Глава третья. Как определяли форму и размеры Земли

Знаете ли вы, какая из общественных профессий, связанная с землей, была в древности одной из самых почетных и уважаемых? Пожалуй, не догадаетесь… Землемеры!

В нашей стране в допетровские времена тех, кто занимался описанием и изображением земель, называли писцами или описчиками, а то – дозорщиками. В середине XVI века был издан первый «писцовый наказ», который определял их обязанности. После Петра Первого правительственные агенты, занимавшиеся размежеванием и съемками земель, стали называться межевщиками или съемщиками. А те, кто получал специальное образование, звались топографами и геодезистами.

Предположим, нам с вами дали задание – подробно исследовать и описать поверхность какого‑нибудь физического тела. Грубо говоря, такую поверхность всегда можно представить в виде многогранника, ограниченного большим или меньшим количеством плоскостей. И метод работы может быть соответствующим: сначала обмерить все плоскости и углы, которые они составляют друг с другом, а затем приступить к подробному изучению каждой отдельной грани. И при этом считать, что все неровности состоят из различных сочетаний бесчисленных кривых поверхностей.

В этом примере определение общего вида тела и измерение его граней можно сравнить с общими измерениями всей Земли, чем и занимается наука геодезия. А изучение подробностей каждой отдельной грани – с тем, чем занимается топография.

Конечно, пока люди не узнали истинной формы и размеров всей планеты, пока не изобрели точных способов определения географических долгот и широт, им и думать было нечего о составлении действительно подробных и точных карт. Наверное, предложи мы сегодня самому лучшему топографу сориентироваться на местности по старинному плану, он беспомощно разведет руками.

Вот и получается, что прежде всего следовало узнать истинную форму и размеры Земли. Для нас с вами шарообразная форма нашей планеты так же естественна, как голубой цвет ясного неба. А ведь это совсем не столь очевидно.

Шар ли земной шар?

В 1671 году Парижская академия наук отправила одного из своих молодых членов, Жана Рише, в тропическую Кайенну для астрономических наблюдений. Молодой астроном взял с собой тщательно отрегулированные в Париже часы, маятник которых отмерял ровно одну секунду за каждое качание. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что в тропиках его часы стали отставать. Да еще как – на две минуты в сутки! Пришлось Рише укорачивать маятник. Ведь чем меньше его длина, тем быстрее ход. Однако когда экспедиция вернулась в Париж, непослушные часы «побежали». Они стали уходить вперед тоже на две минуты в сутки.

«А не значит ли это, – подумал Жан Рише, – что на разных широтах и величина силы тяжести не одинакова? Чем она меньше, тем часы должны идти медленнее. Чем сила тяжести больше, тем быстрее качается маятник. Ну а почему на экваторе сила тяжести может быть меньше, чем в более северных широтах? Не потому ли, что там расстояние до центра больше?.. Но тогда Земля вовсе не идеальный шар, а сплюснутый у полюсов».

С таким выводом молодого ученого никак не желали соглашаться его старшие коллеги, которые считали Землю у полюсов вытянутой или точным шаром. А тут еще вмешался Ньютон. Он тоже решил доказать, что Земля имеет сплюснутую форму. И это ему неплохо удалось, благодаря остроумному мысленному опыту.

В те времена французы ужасно не любили, когда англичане в чем‑нибудь их опережали. Правда, того же терпеть не могли и англичане. И между учеными двух стран разгорелся спор – вытянута Земля у полюсов или сплюснута? Вольтер очень остроумно писал по этому поводу: «Француз, побывавший в Лондоне, обнаруживает, что все совершенно изменилось в философии – точно так же, как и во всем другом. Во Франции он оставил мир заполненным эфирными вихрями, здесь – нашел его пустым. В Париже приливы и отливы морей производятся давлением Луны; в Англии, напротив, моря тяготеют к Луне. Поэтому в то время, как парижане требуют от Луны высокого стояния воды, обыватели Лондона ожидают отлива… У картезианцев (последователей французского философа Декарта) все производится давлением, чего никто из смертных не может взять в толк; у ньютонианцев, напротив, все обусловлено тяготением – что столь же непонятно. Наконец в Париже Землю изображают удлиненной у полюсов, точно дыня или яйцо; в Лондоне же, напротив, Земля уплощена, как тыква».

Поддержал точку зрения Ньютона на сплюснутость Земли и знаменитый голландский ученый Христиан Гюйгенс. Он велел насадить на палку мягкий шар из сырой глины и быстро вращать его вокруг своей оси. Через некоторое время шар уплощился с полюсов и принял форму эллипсоида вращения.

И все‑таки окончательно решить спор могли только новые экспедиции и новые измерения. Решили измерить длины дуг в 1 градус на севере и поближе к экватору. Если Земля сплюснута, результаты измерений должны отличаться… Позвольте, но как и в каких единицах измерять? О методе измерения договорились быстро – триангуляция. А вот о единицах измерений?.. Ведь в ту пору французы пользовались туазами, англичане – ядрами, русские – саженями, немцы – футами разной длины. Сравнивать между собой все эти единицы было чрезвычайно неудобно. Значит, следовало прежде ввести единую международную единицу длины. Вы видите, что в те времена стоило потянуть за кончик одной задачи, как нить ее решения сразу же ныряла в целый клубок проблем. Впрочем, пожалуй, такова судьба научных работ во все эпохи.

«Дон Франциск Араго»

Тысяча восемьсот восьмой год! Французские войска императора Наполеона Первого начали оккупацию Испании.

27 мая 1808 года в Пальму – главный город острова Майорки (ныне Мальорка) приехал ординарец Наполеона некто Бертемье. Он доставил приказ испанской эскадре немедленно двигаться в Тулон… Узнав об этом, жители Пальмы восстали. Они не желали отдавать свои корабли французам.

Губернатор едва успел запрятать Бертемье в замок Бельвер, превращенный в тюрьму, чтобы не допустить кровопролития. И тогда неудовлетворенная толпа вспомнила еще об одном французе, который поселился высоко над портом, в горах, и время от времени зажигал на скале яркий огонь.

– Он подает сигналы французской армии! – кричали распалившиеся горожане. – Он французский шпион! Убьем его!

Вооружась чем попало, люди бросились вверх по тропе, чтобы добраться до уединенного жилища и расправиться с его обитателем…

Давайте замешаемся незаметно в толпу и последуем за нею. Смотрите, кто‑то все время старается разными уловками задержать ее движение. А тем временем один из восставших, отделившись от товарищей, стремглав бросился вверх.

О‑о‑о! Какая крутая здесь тропа. Но конец дороги близок. Вон уже виден Клоп‑де‑Галазо, как называют этот район местные жители.

– Сеньор Араго! Сеньор Араго! – Это кричит человек, следом за которым мы поднялись на эту вершину. – Сеньор Араго!..

Из дома выбегает молодой человек. Это Доминик Франсуа Жан Араго – двадцатидвухлетний комиссар Парижского Бюро долгот, который уже давно производит здесь триангуляцию для измерения меридиана.

– Что тебе, мой добрый Дамиан? – Пока испанский моряк рассказывает о приближающейся опасности, глаза молодого Араго загораются весельем.

– Спасибо, Дамиан! Я век не забуду твоей услуги. Но сейчас мы их проведем и посмеемся.

С немалыми трудностями вместе со слугой перебрался он в шлюпку, чтобы водным путем добраться до Бельвера. Когда Араго спрыгнул в нее, по ноге у него текла кровь.

– Пустяки! – отмахнулся он. – Кто‑то из портовых бродяг хотел пошарить у меня за пазухой. И когда я отказался от этой чести, ткнул меня кинжалом в бедро. Ничто так не возбуждает труса, как сознание безнаказанности.

Прибавление

А что будет, если, рассматривая форму Земли, попробовать учесть еще и горные хребты, океанские впадины?.. Возьмите для примера вершину Гималаев Джомолунгму, ее высота 8848 метров над уровнем моря. Не мало! А глубина самой глубокой Марианской впадины в Тихом океане 11 034 метра от того же уровня. Перепад почти двадцать километров!

А сколько весь диаметр Земли, ну‑ка вспомните?.. Если пробурить ее насквозь через центр, получится туннель примерно 12 миллионов 742 тысячи метров длиной. Вот диаметр планеты. Вот с чем нужно сравнивать все размеры гор и впадин. По сравнению с такой величиной любой перепад неровностей – сущий пустяк! Можете сами убедиться в этом.

Представьте себе Землю размером в апельсин, диаметром 7 сантиметров. Представили? Тогда начинаем считать.

1. Определим, во сколько раз диаметр Земли больше высоты Джомолунгмы.

12 742 000: 8848 = 1440 раз.

2. Очевидно, что на «земле‑апельсине» самая высокая гора тоже должна быть в 1440 раз меньше диаметра «планетки». То есть высота «апельсиновой Джомолунгмы» будет: 7:1440 = 0,005 сантиметра, или пять сотых миллиметра! Даже не стоит брать линейку. Такую «высоту» не в каждое увеличительное стекло разглядишь. То же будет и с самой глубокой впадиной. Их общий перепад будет чуть побольше одной десятой доли миллиметра. Пустяк!

Выходит, что Земля будет казаться великану гладкой, как бильярдный шар! А человек и правда стал великаном. Сегодня самолетом мы проделываем за восемь часов тот путь, на который Колумб тратил два месяца. А искусственные спутники облетают Землю вообще за девяносто минут. С помощью спутников ученые очень точно обмерили Землю. Оказалось, что полярный радиус нашей планеты равен 6356,78 километра, а радиус экваториальный на 21,38 километра длиннее. Конечно, 21 километр для такого «шарика», как наш, – немного. Но вот длина экватора 40 075,16 километра уже на 134 километра и 334 метра больше меридиана.

Те, кто читал книжку «Как люди открывали свою Землю», помнят, наверное, сколько споров вызывал вопрос: чего на Земле больше, воды или суши? Сегодня мы на него можем ответить точно: океаны и моря занимают на земном шаре значительно больше места, чем континенты со всеми островами и островками. Суша проигрывает чуть ли не в два с половиной раза. Для любителей точности могу привести цифры. Поверхность морей и океанов – 361 миллион квадратных километров, или 70,8 процента от всей поверхности Земли. А вот континенты и вообще вся суша занимают только 149 миллионов квадратных километров.

Приведенные мною цифры в некоторых справочниках могут отличаться. Это не значит, что где‑то допущена ошибка. Причина заключается в методах измерения. Очень уж неровная форма у планеты. Да и уровень океана меняется год от года, а значит, меняется его акватория и площадь суши.

Матросы, которые успели полюбить молодого человека, дружно навалились на весла, и скоро перед ними встали стены замка…

– Мне не раз приходилось видеть людей, – заметил Араго, – опрометью бежавших из тюрьмы. Не являемся ли мы первыми, кто спешит прибегнуть к ее гостеприимству?..

Так он оказался под сводами Бельвера, где встретился еще с одним пленником‑французом. Это был бедняга Бертемье, злополучный посланник императора Наполеона. Когда он помогал перевязывать Араго, то заметил у того под рубашкой довольно толстую пачку исписанных листов бумаги.

– Что это? Уж не заключается ли причина вашей раны в том, что вы не пожелали расстаться с этими бумагами?

– Вы правы. Это дневники. В них все результаты работы, проделанной нами здесь. Я должен доставить их в Бюро долгот в Париж…

Медленно тянулись дни заключения. Чтобы развеять скуку, Бертемье расспрашивал Араго о сути его научных изысканий.

– Скажите, мсье Араго, какая нужда заставляет ученых вновь и вновь перемеривать злосчастный меридиан? Ведь его уже измеряли. В прошлом столетии были две экспедиции: одна – к экватору, другая – на север, в Лапландию. Так что меридиан измерен…

– Да, но в туазах…

– Ну и что, чем они вам не по нраву?

– Это основная французская мера длины, равная шести футам, или семидесяти двум дюймам, или восьмистам шестидесяти четырем линиям. В качестве его эталона узаконена была железная линейка, изготовленная механиком Ланглуа в тысяча семьсот тридцать пятом году. Копии этой линейки и брали с собой перуанская и лапландская экспедиции.

– Эти измерения, кажется, оказались не совсем правильны?

– Да, шведы нашли ошибки в расчетах северной экспедиции и предложили их исправить.

– В чем же было дело?

– А в том, что в Англии в это же время основной единицей длины считается ярд, равный трем футам, или тридцати шести дюймам. В России – сажень, разделенная на семь английских футов. А в Германии, раздробленной на многочисленные княжества, основа длины – фут вообще лихо меняется от границы к границе.

Такое же положение было и с другими единицами измерений. Это запутанное состояние побудило депутатов Национального собрания потребовать от короля создать смешанную франко‑английскую комиссию для выработки единой системы мер. В тысяча семьсот девяностом году Бонне предложил в основу мер длины положить одну десятимиллионную долю четверти земного меридиана – квадранта. Двадцать шестого марта тысяча семьсот девяносто первого года сие предложение было узаконено Национальным собранием и новая единица получила название «метр». Согласитесь, что для определения ее размера нужно абсолютно точно знать длину меридиана. Эти измерения и должны были проделать наши соотечественники, прекрасные астрономы Деламбер и Мешен.

– В чем же они измеряли дугу меридиана?

– В туазах. Они вели триангуляцию между Дюнкирхеном и Барцелоной. События революции тысяча семьсот девяносто второго года остановили работы. Деламбер уехал в Париж, а почтенный Мешен скончался от истощения сил. Национальный Конвент еще до окончания работ принял в тысяча семьсот девяносто третьем году временную величину метра в четыреста сорок три целых четыреста сорок три тысячных линии перуанского туаза. И для окончания этой работы была назначена большая комиссия. Через шесть лет она дала свои рекомендации и окончательная длина метра была установлена в четыреста сорок три целых двести девяносто шесть тысячных линии…

– Так что же?

– А то, что работы по измерению дуги четверти меридиана закончены не были. Их следовало довести до конца. Для этой цели сюда в Испанию отправились мы трое: Био, я и испанский комиссар Родригес – наш верный друг, не оставляющий в беде товарищей… Мы выехали из Парижа в начале тысяча восемьсот шестого года. По дороге посетили станции Мешена и исправили погрешности в его измерениях… Потом мы разделились. Био уехал в Париж за приборами, а я остался и вел триангуляцию в пограничных районах Каталонии, Валенсии и Арагона… Боже, как не любят друг друга жители этих трех королевств. И лишь общая ненависть к французам объединяет их.

Араго вздохнул. В душе он не одобрял императора. И когда слушал рассказы о том, как войска Мюрата, вступив в Мадрид, жестоко расправлялись с патриотами, сочувствовал восставшим. Но он был француз и любил свое отечество, ставя его интересы выше других.

– Что вы предпочитаете, – спросил Араго у Бертемье, – качаться на виселице или утонуть?.. По мне – вода предпочтительнее. Я предлагаю бежать из замка.

Комендант согласился выпустить «на прогулку» астронома и двухтрех французов с ним. Но дальше он умывал руки. Спасибо верным Родригесу и Дамиану – они взялись зафрахтовать рыбачью лодку и в назначенное время ждать на берегу.

Допотопный дракон. Со старинной гравюры.

Беглецы долго шли в темноте по петляющей тропе, пока не вышли на каменистую дорогу, ведущую к стоянке лодки. Ящики с приборами больно врезались в спины, но Араго и слушать не хотел о том, чтобы что‑нибудь бросить, оставить на произвол судьбы.

– Нет, нет, мсье. Эти приборы доверены мне, и я должен, понимаете, должен сохранить их…

Между тем показался берег и качающаяся на волнах барка с матросами на борту и добрым Дамианом возле причала. Продолжая играть роль слуг Араго, беглецы покорно погрузили ящики с приборами на палубу. Сами поднялись следом. И как только подул ветер с гор, матросы подняли парус, и Дамиан взял курс на Алжир.

Было еще много приключений, прежде чем Араго добрался до французского берега. «От Алжира до Марселя, – пишет он в своей автобиографии, – доезжают ныне в четыре дня, я ехал одиннадцать месяцев, правда, останавливаясь там и здесь поневоле… По окончании карантина я сперва отправился в Перпиньян, к моему семейству… а потом вскоре уехал в Париж, где представил комиссии долгот мои наблюдения, сохраненные мною среди опасностей и треволнений продолжительного странствования.

Через несколько дней по моему возвращению, 18 сентября 1809 года меня выбрали академиком, на место Лаланда. Всех избирателей было пятьдесят два, я получил сорок семь голосов… Тогда мне было двадцать три года».

Между прочим, если вы, мой читатель, человек внимательный, то наверняка заметили, что, рассказывая о градусных измерениях, я все время говорил об измерениях меридиана.

А почему не было рассказов об измерениях по параллелям?

Потому что они оказались гораздо более сложными. Лишь в XIX веке были предприняты по‑настоящему большие и серьезные работы в этом направлении. Ученые Англии, Бельгии, России и Германии построили пункты триангуляции по 52‑й параллели от Хаверфордвеста на британских островах и до русского города Орск на реке Урале.

Позже, ближе к середине XIX века, немецкий математик Карл Фридрих Гаусс заметил, что меридианы Земли вообще должны иметь неодинаковую длину. И сама наша планета, вследствие неравномерности распределения масс в ее недрах, скорее всего должна иметь фигуру, несколько отличающуюся от правильного сфероида. Правда, его соображения особенного внимания не привлекли.

Между тем градусные измерения все накапливались и накапливались. Особенно много их было сделано в России, а потом в СССР. В 1940 году форма Земли даже получила широко распространенное название «эллипсоида Красовского», по имени советского ученого, руководившего этими работами.

Однако фигуры вращения плохо подходили для точного описания Земли. И когда форма нашей планеты была окончательно уточнена с помощью искусственных спутников, все исследователи вернулись к специальному термину «геоид», предложенному еще в 1873 году английским ученым Листингом.

Слово это произошло от греческого названия земли – «ге» и греческого же слова «еидос» – вид. Если буквально перевести на русский язык, то получится, что фигура Земли – землеподобна. Как это понять?..

Геоид. В принципе это не просто фигура нашей планеты. Это фигура идеализированная, без учета гор, впадин. Такая, какой она была бы, будь на Земле всемирный потоп. И при этом на планету не должны действовать никакие космические возмущения, ни солнечное, ни лунное притяжения, чтобы никаких приливов, никаких отливов в океане не намечалось. Потому что только тогда затопившая Землю вода будет иметь поверхность всюду перпендикулярную направлению силы тяжести. А оно, оказывается, вовсе не обязательно всюду устремлено точно к центру. На что же такой геоид похож?

Когда электронные счетные машины по данным искусственных спутников обсчитали земную поверхность, оказалось, что она немножко напоминает грушу. Северный полюс чуть‑чуть приподнят, южный – вдавлен. Нашли вмятины в Азии и в Северной Америке, нашли бугры в Атлантическом и Тихом океанах.

Глава четвертая. Как люди изучали свойства своей планеты

Какие свойства могут быть у планеты? Пожалуй, прежде всего – сила тяжести. Действительно, не испытывай предметы на поверхности Земли ее притяжения – давно улетели бы в космос.

Можно характеризовать Землю плотностью, давлением в любой точке внутри планеты, упругостью, внутренним теплом и магнитным полем. Свойства не существуют в отдельности от вещей. Только в нереальном мире чудес, куда попала некогда девочка по имени Алиса, могла существовать улыбка кота… без самого кота. Знать свойства Земли людям совершенно необходимо.

Возьмем самое первое – силу тяжести. Могла бы развиваться наука, ну хотя бы механика, что по‑гречески означает искусство построения машин, если бы Галилей не заложил ее основы, не установил бы законы свободного падения тел? Если бы Ньютон не открыл основной закон классической механики, который вы с успехом изучаете в школе? Наконец, изучение распределения силы тяжести по поверхности планеты позволило ученым не только лучше представить себе строение земных недр, но и отыскивать полезные ископаемые.

Все науки и все исследования людей родились из жизненной необходимости общества. Конечно, немалую роль сыграла и природная любознательность рода человеческого, но главным стимулом была все‑таки необходимость. И уж, конечно, понять устройство своей планеты и ее историю людям никогда бы не удалось, не постигни они те самые свойства, которые объединяют Землю с другими планетами и отличают ее от них.

Вот о том, как люди изучали перечисленные свойства Земли, я и постараюсь рассказать вам в этой главе.

Что было бы, если бы…

Мы рождаемся и живем на Земле, считая, что все окружающее нас обыкновенно, вполне естественно и быть иным просто не может. А так ли это? Давайте предположим, что в самом начале своего образования первоначальная масса нашей планеты оказалась вдвое больше той, какая есть. Только и всего. Все же остальное было в соответствии. Давайте пофантазируем, что бы изменилось при этом в окружающем нас земном мире, если предположить тот же ход развития?

Прежде всего – изначальная масса вдвое больше, следовательно, и ускорение силы тяжести на поверхности в 1,38 раза больше нормального. Все стало тяжелее, все приобрело дополнительный вес.

Если при этом расстояние Луны от Земли считать прежним, то время оборота нашего спутника – лунный месяц станет не 27,3 суток, как сейчас, а укоротится до 19,4 суток. Изменится периодичность приливов и отливов в морях. Изменится толщина земной коры и размеры земного ядра. Иначе распределились бы осадочные породы, а следовательно, и места, которые занимают горы и низменности. Другим бы стал уровень радиоактивности в горных породах. А значит, изменились и потоки тепла из земных недр. Это в свою очередь повело бы к изменению толщины ледниковых щитов в полярных областях, к повышению или понижению уровня Мирового океана.

Раз потяжелеют камни, горы не смогут быть такими высокими. Их вершины опустятся, расплывутся как детские куличи из сухого песка. Волны океана не станут так высоко подниматься вверх, а их брызги не полетят так далеко. Кажется, пустяк, но это привело бы к уменьшению испарения воды и к большей сухости атмосферы.

Ну а уж животный и растительный мир изменится в этом случае вообще неузнаваемо. Короткие с толстыми стволами деревья тут же обзаведутся могучими корнями. У всех животных, населяющих сушу, на утяжелившихся костях ног нарастут более сильные мускулы. А представить себе, как летали бы птицы в плотном воздухе при большей тяжести, я и не берусь. Человек же в таком мире будет вовсе не похож на нас с вами: коротконогий, приземистый, весь из мускулов. И неизвестно, сумел бы он встать на две ноги или так и остался бы на четвереньках.

А что мы изменили? Всего‑то чуть‑чуть силу тяжести. На этом примере, мне кажется, особенно хорошо видна взаимосвязь всех оболочек нашей планеты, их нерасторжимое единство.

Но попробуем представить себе обратную картину. Земля имеет массу в два раза меньше, чем есть. Я предлагаю вам проделать этот фантастический экскурс самостоятельно. И только для начала подскажу: ускорение силы тяжести станет 0,73 от существующего. А дальше сами…

Примерно в XVII веке люди в полной мере осознали важность этого свойства – силы тяжести. Тогда и задумались, как же взвесить Землю, как узнать ее массу, чтобы потом подсчитать и силу тяжести на поверхности. Если бы плотность вещества не менялась с глубиной, задачку решить было бы несложно. Взвесил, предположим, один кубометр земли, а потом умножай полученный вес на объем. Размеры‑то земного шарика были уже известны. Но в том‑то и горе, что в глубине земные слои куда плотнее, чем на поверхности. Нужно было эту трудность как‑то обойти.