Земля

Ф. Д. Бублейников

Земля

Введение

Среди разнообразных знаний о природе одно из важнейших мест занимает наука о Земле.

Землю можно изучать как одну из девяти планет, обращающихся вокруг Солнца. Этим с давних пор занимается астрономия, одна из самых древних наук человечества.

Изучают форму и размеры земного шара — этим занимается геодезия.

Теперь изучают также состав, строение и физические свойства земного шара. Этим занимается геофизика, сравнительно молодая наука, получившая большое развитие в нашей стране.

Руководствуясь диалектическим методом познания природы, советские учёные успешно развивают науку о Земле, раскрывают всё новые её тайны. Это даёт советским людям всё бóльшую власть над природой, над её могущественными, неистощимыми силами.

В отличие от буржуазных стран в Советском Союзе научные открытия немедленно применяются в социалистическом хозяйстве, становятся достоянием народа.

Вся система нашего народного хозяйства построена на строго научных основах. Успешное развитие социалистического хозяйства тесно связано с процветанием науки. Поэтому Коммунистическая партия и Советское правительство всемерно поддерживают науку, помогающую нам строить коммунизм.

1. Форма Земли

Как и всё в природе, Земля не остаётся неизменной, она развивается, изменяя со временем свой вид. Благодаря перемещениям больших масс вещества внутри Земли на её поверхности происходят постоянные изменения: поднимаются горы, опускается или поднимается морское дно и т. д. С другой стороны, ветер, вода, резкие изменения температуры разрушают неровности земной поверхности, сглаживают её. Так постепенно меняется лицо Земли.

Далеко не сразу пришли люди к этой простой и ясной для нас мысли. Долгое время учёные считали, что Земля неизменна. Такой взгляд поддерживала церковь. Согласно религии всё то, что мы видим на Земле, существует в неизменности со дня её сотворения.

Только немногие учёные-материалисты осмеливались выступать против этого учения церкви. Одним из них был великий русский учёный М. В. Ломоносов.

«И так напрасно многие думают, — писал он в своей работе „О слоях земных“, — что всё как видим, с начала творцом создано; будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом; и потому де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно и натуральному знанию шара земного… хотя оным умникам и легко быть Философами, выучась наизусть три слова: бог так сотворил».

Издавна людей интересовал вопрос о форме Земли. Если верить непосредственному зрительному впечатлению, Землю можно принять за обширную плоскость, на которую опирается вдали голубой свод неба. Кое-где на этой плоскости возвышаются горные цепи. Однако уже давно доказано, что земная поверхность везде выпукла.

Убедиться в выпуклости Земли можно, наблюдая, как скрываются или появляются высокие предметы на той линии, где небо как будто сходится с земной поверхностью, то-есть на линии горизонта.

На суше нелегко найти место, откуда была бы ясно видна вся линия горизонта. Холмы, леса, не говоря уже о горах, скрывают её от глаз. Иное дело на море: там линия горизонта отчётливо видна. Вот почему именно моряки первые заметили, что земная поверхность выпукла.

Приближаясь к берегу, моряки видели, что сперва показывались только верхушки гор, а по мере приближения к ним корабля горы как бы вырастали на глазах, пока, наконец, становилось видным их подножие.

Удаляясь от берега, моряки наблюдали обратное — горы как бы погружались в море: сперва исчезали из виду их подножие и строения на берегу, а затем скрывались из глаз и вершины гор.

Это на первый взгляд странное явление легко объясняется. Если бы Земля была плоской, горы не исчезали бы из виду, а лишь казались бы по мере удаления от них всё меньше. Их можно было бы видеть за сотни километров с такой же лёгкостью, как мы видим за сотни метров обыкновенные дома. В действительности же, когда гора скроется за горизонтом, её нельзя увидеть даже в самую сильную зрительную трубу.

Однако если подняться на башню или высокую береговую скалу, то скрывшийся за горизонтом корабль можно снова увидеть.

Взбираясь на вершины гор или высокие деревья, мы замечаем, что горизонт как бы расширяется.

Расширение горизонта — одно из доказательств выпуклости земной поверхности; если бы Земля была плоской, этого явления не наблюдалось бы.

Другим доказательством выпуклости земной поверхности служит появление над горизонтом новых звёзд при далёких переездах вдоль меридиана, т. е. в направлении на юг, а также изменение высоты Полярной звезды над горизонтом.

Приехав, например, из Москвы в Крым или на Кавказ, можно убедиться, что там Полярная звезда стоит ниже над горизонтом, чем в Москве, а в южной части неба видны звёзды, невидимые в Москве.

Такие наблюдения убедили людей, что земная поверхность везде — на суше и на море — выпуклая, а не плоская.

Видимое суточное движение Солнца и Луны привело людей к другому важному открытию.

Ошибочно считая, что Солнце действительно обходит в течение суток вокруг Земли, учёные древности сперва придумывали разные «коридоры» в Земле, по которым будто бы Солнце проходит ночью, а затем пришли к правильному выводу, что Земля совершенно изолирована в пространстве.

Так неверное представление о движении Солнца вокруг Земли натолкнуло на правильную мысль об изолированном положении её в пространстве.

Тогда учёные древности стали строить догадки о форме Земли. Может быть Земля похожа на выпуклый щит? Так думали некоторые древние народы, которые представляли себе Землю в виде щита, лежащего на трёх слонах, стоящих на черепахе.

Или, может быть, Земля имеет форму куба? Некоторые полагали, что она похожа на невысокий пень спиленного дерева, на плоской поверхности которого и живут люди.

Но вид тени Земли убедил греческих учёных, что Земля шарообразна.

Как можно увидеть тень Земли? Оказывается, это возможно в тех случаях, когда тень Земли падает на Луну. Бывает это во время полнолуния, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Освещаемая Солнцем, она отбрасывает в пространство тень, которая и может упасть на Луну. Тогда мы наблюдаем полное или частное лунное затмение (рис. 1).

Рис. 1. Схема показывает, как происходят лунные затмения.

Лунные затмения — явление довольно частое в природе. Многим приходилось видеть, как земная тень надвигается на светлый диск полной Луны. Край земной тени всегда круглый — такой же круглый, как, скажем, у тени, падающей от апельсина на стену. Ясно, что такую тень может отбрасывать только шарообразное тело.

Учёным, наблюдавшим лунное затмение, стало ясно, что Земля — шар. Однако люди долго не могли свыкнуться с этой мыслью. Не только в древности, но и в средние века большинство людей считало Землю плоской поверхностью, на которую опирается небесный свод.

Такой взгляд усиленно поддерживался церковниками.

Особенно упорно и непримиримо выступала против учения о шарообразности Земли католическая церковь. Наука о Земле объявлялась ересью, учёные подвергались всевозможным преследованиям, их книги запрещались и уничтожались.

Однако с течением времени научные данные о Земле получали всё большее подтверждение. Сама жизнь требовала изучения Земли. Развивалось торговое мореплавание. Испанские и португальские моряки открыли путь в Индию. Начались поиски нового, более короткого пути в эту страну. Возникла мысль плыть туда, не огибая материк Африки, а прямо на запад вокруг земного шара.

Первое кругосветное путешествие не удалось. Предпринявший его в конце XV века Христофор Колумб встретил американский материк, преградивший ему путь.

В начале XVI века в кругосветное путешествие отправился от берегов Испании другой мореплаватель — Фернандо Магеллан.

Плывя всё время на запад, он пересёк Атлантический океан, обогнул Южную Америку через пролив, названный впоследствии его именем, и вышел в Тихий океан.

После смерти Магеллана в 1521 году последний оставшийся от его эскадры корабль, продолжая путь на запад, пересёк Индийский океан и в 1522 году вышел к мысу Доброй Надежды на южной оконечности Африки.

Так, плывя в одном направлении, всё дальше на запад, и обогнув мыс Доброй Надежды, корабль вышел опять в Атлантический океан, то-есть совершил плавание вокруг земного шара.

После путешествия Магеллана стало очевидным, что Земля — шарообразное тело. Библейское представление о Земле, как «фундаменте» вселенной, было окончательно опровергнуто.

Правда, кругосветное путешествие ещё не доказывало, что Земля — шар. Ведь если бы она имела форму, подобную, скажем, огурцу, то также можно было бы объехать вокруг неё. Однако в том, что Земля по своей форме близка к шару, нас убеждает ещё одно наблюдение — круговая линия горизонта.

Если бы Земля не была по своей форме близка к шару, мы не могли бы наблюдать горизонт в виде правильного круга. Поэтому долгое время учёные и считали Землю совершенно правильным шаром, конечно, пренебрегая неровностями гор и впадин дна морей и океанов.

Шарообразность Земли позволяла сравнительно легко измерить и её величину.

С развитием торгового мореплавания, особенно после первого кругосветного путешествия, определение величины земного шара получило практическое значение. Чтобы пуститься в кругосветное плавание, нужно знать, сколько времени оно продолжится. От этого зависит, какое количество продовольствия и разных материалов необходимо взять с собой.

2. Величина земного шара

Всем известен школьный глобус. Это — модель Земли, на которой нанесены материки, моря, океаны, горные хребты, реки.

Определить длину окружности глобуса совсем нетрудно: стоит лишь обернуть его лентой, разделённой на сантиметры. Но обмерить Землю таким способом нельзя, нужно найти какой-то другой способ. Для этого обратимся опять к глобусу.

На глобусе нанесены линии — меридианы, проходящие через полюсы. Каждый меридиан разделён на 360 градусов. Если измерить длину градуса, то легко вычислить и длину всей окружности глобуса. Предположим, что часть меридиана на глобусе, равная 20 градусам, будет иметь длину 5 сантиметров, тогда один градус будет равен 1/₄ сантиметра, а вся окружность глобуса — 1/₄ · 360 = 90 сантиметрам. Таким образом, не обмеряя всей окружности глобуса, можно вычислить её длину.

Таким же путём можно вычислить и длину окружности земного шара.

Для этого нужно прежде всего найти способ наметить на поверхности Земли дугу меридиана в один или несколько градусов. А определив её длину, легко будет вычислить и окружность Земли.

Направление меридиана на земной поверхности наметить не трудно, наблюдая суточное движение Солнца.

Начиная с момента восхода, Солнце поднимается всё выше. Так продолжается до тех пор, пока оно не пересечёт воображаемую вертикальную плоскость, проходящую вдоль меридиана данного места.

Этот момент — полдень. Солнце находится в полдень на наибольшей высоте. Далее оно начнёт медленно спускаться к точке захода.

Наблюдая за движением Солнца по небу, можно определить направление на него в момент наибольшей высоты над горизонтом, то-есть направление меридиана.

Теперь представьте себе, что на одном и том же меридиане стоят два наблюдателя на расстоянии согни или более километров друг от друга.

Полдень для обоих наступит в один и тот же момент. Но высота Солнца над горизонтом или, другими словами, угол между солнечным лучом и плоскостью горизонта, будет различна: чем южнее стоит наблюдатель, тем она больше.

Например, пусть один наблюдатель находится в Ленинграде, а другой в Киеве. Эти города лежат почти точно на одном меридиане, дуга которого между ними равна примерно 10 градусам. Если оба наблюдателя измеряют в полдень одного и того же дня высоту Солнца над горизонтом, то окажется, что в Киеве оно будет приблизительно на 10 градусов выше.

В течение года высота Солнца, как известно, меняется. Но в какой бы день ни измерить высоту его в полдень в этих городах, разница будет одна — около 10 градусов.

Значит, разница высот полуденного Солнца в двух пунктах, лежащих на одном меридиане, равна числу градусов дуги меридиана между ними.

Этим и пользуются при определении размеров Земли.

В двух пунктах, лежащих на одном меридиане, измеряют в один и тот же день в полдень высоту Солнца. По разности его высоты находят, сколько градусов заключается в дуге меридиана между этими пунктами.

Теперь остаётся только измерить расстояние между ними в километрах. Но тут возникают большие затруднения.

Попробуйте точно измерить расстояние между двумя деревьями, находящимися даже в нескольких километрах одно от другого. Это очень трудно, так как между ними могут быть различные неровности почвы — холмы, долины, овраги. А длина дуги меридиана измеряется сотнями километров.

Как же выходят из этого затруднения учёные?

Первое определение размеров Земли было сделано ещё в древности греческим учёным Эратосфеном, жившим в III веке до нашей эры в египетском городе Александрии. Занимаясь астрономическими наблюдениями, он измерил летом, в 20-х числах июня, полуденную высоту Солнца.

Из рассказов водителей торговых караванов учёный знал, что в эти дни в более южном городе — Сиене — Солнце заглядывает в полдень на самое дно глубоких колодцев, то-есть стоит там прямо над головой, или, как говорят, в зените.

Разница в высоте Солнца в Александрии и Сиене оказалась немного больше 7 градусов. Значит, и отрезок меридиана между этими городами также заключает в себе приблизительно 7 градусов, что составляет около 1/₅₀ длины окружности (рис. 2).

Рис. 2. Солнечные лучи, освещающие дно колодца в Сиене, в Александрии составляют с вертикальной линией угол, равный 7 градусам 12 минутам.

Теперь нужно было только узнать, каково же расстояние между этими городами. Но измерить его Эратосфен не мог. Ему пришлось поверить на слово водителям караванов, что от Александрии до Сиены 5000 египетских стадий[1].

После этого было уже нетрудно подсчитать, что окружность Земли составляет около 5000 · 50 = 250 000 стадий, что приблизительно равно 37 500 километрам. Это измерение было довольно точным. Как мы увидим далее, окружность Земли равна почти 40 000 километров.

После Эратосфена измерение Земли производилось многими другими учёными. Так например, в IX веке два арабских учёных-астронома измерили длину одного градуса меридиана на плоской равнине в Месопотамии (в Малой Азии).

Выбрав пункт начала измерений, они определили высоту Полярной звезды. Затем один из них двинулся на юг, а другой на север.

Помощники учёных измеряли деревянными шестами пройденное расстояние, а сами учёные с наступлением ночи определяли высоту Полярной звезды.

Измерение высоты Полярной звезды астрономом, шедшим к северу, показывало, что эта звезда постепенно становилась выше над горизонтом. Шедший же к югу видел, что эта звезда, наоборот, снижается.

Когда высота Полярной звезды по измерению обоих астрономов изменилась на 1 градус, учёные остановились. Каждый из них прошёл длину дуги в 1 градус. Значит, оба вместе измерили дугу в 2 градуса.

Однако и такое определение длины земной окружности было неточным. Ведь дорога, по которой шли астрономы, не была совершенно гладкой.

Лишь в XVII веке был найден способ точного измерения дуг меридиана. Этот способ заключался в том, что вдоль дуги меридиана, по обе стороны от нее, выбирают ряд таких пунктов, чтобы из каждого было видно не менее двух других. Если мысленно соединить эти пункты линиями, то получится сеть треугольников, покрывающая дугу меридиана (рис. 3).

Рис. 3. Определив величину углов треугольников и длину базиса, можно вычислить все стороны воображаемых треугольников и длину дуги меридиана АЖ.