного шара с такой точностью, которой нельзя было достигнуть никаким другим способом. Это в свою очередь позволит внести дальнейшее уточнение в наши знания о размерах и форме Земли.
Постепенное изменение формы земли
Однако, как удалось выяснить при помощи все тех же космических наблюдений и сделанных на их базе специальных вычислений, геоид имеет сложный вид вследствие вращения Земли и неравномерного распределения масс в земной коре, но достаточно хорошо (с точностью до нескольких сотен метров) представляется эллипсоидом вращения, имеющим полярное сжатие 1:293,3 (эллипсоид Красовского).
Тем не менее до самого недавнего времени считалось вполне установленным фактом, что этот небольшой дефект медленно, но верно нивелируется из-за так называемого процесса восстановления гравитационного (изостатического) равновесия, начавшегося примерно восемнадцать тысяч лет назад. Но совсем недавно Земля опять начала сплющиваться.
Геомагнитные измерения, которые с конца 70-х годов стали неотъемлемым атрибутом научно-исследовательских программ спутникового наблюдения, стабильно фиксировали выравнивание гравитационного поля планеты. В общем, с точки зрения мейнстримовских геофизических теорий гравитационная динамика Земли представлялась вполне прогнозируемой, хотя, разумеется, как внутри мейнстрима, так и за его рамками существовали многочисленные гипотезы, по-разному интерпретирующие средне- и долгосрочные перспективы этого процесса, а равно и то, что происходило в прошлой жизни нашей планеты. Довольно большой популярностью пользуется сегодня, скажем, так называемая пульсационная гипотеза, согласно которой Земля периодически то сжимается, то расширяется; есть сторонники и у "контракционной" гипотезы, постулирующей, что в долгосрочном плане размеры Земли будут уменьшаться. Нет единства у геофизиков и по части того, в какой фазе находится сегодня процесс послеледникового восстановления гравитационного равновесия: большинство специалистов полагают, что он довольно близок к завершению, но имеются и теории, утверждающие, что до его конца еще далеко или что он уже прекратился.
Тем не менее, несмотря на обилие разночтений, до конца 90-х годов прошлого века
у ученых все-таки не было сколько-нибудь веских причин сомневаться в том, что
процесс послеледникового гравитационного выравнивания живет и здравствует. Конец
научному благодушию пришел довольно внезапно: потратив несколько лет на проверку
и перепроверку результатов, полученных с девяти различных спутников, двое
американских ученых, Кристофер Кокс из компании Raytheon и Бенджамен Чао,
геофизик Годдардовского центра управления космическими полетами NASA, пришли к
удивительному выводу: начиная с 1998 года, "экваториальный охват" Земли (или,
как окрестили эту размерность многие западные СМИ, ее "толщина") вновь стал
увеличиваться.
Зловещая роль течений океана.
Статья Кокса и Чао, в которой декларируется "обнаружение крупномасштабного перераспределения массы Земли", была опубликована в журнале Science в начале августа 2002 года. Как отмечают авторы исследования, "длительные наблюдения за поведением гравитационного поля Земли показали, что у выравнивавшего его послеледникового эффекта в последние несколько лет неожиданно возник более мощный противник, примерно вдвое превосходящий его по силе гравитационного воздействия". Благодаря этому "таинственному противнику" Земля вновь, как и в последнюю "эпоху Великого Обледенения", начала сплющиваться, то есть с 1998 года в районе экватора происходит нарастание массы вещества, тогда как из полярных зон идет его отток.
Прямых измерительных методик, позволяющих обнаружить этот феномен, у земных геофизиков пока нет, поэтому в своей работе им приходится пользоваться косвенными данными, прежде всего результатами сверхточных лазерных замеров изменений траекторий орбит спутников, происходящих под влиянием колебаний гравитационного поля Земли. Соответственно, говоря о "наблюдаемых перемещениях масс земного вещества", ученые исходят из предположения о том, что именно они ответственны за эти локальные гравитационные колебания. Первые попытки объяснения этого странного явления и предприняты Коксом и Чао.
Версия о каких-либо подземных явлениях, например перетекании вещества в земной магме или ядре, выглядит, по мнению авторов статьи, довольно сомнительной: для того, чтобы подобные процессы возымели хоть сколько-нибудь значимый гравитационный эффект, якобы требуется куда более длительное время, чем смехотворные по научным меркам четыре года. В качестве возможных причин, обусловивших утолщение Земли по экватору, они называют три основных: океаническое воздействие, таяние полярных и высокогорных льдов и некие "процессы в атмосфере". Впрочем, последняя группа факторов ими также сразу отметается - регулярные замеры веса атмосферного столба не дают никаких оснований для подозрений в причастности тех или иных воздушных явлений к возникновению обнаруженного гравитационного феномена.
Далеко не столь однозначной представляется Коксу и Чао гипотеза о возможном влиянии на экваториальное вздутие процесса таяния льда в арктической и антарктической зонах. Этот процесс как важнейший элемент пресловутого глобального потепления мирового климата, безусловно, в той или иной степени может быть ответственен за перенос значительных масс вещества (прежде всего воды) от полюсов к экватору, но сделанные американскими исследователями теоретические расчеты показывают: для того, чтобы он оказался определяющим фактором (в частности, "перекрыл" последствия тысячелетнего "роста положительного рельефа"), размерность ежегодно растапливаемой с 1997 года "виртуальной глыбы льда" должна была бы составлять 10х10х5 километров! Никаких эмпирических свидетельств того, что процесс таяния льда в Арктике и Антарктике за последние годы мог принять подобные масштабы, у геофизиков и метеорологов не имеется. Согласно самым оптимистическим оценкам, совокупный объем растаявших льдин как минимум на порядок меньше этого "суперайсберга", следовательно, даже если он и оказал какое-то влияние на прирост экваториальной массы Земли, едва ли это влияние могло быть столь существенным.
В качестве наиболее вероятной причины, обусловившей внезапное изменение гравитационного поля Земли, Кокс и Чао рассматривают сегодня океаническое воздействие, то есть все тот же перенос больших объемов водной массы Мирового океана от полюсов к экватору, который, однако, связан не столько с быстрым таянием льда, сколько с некими не вполне объяснимыми резкими флуктуациями океанических течений, происходящими в последние годы. Причем, как полагают специалисты, главный кандидат на роль возмутителя гравитационного спокойствия - Тихий океан, точнее, циклические перемещения огромных водных масс из его северных регионов в южные.
Если данная гипотеза окажется верной, человечество в весьма скором будущем может столкнуться с очень серьезными изменениями мирового климата: зловещая роль океанических течений хорошо известна всем мало-мальски знакомым с основами современной метеорологии (чего стоит один Эль-Ниньо). Правда, вполне логичным выглядит и предположение, что внезапное разбухание Земли по экватору - следствие уже идущей полным ходом климатической революции. Но, по большому счету, толком разобраться по свежим следам в этом клубке причинно-следственных взаимосвязей пока едва ли представляется возможным.
Очевидную нехватку понимания происходящих "гравитационных безобразий" прекрасно иллюстрирует небольшой фрагмент интервью самого Кристофера Кокса корреспонденту службы новостей журнала Nature Тому Кларку: "По моему мнению, сейчас можно с высокой степенью определенности (здесь и далее выделено нами. - "Эксперт") говорить лишь об одном: "проблемы с весом" нашей планеты, вероятно, носят временный характер и не являются прямым результатом человеческой деятельности". Однако, продолжая эту словесную эквилибристику, американский ученый тут же еще раз предусмотрительно оговаривается: "Постровидимому, рано или поздно все вернется "к норме", но, возможно, мы заблуждаемся на сей счет".
Постараюсь не только ответить на вопрос, но и описать метод измерения, который, на мой взгляд, весьма оригинален. В общем, надеюсь, получится интересно, а главное - познавательно.
Как Эратосфен измерил окружность Земли
Сегодня с этим справится, пожалуй, любой школьник, но тогда, более 2000 лет назад, это было сделать практически невозможно. Более того, в те времена большинство полагало, что мир представляет собой плоский диск, с края которого можно свалиться в бездну. Однако ученый, живший в Александрии, навсегда вошел в историю как первый, кому удалось вычислить размеры нашей планеты. Но как он это сделал, ведь в его арсенале не было практически никаких специальных приборов? Он использовал те данные, которыми располагали египтяне, а именно - тот факт, что в день летнего солнцестояния лучи светила достигают дна самых глубоких колодцев города Сиена. При этом, в Александрии такое явление не наблюдается. Итак, в 240 году до н.э., ученый использовал обычную чашу с иголкой, чтобы понять, каков угол светила в небе. Далее были произведены следующие расчеты:
- в Сиене полдень - тень абсолютно отсутствует, то есть, угол равен 0°;
- в Александрии, что расположена почти в 5000 стадиев (около 800 км), угол составил 7° 12′ - стало быть, 1/50 окружности;
- после расчетов было установлено, что окружность составляет не менее 250 тысяч стадий или почти 40 тысяч км.
Как видно, с учетом небольшой погрешности, результат соответствует действительности. В общем, очевидно, что Эратосфен для своего времени оказался великолепным ученым.
Как измеряют Землю сегодня
В наши дни существует специальная наука - геодезия, которая и занимается решением подобных задач. Специалисты применяют множество приборов для вычисления угловых расстояний. Например, для определения точной формы планеты сопоставляют колебания силы тяжести на разных участках, а для определения углов используют спутники.
Аппарат является как бы вершиной треугольника, естественно, воображаемого, а остальные углы опираются на разные участки поверхности Земли.
Тестовые задания
1. По представлениям древних индийцев Земля считалась
а) плоской
б) выпуклой
в) шарообразной
г) геоидом
2. Первым определил размеры земного шара
а) Пифагор
б) Аристотель
в) Эратосфен
г) Птолемей
3. Длина линии экватора земного шара составляет около
в) 40 000 км
4. Как вы думаете, какой инструмент использовал Эратосфен для определения размеров земного шара?
а) линейку
б) компас
в) телескоп
г) метроном
5. Одно из первых доказательств шарообразности Земли было получе-но в результате наблюдения за
а) кораблями, уплывающими в море
б) восходом солнца
в) северным сиянием
г) полётом космического корабля
6. Заполните пропуски в тексте.
Древнегреческий учёный Аристотель собрал много дока-зательств шарообразности Земли. Самое серьёзное из них было осно-вано на наблюдениях, сделанных во время лунных затмений. Позднее другой учёный вычислил размеры земного шара. Его звали Эрастофен .
Тематический практикум.
Прочитайте текст и ответьте на вопрос.
В основе представлений древних вавилонян о Земле лежали наблю-дения за явлениями природы. Однако ограниченность знаний не позво-ляла им правильно объяснять эти явления.
В глубокой древности на западе Азии существовало Вавилонское царство. Вавилоняне представляли Землю в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилонское царство. Они заметили, что к югу от Вавилона — море, а на востоке расположены горы, через ко-торые не решались переходить. Поэтому им и казалось, что Вавилон-ское царство расположено на западном склоне «мировой» горы. Гора эта круглая, и окружена она морем, а на море, как опрокинутая чаша, опирается твёрдое небо — небесный мир. На небе, как и на Земле, есть суша, вода и воздух. Небесная суша — это пояс созвездий зодиака, как плотина, протянувшаяся среди небесного моря. По этому поясу суши движутся Солнце, Луна и пять планет.
Под Землёй находится бездна — ад, куда спускаются души умер-ших. Ночью Солнце проходит через это подземелье от западного края Земли к восточному, чтобы утром опять начать свой дневной путь по небу. Наблюдая заход Солнца за морской горизонт, люди думали, что оно уходит в море и восходить должно также из моря.
Как на представления вавилонян об устройстве мира повлияли ре-альные особенности расположения их страны? Приведите несколько примеров.
Вавилоняне заметили, что к югу от Вавилона - море, а на востоке расположены горы, через которые не решались переходить. Поэтому им казалось, что Вавилонское царство расположено на западном склоне "мировой" горы.
По поясу суши движутся Солнце и Луна, а также пять планет.
Картографический практикум.
Нанесите на контурную карту цифровые обозначения перечислен-ных географических объектов.
1 — Северная Америка
2 — Атлантический океан
3 — Евразия
4 — остров Мадагаскар
5 — Тихий океан
6 — Аравийское море