text:
Tom Jackson
Ponderables: Earth Sciences
Originally published in English. All rights reserved.
Печатается с разрешения издательств Worth Press Ltd и Shelter Harbor Press.
В оформлении книги использованы иллюстрации Shutterstock, Getty Images, Alamy, iStock и др.
© Worth Press Ltd, Bath, England, 2019
© Shelter Harbor Press Ltd, New York, USA, 2019
© Оформление. ООО "Издательство АСТ", 2020
Введение
Что может быть увлекательнее, чем изучение Земли? Она - наш единственный дом, полный таким многообразием невероятных чудес, что всего и не перечислишь. К тому же ученым, исследующим Землю, действительно есть из чего выбирать. Они могут погрузиться в темные глубины океана, наблюдать за стихийными атмосферными явлениями, такими как ураганы и смерчи, или искать твердые факты о камнях под нашими ногами.
Истории об идеях и творениях великих мыслителей всегда интересны, и в этой книге мы собрали сто таких историй. В каждой из них говорится о важных открытиях, которые стали революционными и изменили наши представления о планете, мировом океане и атмосфере. Изучая Землю, мы больше узнаем и о Вселенной в целом. Однако знание не дается нам в готовом виде. Чтобы обрести его, мы должны основательно потрудиться, по очереди проверяя разные гипотезы в поисках доказательств, подтверждающих или опровергающих наши догадки.
Карта Британии 1815 года необычна тем, что на ней изображены залежи горных пород, из которых состоит остров. Это был первый шаг к определению возраста Земли через понимание того, как формируются горные породы.
В 1755 году столица Португалии Лиссабон была разрушена землетрясением и цунами. Науки о земле зачастую имеют дело с невообразимо мощными разрушительными силами.
Науки о Земле были одними из первых в истории человечества. Древние мыслители, желая познать окружающий мир, прежде всего изучали то, что видели вокруг - океанские воды, небесные ветры, почву.
Их работы стали основой таких наук, как физика и химия, которые впоследствии позволили получить новые знания во всех областях, и в первую очередь в изучении Земли. При этом у каждого исследователя были свои научные интересы.
Карта Страбона I века н. э., на которой изображен известный людям на то время мир, простиралась от Индии на востоке до Португалии на Западе. Но ведь это была не вся Земля, не так ли?
Первые исследования проводились ради практического применения знаний: от Китая до Средиземноморья предсказатели начали делать свои прогнозы погоды. Рос также интерес и к горным наукам, ведь умение находить драгоценные металлы и камни - весьма полезный навык во все времена.
Тем временем математик Эратосфен вычислил размер Земли. Он был близок к истине, - и это несмотря на то, что он работал 2200 лет назад, а его единственным инструментом был столб, отбрасывающий длинную тень. Пару веков спустя географы Страбон и Пифей задались целью описать мир во всей его полноте и многообразии.
По мере получения новых знаний известный людям мир, поначалу маленький, постепенно расширялся. Мореплаватели рассказывали удивительные истории о дальних странах, а исследователи, такие как Лейф Эрикссон, Чжэн Хэ и Фернан Магеллан, рисковали здоровьем и жизнью, чтобы нанести их на карту.
К концу XVI века карта Земли была почти полностью составлена. Но многие вопросы пока оставались нерешенными: как сформировалась наша планета, из чего она состоит, меняется ли ее строение с течением времени? Вопросов было больше, чем ответов.
В 1802 году Люк Говард создал систему классификации облаков, которой мы пользуемся до сих пор. Перед нами изображение слоисто-кучевых облаков.
Вскоре науки о Земле разделились на несколько отдельных дисциплин. Метеорологи изучают атмосферные явления, прежде всего погоду, а климатологи смотрят на проблему шире: они анализируют, как меняются природные условия Земли за длительный период - из года в год, от века к веку, и почему время от времени все замерзает и наступает Ледниковый период. Океанографы погружаются в глубины океана, чтобы узнать, что происходит на дне. Геология разделилась на минералогию и петрологию, науки, изучающие встречающиеся в природе химические соединения, которые способны образовать горные породы.
В 1898 году члены экспедиции на корабле "Южный Крест" были первыми людьми, которые провели зимовку в Антарктиде.
Геодезисты занимаются измерением Земли - на самом деле она не такая круглая, как кажется на первый взгляд; геофизики пытаются понять, в результате каких процессов появились такие элементы рельефа земной поверхности, как горы, ледники, каньоны и глубокие океанские впадины. Две науки - сейсмология и палеонтология - внесли неоценимый вклад в решение этих глобальных вопросов. Сейсмологи буквально слушают планету - подобные звуковым сейсмические волны, вызывающие колебания земной коры, позволяют им построить детальную картину недр Земли. Палеонтологи ищут окаменелости и могут без труда определить возраст породы и сравнить ее с камнями из разных мест и эпох, что помогает составить более полное представление об истории Земли.
Марсоход "Розалин Франклин" станет первой буровой установкой на Марсе, в буквальном смысле распространяя земные науки за пределы Земли.
Все это опирается на простую идею, сформулированную в 1830 году основоположником современных наук о Земле Чарльзом Лайелем: "Настоящее - это ключ к прошлому". Если мы посмотрим на то, что происходит на Земле сейчас, мы поймем, что происходило с ней в прошлом. И что не менее важно, мы сможем с уверенностью предсказать, что нашу планету и всех живущих на ней ждет в будущем.
Строение Земли
Земля, самая большая из скалистых планет Солнечной системы, делает полный оборот вокруг Солнца за 365 дней и оборот вокруг своей оси с запада на восток каждые 24 часа. При том что полюса относительно неподвижны по отношению к оси, экваториальные зоны движутся со скоростью более 1600 км/ч.
За 4,5 млрд лет Земля в процессе своего формирования разделилась на слои: тяжелые металлы залегают на глубине, более легкие породы - ближе к поверхности. Температура повышается с глубиной, внутри ядра она достигает 4700 °C.
Экватор делит Землю на два полушария, Северное и Южное. Земная ось, проходящая от одного полюса к другому через центр планеты, отклонена от вертикали на 23,5°. Поэтому первые полгода Солнце больше освещает Северное полушарие, а вторые полгода - Южное. Северный тропик проходит там, где в Северном полушарии во время летнего солнцестояния Солнце в полдень поднимается в зенит. Южный тропик - там, где это происходит в Южном полушарии.
Из-за наклона земной оси происходит смена времен года. Лето приходит, когда Солнце находится над тропиком в вашем полушарии, зима наступает, когда Солнце над тропиком в другом полушарии. Осень и весна - переходные периоды между ними. Дни равноденствия - это два дня в году, один весной и один осенью, когда Солнце стоит прямо над экватором, а ночь и день во всем мире имеют одинаковую продолжительность.
Времена года
Если вы не земледелец, то вам, вероятно, будет трудно осознать всю важность погодных изменений. В древние времена земледельцами были все, и понимание цикличных изменений в природе стало краеугольным камнем формирования нашей цивилизации.
Интиуатана - это священный резной камень в городе инков Мачу-Пикчу (Перу), также известный как "место, к которому привязано Солнце". Его точное предназначение не установлено, но предполагается, что это некие часы или календарь для наблюдения за движением Солнца и других астрономических тел, чтобы определять благоприятные дни и подходящее время для значимых ритуалов, включая жертвоприношение детей.
В каждой культуре есть свои дни пиршества в честь мифологических или религиозных событий. Часто они посвящались личному или общественному совершенствованию, своего рода борьбе добра со злом.
Эти торжества олицетворяли борьбу света и тьмы. Празднества в честь зимнего солнцестояния отмечали переход от самого темного и холодного времени года к более длинным и теплым дням. Весенние праздники посвящались подготовке к посевному сезону, люди доедали последние запасы скоропортящихся продуктов и распределяли остальные ресурсы, чтобы дотянуть до нового урожая. Осенние же празднества, происходившие во время относительного изобилия, предвещали возвращение темного времени и помогали людям противостоять страху перед неизвестностью на пороге новой зимы.
Сельскохозяйственное планирование напрямую связано с календарным годом, определение которому было дано еще на заре цивилизации. Чтобы выращивать урожай земледельцы должны были учитывать изменения природных условий, которые были связаны со временем года, в первую очередь с продолжительностью дня и ночи. Даты проведения таких праздников, как Лори, Рождество и Ханука, совпадают с днем зимнего солнцестояния в Северном полушарии, когда день короче всего. Летние праздники проходят в июне в самый длинный день (день летнего солнцестояния). Пасха, Хэллоуин, Дивали - праздники равноденствия. Эти традиции отражают нашу неразрывную связь с планетой, что лежит в основе исследований, называемых науками о Земле.
В индийской мифологии бог Индра, владыка небес (изображен верхом на своем слоне Айравате), отвечает за погоду и часто использует гром и молнии, чтобы преподать смертным урок. В Упанишадах, одном из самых ранних религиозных текстов, созданном около 5000 лет назад, описывается природа Вселенной и пантеон богов; а кроме того, там содержатся первые метеорологические наблюдения с рассуждениями о том, как образуются облака и какие климатические сдвиги происходят в связи со сменой времен года.
Четыре элемента
Идея о том, что окружающий мир во всем многообразии предметов и явлений состоит из набора простых веществ, возникает интуитивно. В древних теориях она излагалась чрезвычайно просто.
Современные химики расскажут, что на Земле обнаружено 90 химических элементов естественного происхождения, хотя некоторые из них - в таком ничтожном количестве, что существуют скорее в теории. Еще 28 элементов созданы искусственно. Представлению об элементах как о веществах, которые нельзя разложить на составляющие, не менее 3500 лет. Древние культуры составляли списки, в которые входили земля, вода, воздух, металл, дерево и огонь. Однако в Западном научном мышлении вплоть до конца XVIII века доминировал список из четырех элементов, составленный греками. В V веке до н. э. греческий философ Эмпедокл изящно изложил эту мысль в своей поэме "О природе": "четыре есть корня Вселенной: Зевс лучезарный, и Аидоней, и животворящая Гера, также слезами текущая в смертных источниках Нестис". Зевс, верховный бог, олицетворяет огонь небес, его жена Гера - воздух и ветры, Аидоней (или Аид), бог подземного царства мертвых, представляет землю и в течение полугода держит в заточении Нестис (прим. сицилийское имя богини Персефоны) с ее водами, освобождая их по весне, чтобы в поля вернулась жизнь.
Эмпедокл жил во времена, когда так называемая западная философия только зарождалась, поэтому он находился под влиянием пришедших с Востока идей, таких как реинкарнация. Эмпедокл верил, что, накапливая знания, можно прервать круг перерождений, и чтобы доказать это, прыгнул в жерло Этны. Вулкан поглотил его, выплюнув одну сандалию.
Эмпедокл отталкивался от идей первого поколения греческих натурфилософов, возглавляемых Фалесом, предполагавших, что вода - это первичная сущность природных явлений и вещей. Ксенофан, современник Фалеса, обнаружил окаменелые останки морских ракушек и других представителей морской флоры и фауны на камнях далеко от моря и даже в горах. Его находки подтверждали теорию Фалеса. Это говорило о том, что поверхность Земли некогда была покрыта водой и сильно изменялась в далеком прошлом.
Морские окаменелости, найденные на материке вдали от побережья, свидетельствуют о том, что в прошлом Земля менялась. Изменяется ли она сейчас?
Катастрофы Платона
Платона, как философа, больше интересовало постижение границ реального и нереального, чем устройства Земли. Тем не менее в его трудах нашли запись об одном из величайших геологических событий древности.
В диалоге "Государство", посвященном устройству идеального общества, Платон упоминает исчезнувшую страну, где такое общество якобы существовало. Это была Атлантида - остров, на котором обитала развитая цивилизация. Платон рассказал, что из-за землетрясения Атлантида ушла под воды океана, который теперь мы называем Атлантическим. Хотя разрушительные силы Земли действительно грандиозны, Платон был не прав. Более поздние исследования позволяют предположить, что Атлантида - это на самом деле Акротири, город на острове Санторини в восточных водах Средиземного моря, который принадлежал крито-минойской культуре. Большая часть Санторини - а вместе с ним и Акротири - была уничтожена извержением вулкана в XVI веке до н. э., за 1250 лет до изложения событий Платоном.
Статуя Платона перед Афинской национальной академией в Греции.
"Метеорологика" Аристотеля
Если Платона больше занимали идеи, то его ученик Аристотель предпочитал познавать мир эмпирическим путем. Подход Аристотеля лег в основу метеорологии и нескольких других наук.
В 350 году до н. э. Аристотель, - ученик Платона и влиятельный мыслитель своего времени, а также по меньшей мере последующего тысячелетия - написал трактат "Метеорологика", больше известный как "Метеорология" Аристотеля. В результате существовавшего заблуждения слово "метеорология" в современном английском языке буквально означает "изучение метеоров". Под метеорами Аристотель подразумевал атмосферные явления - погоду, - однако в его дни к ним причислялись и падающие звезды. Сегодня мы знаем, что эти короткие вспышки света в ночном небе - астрономическое явление, вызванное попаданием частиц пыли (а иногда и более крупных объектов) из космоса в атмосферу. Вопреки ошибочно закрепившемуся названию, современные метеорологи не изучают метеоры.
Помимо погоды "Метеорология" затрагивает все науки о Земле: геологию, геодезию (науку о форме и размерах Земли), гидрологию - науку о водных пространствах и движении воды в природе.
Аристотель мог видеть как течение рек, так и хорошо заметные морские течения, но его наблюдения пока не позволяли сделать вывод о круговороте воды в природе.
Мы до сих пор говорим про погоду, особенно плохую, - "стихия разбушевалась", и Аристотель бы это одобрил. Метеорология стремилась к пониманию того, почему в природе постоянно происходят изменения. Согласно теории Аристотеля, причина кроется в борьбе четырех основных элементов между собой. Природные явления - это результат того, что каждый элемент стремится занять свой уровень. На нижнем уровне находится земля, о чем свидетельствуют суша и морское дно. Затем вода, покрывающая скалистую поверхность, потом - воздух, из которого состоит небо, и наконец кольцо огня, образовавшее границу между небесами и Землей по эту сторону Луны.
Аристотель утверждал, что такие природные явления, как молния, происходят, когда элементы отделяются друг от друга, переходя в чистое состояние.
Наследие Аристотеля не знает себе равных. Он не только заложил основы большинства естественных наук, но также был наставником Александра Македонского, одного из величайших полководцев, создателя великой империи. Говорят, что в 332 году до н. э. Александр, воспользовавшись заметками учителя о том, как ныряльщики за губками продлевают время своего нахождения под водой, послал диверсантов внутри водолазного колокола, чтобы разрушить морскую оборону города Тира (современный Ливан). Говорят, что Александр и сам совершил разведывательное погружение (см. рисунок), которое некоторые считают первой океанографической экспедицией (но слухи о том, что он использовал стеклянный колокол, совершенно необоснованны).
Представление Аристотеля о многослойности нашего мира опирается на знание о сферической форме планеты. Греки считали сферу наиболее гармоничной формой из-за очевидной геометрической простоты. Однако Аристотель нашел доказательства того, что наша планета шарообразна: когда корабль уходит за горизонт, сначала скрывается его корпус, а в последнюю очередь - мачта. Это происходит из-за того, что поверхность Земли закругляется. И что особенно показательно, во время лунного затмения тень Земли на Луне всегда круглая. Ни одна другая форма, кроме сферы, не может отбрасывать такую тень.
Эта идея выглядела крайне убедительно, потому что подтверждалась самыми примитивными наблюдениями. Например, когда шел дождь, вода отделялась от воздуха и падала вниз. Вспышки молний и хвосты метеоров - это огонь, который высвобождался из воздуха. Дерево горело, потому что представляло собой смесь земли, огня и воздуха. Огонь отделялся в виде языков пламени, воздух в виде дыма, а пепел был земной составляющей. В конце концов, говорил Аристотель, все четыре элемента полностью разделятся, и с их переходом в идеально чистое состояние наступит конец всего сущего. Философы спорили о том, уравновешивается ли разделение элементов смешиванием, в то время как ученые видели в этой теории много неувязок. Если горение - это высвобождение вещества, почему некоторые материалы становятся тяжелее? Истинное наследие Аристотеля в том, что наука доказала его неправоту.
Путешествие Пифея
В нашем маленьком мире, где все давно открыто, путешественникам часто приходится придумывать себе цель, которой нужно достичь. Вот и их предшественник Пифей сделал нечто подобное 2350 лет назад, когда отправился на поиски полюса холода. Он нашел его на скованном льдом острове, которому дал название Туле.
Считалось, что четыре классических элемента - это нечто большее, чем набор физических свойств. В различных культурах им приписывали эмоциональные и магические качества. Когда речь шла о погоде и других естественных процессах, жара и холод имели решающее значение. Главным источником тепла, очевидно, служило Солнце, и согласно философии гармонии греки полагали, что холод возникал в противоположном месте - в центре Земли.
На этой фреске, найденной на развалинах Помпеи, римского города, уничтоженного вулканом в 79 году н. э., изображен земной шар с венчающей Северный полюс горой, которая, вероятно, изображала источник холода, а позднее стала считаться магнитной горой.
В 325 году до н. э. древнегреческий путешественник Пифей родом из средиземноморской колонии Массалия (современный Марсель) отправился искать место, где холод поднимается на поверхность. Северный ветер подсказал ему путь. Сперва он достиг берегов земли, которую называл Bretannike - так впервые появилось слово, позже ставшее "Британией". Этимологи предполагают, что это слово пришло из валлийского языка, наиболее близкого к языку древней Британии, и означало "земля татуированных людей" (что и по сей день считается точным описанием). Пифей не открыл Британию - к тому времени с ней уже были налажены прочные торговые связи, но он добавил ее на карту Северо-Западной Европы, продолжив плавание на север от Шотландии. Он оказался у острова Туле, где море покрыто льдом и Солнце никогда не садится - что бывает только за Полярным кругом. Ученые гадают, где же все-таки он побывал, но скорее всего, его корабль отклонился к востоку и пристал к северным берегам Норвегии.
Остров Туле все еще отмечен на этом фрагменте карты мира XVI века, первая версия которой была составлена еще во II веке н. э. Согласно этой карте, Туле находится на северо-западе от Оркнейского архипелага, группы островов севернее основной территории Британии.
О камнях
Преемником Аристотеля стал его ученик Теофраст, который возглавил школу перипатетиков после смерти учителя. На его счастье, для исследования оставалось еще немало научных областей.
Как и Аристотель, Теофраст из Эреса обучался в Академии - классе под открытым небом в огороженной оливковой роще на окраине Афин, где в свое время преподавал Платон. Отсюда произошел термин "академия". В зрелом возрасте Аристотель расстался с дряхлеющим Платоном и основал свою школу, ученики которой прогуливались возле Ликея - храма, посвященного богу Аполлону в его волчьем облике. Поэтому школа Аристотеля стала известна как Лицей. Отсюда происходит корень французского слова lycée, что означает "высшая школа". Студенты Лицея, к которым присоединился Теофраст, стали известны как представители философской школы перипатетиков (от греч. περιπατέω, "ходить кругом, прохаживаться").
Теофраст пришел на смену Аристотелю в 332 году до н. э. Он не только создавал литературные и поэтические произведения, но основал ботанику, науку о растениях. Позже в книге "О камнях" он первым попытался составить классификацию камней, минералов и самых важных среди них драгоценных камней. Это была нелегкая задача. Сегодня описаны около 3000 минералов и 300 горных пород, состоящих из этих минералов в разных пропорциях. Поскольку Теофраст был ограничен представлением, что все эти материалы образованы из земли с примесью железа, воды и воздуха, он не проводил четкого различия между камнями и минералами.
Древние греки не меньше других народов любили украшения. Здесь мы видим золотую брошь в виде морского конька с глазом из полированного сердолика. Этот камень - красный вид кварца, который часто принимали за рубин. В своей книге Теофраст пишет, что золото произошло из воды, потому что и золото, и вода обладают текучестью.
Большая часть книги посвящена тому, где можно найти тот или иной камень. Особое внимание Теофраст уделял "камням притяжения" (или магнитам) и драгоценным камням, которые больше всего интересовали читателей. Теофраст создал список отличительных характеристик для описания минералов, который современные ученые используют вместе с классификациями, разработанными позднее. Среди этих характеристик были твердость, цвет, текстура (или гладкость). Он также отметил температуру плавления, удельный вес и влияние влажного и сухого воздуха на кристаллы.
Теофраст был автором одной из первых книг о предсказании погоды, которая называлась "О приметах погоды". Книга была опубликована на несколько лет позже, чем "Метеорология" Аристотеля, и в ней Теофраст, пытаясь предсказывать погодные изменения, пользовался методами своего учителя, - что было весьма удобно, так как он и его собратья-философы много времени проводили на свежем воздухе. Среди примет, описанных Теофрастом, были ореолы вокруг Солнца, а также высота и густота облаков, которые вкупе с направлением ветра и температурой воздуха могли предвещать скорое изменение погоды. Система Теофраста, как и труды его учителя, строилась в основном на догадках.
Окружность земного шара
К III веку до н. э. споры насчет формы Земли поутихли. Уже тогда, задолго до космических полетов, было понятно, что это сфера. Теперь всех больше интересовало, какого она размера. В конце того же века философ Эратосфен придумал, как найти ответ на этот вопрос.
Измерив угол падения солнечных лучей, Эратосфен построил треугольник, соединяющий города Александрию и Сиену с центром Земли. Угловое расстояние ß между двумя городами совпадало с углом падения солнечных лучей в Александрии, это помогло определить, о какой части общей окружности шла речь. Следующим шагом было определение точного расстояния от Александрии до Сиены.
Эратосфен, глава Александрийской библиотеки (лучшего места обучения своего времени), имел доступ ко всем знаниям мира, потому что каждый въезжающий в город купец был обязан передать все свои тексты в библиотеку (а сам - обходиться копией). Однажды Эратосфен услышал рассказ о колодце неподалеку от Сиены (ныне город Асуан в Египте) - города на берегу реки Нил к югу от Александрии. В день летнего солнцестояния Солнце находилось над колодцем, а стены не отбрасывали теней. Эратосфен знал, что в этот же день в Александрии тени у предметов были. Он понял, что солнечные лучи падают на города под разным углом, что позволило ему вычислить, какую долю окружности Земли составляет расстояние от Александрии до Сиены.
Эратосфен установил в Александрии столб, чтобы в назначенный день измерить угол между ним и лучами солнца. Величина угла была около 7°, что составляет приблизительно 1/50 часть окружности. Затем он спросил у купцов, водивших караваны в Сиену, сколько времени занимал их путь. Так Эратосфен вычислил, что расстояние между городами равно 5000 стадий (один стадий равен длине арены стадиона - около 200 м), а значит окружность Земли равна 250 000 стадиям. Если переводить в современные единицы измерения, он получил окружность длиной 39 690 км, что близко к истине. Сегодняшнее значение длины окружности земного шара по меридиану составляет 40 008 км.
Хоть Эратосфену и удалось вычислить размеры Земли, его геологическая теория была довольно ограниченной. Нахождение ископаемых моллюсков на суше объяснялось тем, что когда-то уровень Средиземного моря был значительно выше и резко понизился, когда открылись два новых пролива: Гибралтарский, ведущий в Атлантику, и Босфор (на иллюстрации), который соединяется с Черным морем.
"География" Страбона
Ученые обычно смотрят на географию скептически: по их словам, этой науке не хватает точности, присущей физике и химии. Страбон, основатель географии, думал так же и потому хотел, чтобы география тоже стала точной наукой.
Современник Страбона, проживавший на западной окраине античного мира (в современной Испании), географ Помпоний Мела разделил мир на пять климатических зон, две из которых непригодны для людей, поскольку в одной было слишком холодно, а в другой - чересчур жарко. Мела также утверждал, что к югу от пустыни есть области с более умеренным климатом, населенные южными народами, с которыми обитатели севера еще не были знакомы.
Страбон был понтийским греком, а значит, жил на территории современной Турции. Его вдохновляли труды Эратосфена и других изучавших Землю ученых, которые с помощью математики и тщательных наблюдений добывали новые знания о планете. Страбон был сторонником другого подхода. В 7 году до н. э. он опубликовал первый из семнадцати томов, которые составили его "Географию". Последняя книга вышла в 23 году н. э. Страбон ставил перед собой цель написать книгу для путешественников, послов и правителей, в которой излагались бы не только природные особенности территорий, но и факты о населявших их народах и различиях между культурами.
Большую часть его работы составляли сведения о Средиземноморье и Северной Африке, полученные от путешественников. Он опрашивал купцов, собирая информацию об Индии, которая в то время была крайней восточной точкой известного людям мира. Карта не сильно отличалась от тех, которыми за 200 лет до этого пользовались Эратосфен и другие. В центре карты была изображена родина Страбона (в то время она называлась Малой Азией), а весь мир представлял собой единый массив суши, окруженный океаном.
На карте мира Страбона, воссозданной в XIX веке в Германии, вся суша разделена на три континента: Европу, Азию и Ливию (так греки называли Африку). Такое разделение (между Европой и Азией довольно условное) сохраняется по сей день.
Конец света
Школа перипатетиков Аристотеля оказывала большое влияние на науки о Земле на протяжении нескольких веков. Однако идеи главного соперничающего с ним философского течения - стоицизма - также влияли на то, как в дальнейшем исследователи интерпретировали результаты своих наблюдений.
Мифы о потопах, которые смывали с лица Земли целые цивилизации, для стоиков были доказательством того, что мир периодически разрушается и создается заново.
Если перипатетики прогуливались возле Ликея, то стоики беседовали в тени стои или колоннады, откуда и пошло их название. Аристотель считал, что природные явления, будь то погодные катаклизмы, землетрясения или извержения вулканов, - это часть процесса, в конечном итоге ведущего к состоянию абсолютной гармонии. Таким образом, стихийные бедствия всегда уравновешиваются обновлением природы. Стоики считали иначе. Они рассуждали так: Земля будет разрушена в результате катастрофы, которая уничтожит свидетельства о прошлом планеты, - и тогда появится новая ее версия.
Естественная история
В 77 году н. э. Плиний Старший, римский историк, мореплаватель и литератор, опубликовал энциклопедию "Естественная история" (Naturalis historia), куда включил все известные на тот момент научные сведения о Земле.
Колоссальная работа Плиния состояла из 37 книг, посвященных астрономии, математике, биологии и даже скульптуре и живописи, а также наукам о Земле: географии, минералогии и горному делу. Плиний не сам добывал все эти знания, его целью было собрать труды других в одном месте, всегда с указанием авторов. Он дополнил сведения о минералах и горном деле с помощью работ предшественников ("О камнях" Теофраста и "Географии" Страбона). Однако наука о Земле, за которую и запомнили Плиния, в его труд не вошла.
Через два года после издания энциклопедии Плиний отправился в плавание, чтобы спасти друзей, живших рядом с Везувием - вулканом на юго-западном побережье Италии. Плиний высадился на берег недалеко от извергающегося вулкана и, отравившись ядовитыми испарениями, погиб.
Лучшее из дошедших до нас описаний извержения Везувия сделал не Плиний Старший, а его племянник - Плиний Младший, который отказался участвовать в безрассудной экспедиции своего дяди.
Откуда берется дождь
Согласно конфуцианскому учению, дождь был даром небес - что понималось буквально. Так было, пока Ван Чун, философ династии Хань, не сформулировал первую верную теорию о круговороте воды.
Важнейшей работой Ван Чуна была книга "Лунь хэн" (или "Критические рассуждения"), вышедшая в 80 году н. э. В книге содержатся размышления на широкий круг тем - от естественных наук до литературы и мифологии. Ван Чун не разделял традиционных представлений о метеорологических явлениях, признавая, что капли дождя падают сверху, но не оттуда, где находятся звезды.
Согласно китайской легенде, дожди приносит лун, летающий дракон. Миф о четырех морях рассказывает о том, как китайский народ однажды страдал от великой засухи. Царь драконов, который управляет погодой, сжалился над людьми и послал четырех лунов с обильными ливнями. Так образовались четыре могучих реки: Жемчужная, Желтая, Черная и Длинная река (больше известна как Янцзы), которые и по сей день орошают фермерские хозяйства Китая.
В китайских легендах царь драконов повелевает каждым из четырех "морей": озером Байкал - на севере; Желтым морем - на востоке; Южно-Китайским морем - на юге; а на западе - озером Кукунор в центральной части Китая.
Ван Чун сожалел о том, что из-за буквальной трактовки конфуцианского учения попытки предсказывать погоду по большей части основывались на движении небесных тел, таких как Луна, в то время как правда была очевидна. Когда путники поднимались в горные храмы по склонам, окутанным облаками, их одежда становилась мокрой, как во время дождя.
Ван Чун объяснял это тем, что дождь и облака - это по сути своей одно и то же. Облака находятся в небе, поэтому капли дождя падают вниз, однако не с самых небес. Влагу облакам дает "пар лесов", писал он, подразумевая, что вода испаряется с поверхности и, поднимаясь, образует облака. Ван Чун связывал этот процесс с энергией ци и создал первоначальное описание круговорота воды на Земле.
Храм на горе Эмэйшань, одной из четырех священных гор китайских буддистов, расположен выше облаков - а значит, там не бывает дождя.
Карты мира
Клавдий Птолемей был плодовитым автором научных публикаций во II веке н. э., а его работы веками влияли на мировую научную мысль. "География" Птолемея содержала подробные карты известного на тот момент мира и служила первым географическим атласом.
Птолемей был греком по происхождению, но гражданином Римской империи, и жил в Египте, который в те времена был богатой римской провинцией. Его работы, в особенности "География" и "Альмагест" (книга об астрономии), имели большое влияние. Они стали связующим звеном между древнегреческой классической философией и золотым веком ислама, когда, приблизительно в XII веке, центр мировой научной мысли переместился из Александрийской библиотеки в Дом мудрости в Багдаде. Здесь идеи, сформулированные в работах Птолемея, получили развитие и затем, на заре эпохи Возрождения, распространились по Европе.
Оригинальное издание "Географии" вышло приблизительно в 80 году н. э., но было утеряно. Все, что известно об этой книге, дошло до нас в виде копий и переводов с многочисленными искажениями. Ученые собрали 65 карт, которые в то или иное время входили в книгу. Большинство из них - это карты небольших областей, на которых изображены реки, горы и крупные поселения. Птолемей создал их, копируя и объединяя карты предшественников и добавляя новые детали, найденные в других источниках.
"География" Птолемея. Украшенный орнаментом титульный лист латинского перевода XV века.
Близкие к Средиземному морю земли были изображены более подробно, нежели отдаленные страны, такие как Британия, Ирландия и Шри-Ланка, сведения о которых собирали по рассказам немногих отважных путешественников.
Карту мира Птолемея отличает новый подход к проекции, который помог ему изобразить сферическую трехмерную Землю на плоскости. Математики быстро доказали, что невозможно отобразить большие участки земной поверхности без каких-либо искажений. Вопрос был в том, где искажать. В проекции Меркатора XVI века экваториальные области сплющены, а северные - включая Европу и Северную Америку - растянуты. Эта карта до сих пор широко используется, создавая ложное представление об истинном размере стран в этих регионах.
На карте мира Птолемея все исследованные земли были спроецированы на четверть окружности земного шара. Птолемей знал размер планеты и приблизительные расстояния до других континентов, и потому догадывался, что три четверти мира еще предстоит открыть. Первые атласы мира, охватывающие весь земной шар, были опубликованы в 1570 году.
Несмотря на сильное искажение у полюсов, проекция "броненосца" дает нам верное представление о размерах населенных земель.
Единая карта мира была обновленной версией карты Эратосфена и Страбона. Птолемей не сам нарисовал ее - ее создание приписывают картографу Агатодемону Александрийскому. В отличие от более ранних карт, мир на ней не был со всех сторон окружен водой. За восточным побережьем Африки лежала terra incognita (неизвестная земля), окружавшая Индийский океан. Восточная граница мира расширилась и простиралась теперь до полуострова Малакка и Сиамского залива.
На птолемеевой карте впервые появились линии широты и долготы для точного определения местоположения. Линии долготы охватывали 180 градусов земного шара, поэтому мы видим северо-восточную четверть планеты. Начальный меридиан с нулевой долготой проходил через мифические Блаженные острова недалеко от побережья Африки (вероятно, Канарские). Линии широты, опоясывающие земной шар с востока на запад, рисовали к северу от экватора, который был сдвинут слишком далеко на север. Расчеты были неточными: изображенные на карте земли занимают лишь около 2/3 Северного полушария.
Старейший дошедший до нас "образ", или карта мира (imago mundi) - это глиняная табличка из Вавилона, датируемая VI веком до н. э. Путешественнику от нее было бы мало пользы. На ней мы видим Евфрат, на берегах которого находится Вавилон и соседние государства. Вся изображенная на карте область окружена кольцом "соленой воды", то есть океаном.
Приливы и отливы
Ежедневные колебания уровня моря играют важную роль в жизни моряков и людей, живущих на побережье. На то, чтобы разобраться, чем вызвано это явление, ушло не одно столетие.
Беда Достопочтенный был самым видным английским историком в Средневековье.
Вода прибывает и убывает два раза в день - это называется приливами и отливами, и каждые две недели высота волн колеблется от самого высокого уровня (сизигийный прилив) до самого низкого (квадратурный прилив). Это явление связывали с движением и фазами Луны еще в древние времена, а в 725 году английский монах Беда Достопочтенный первым сделал полное описание этих циклов в своей работе "Об исчислении времени". Он отмечал, что прилив происходит каждый день на 4/5 часа позже, чем накануне, как восход и заход Луны. В течение 59 дней Луна поднимается и садится 57 раз, а количество приливов равно 114 (два раза по 57). Он заметил и то, что на высоту приливов также влияют сила и направление ветра.
Беда Достопочтенный жил в королевстве Нортумбрия (северо-восточная часть современной Англии), правители которого на протяжении большей части его истории жили в замке Бамборо, стоящем на страже приливной зоны Северного побережья.
Беда жил и работал в Средневековье - период после распада Римской империи в V веке, сведения о котором весьма скудны. Беда - один из немногих ученых того времени, чьи труды сохранились. До эпохи Возрождения (и подъема науки в Европе), начавшейся в XIV веке, центром мировой научной мысли был Исламский мир. Пока арабские и персидские ученые продолжали изучать связь между приливами и Луной, Аль-Кинди, один из самых влиятельных мыслителей IX века, предложил новую теорию. Он предположил, что ежедневные приливы происходят из-за того, что нагретая Солнцем вода расширяется, а с заходом Солнца остывает и сжимается, из-за чего ее уровень падает. Точно так же Аль-Кинди объяснял и происхождение ветра: горячий воздух расширяется и устремляется в более холодные области.
Гравитация Луны вызывает на Земле подъем воды на несколько метров выше уровня моря, который следует за обращением Луны. Соответствующий подъем воды образуется и на противоположной стороне планеты. Аналогичным образом на высоту воды влияет и гравитация Солнца. Когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления, вода поднимается на наибольшую высоту, такой прилив называют сизигийным. Когда приливообразующие силы Луны и Солнца перпендикулярны друг другу (такое положение называется квадратурой), вода поднимается на наименьшую высоту, это называется квадратурным приливом.
В 1608 году фламандский математик Симон Стевин опроверг представление о том, что приливы - это погодное явление, и вместо этого предположил, что воду притягивает на берег Луна. Год спустя его предположение было подкреплено открытием законов движения планет Солнечной системы, которое совершил Иоганн Кеплер. По его мнению, Луна - это своего рода магнит. В 1687 году закон всемирного тяготения Исаака Ньютона стал объяснением для многих явлений, в том числе приливов и отливов, а к 1770-м годам Пьер-Симон Лаплас разработал уравнения для расчета времени приливов на конкретном участке побережья, однако вычисления эти были чрезвычайно трудными. Прошел еще век, прежде чем лорд Кельвин создал аналоговый компьютер для предсказания приливов и отливов, которым пользовались вплоть до 1970-х годов.
Фламандский математик заинтересовался природой приливов отчасти во время работы над изобретением "сухопутной яхты" - повозки с парусом, движимой силой ветра. Однако самая большая его заслуга в том, что он ввел использование десятичных дробей в Европе, и числа меньше единицы стали записывать в виде десятых долей, сотых и т. д.
Открытие Америки
В 1492 году Колумб пересек океан, но об этом мы поговорим чуть позже. За пять веков до него мрачные воды Северной Атлантики исследовали викинги, которые обосновались в Северной Америке на несколько десятилетий. История могла сложиться совершенно иначе.
Предки коренных американцев пришли из Азии более 14 000 лет назад. Это произошло во время Ледникового периода, когда уровень моря был существенно ниже из-за огромных ледников, покрывавших сушу. На месте современного Берингова пролива был перешеек, соединявший Сибирь с Аляской, - сейчас эту область называют Берингией. Около 11 000 лет назад из-за повышения уровня моря Берингия скрылась под водой, и с тех пор попасть на американский континент было под силу лишь самым опытным мореплавателям.
Викинги под предводительством Лейфа Эрикссона двинулись на запад от Гренландии и обнаружили берег современной Канады.
Прошло еще 10 000 лет, прежде чем отважным путешественникам удалось это сделать. На этот раз они высадились на восточном побережье Северной Америки в 1002 году. Это были норвежцы, часто называемые викингами, чьи предки были родом из Скандинавии, но сами они принадлежали к общине, перебравшейся в 870-е годы в Исландию, а чуть позже в Гренландию.
Норвежские ладьи были прочными судами, обшитыми внакрой (когда доски перекрывают друг друга) и способными противостоять неспокойному морю. Они приводились в движение парусом или веслами, а управление осуществлялось при помощи рулевого весла, установленного на правом борту. Нос и корма почти не различались, корабли были построены так, чтобы одинаково легко двигаться в обоих направлениях, что было особенно удобно при прохождении рек и узких заливов. По легенде исландские норвежцы использовали некие прозрачные кристаллы в качестве "компаса викингов". Этот камень - возможно, чистая форма кальцита - преломлял проходящий через него свет так, что можно было определить местоположение Солнца, даже когда оно было скрыто за облаками. Таким образом, викинги всегда могли скорректировать курс корабля.
Гренландские викинги основали небольшую деревню на острове Ньюфаундленд, но покинули свой новый дом всего лишь через одно поколение.
Несмотря на то, что викинги были опытными мореплавателями, способными совершать длительные плавания, открытие Северной Америки не входило в их планы. Гренландец Лейф Эрикссон, возвращаясь из Норвегии, сбился с курса и обнаружил неизведанную землю, где росли дикая пшеница и виноград. Он дал ей название Винланд ("плодородная земля") и вскоре вернулся со снаряженным отрядом викингов, чтобы продолжить ее исследование. Они обнаружили замерзшую тундру (вероятно, Баффинову Землю) и дремучие леса (полуостров Лабрадор), а после вернулись в Винланд и основали поселение. В 1960-е годы археологи обнаружили следы первых европейских поселенцев близ местечка Л'Анс-о-Медоуз на северной оконечности острова Ньюфаундленд. Деревня викингов, Лейфсбудир, долго не просуществовала из-за стычек с аборигенами, которых в норвежских летописях называли скрелингами, что значит "люди, одетые в шкуры".
Персидский географ Аль Бируни догадался о существовании Америки в 1037 году, не подозревая, что викинги уже высадились на ее берегах. Высчитав размер Земли, он обнаружил, что известная часть суши сосредоточена на одной стороне земного шара. Он предположил, что для равновесия на другой стороне земного шара тоже должны быть какие-нибудь земли.
Как можно догадаться по его имени, Лейф Эрикссон был сыном Эрика - викинга Эрика Рыжего, путешественника, которого считают первым европейцем, обосновавшимся в Гренландии. Исландские саги повествуют о том, что Гренландию находили и до Эрика, но именно ему удалось основать там поселение в 985 году. Он назвал ее "Зеленой землей" (Greenland), чтобы привлечь колонистов, хотя в те времена на острове действительно было не так холодно, как сейчас. Примерно 2500 норвежцев жили на юго-западном побережье Гренландии в течение пяти веков, но были вынуждены покинуть свои дома в конце XV века, когда климат начал становиться холоднее.
Магматические породы
Персидский ученый Авиценна известен как врач и философ. Тем не менее в "Книге исцеления" он размышляет и о науках о Земле, а также о появлении новых горных пород.
"Книга исцеления" была опубликована в 1027 году. Несмотря на название, в ней содержится мало сведений о медицинских процедурах. Авиценна (настоящее имя Ибн Сина) предположил, что камни формировались при контакте с жидкостью. Это объясняет образование окаменелостей из некогда существовавших форм жизни. Также Авиценна задавался вопросом происхождения гор: появились ли они внезапно в результате землетрясений или формировались постепенно в течение долгого времени. В Европе в ту эпоху такие размышления считались ересью.
Согласно теории Авиценны, лава содержит образующую камни жидкость, которая называется succus lapidificatus.
Как появилась суша
Китайский ученый Шэнь Ко был далеко не первым, кого интересовало, как окаменелости морских раковин оказались в горах. В 1070 году, сопоставив факты, он предложил гипотезу о том, как образовалась суша.
Морские ископаемые в горах - очевидное доказательство того, что раньше на этом месте было морское дно. Шэнь Ко предположил, что слои ила, накапливаясь в течение долгого времени на дне, вырастали над поверхностью воды и становились сушей. Ископаемые остатки бамбука в пустыне, где слишком сухо для его произрастания, свидетельствовали о том, что суша тоже меняется. Например, подземные силы способны превратить равнину в горы, в результате эрозии горы разрушались, смытые дождями песок и другие отложения попадали в реки, а затем в море, где на дне они образовывали новый слой. Все, что было нужно - это время.
Окаменелости, найденные в мягких породах горного хребта Тайханшань в центральной части Китая, стали для Шэнь Ко отправной точкой для создания геоморфологической теории.
Природа радуги
Причина появления в небе разноцветной радужной дуги всегда интересовала ученых. В 1300 году эксперимент со стеклянными шарами помог пролить свет на это явление.
Римский философ I века н. э. Сенека Младший первым приблизился к объяснению феномена. Он заметил, что радуга всегда появляется в небе напротив Солнца. Такой же эффект возникает в брызгах воды, из чего Сенека сделал вывод, что радуга - это отражение света от поверхности водяных капель. Это объяснение стало общепринятым - его придерживался даже арабский основоположник оптики (науки о свете) аль-Хайсам, живший в XI веке. Истинная природа радуги была открыта только в 1300 году, когда немецкий монах Дитер Фрейбургский сымитировал капли дождя, используя стеклянные шары, наполненные водой.
Радужное открытие Дитера приходилось изображать черно-белым.
Он заметил, что луч света, проходя сквозь шар, преломлялся, то есть менял направление, а затем отражался от противоположной стенки. Выходя наружу, свет вновь преломлялся, раскладываясь на спектральные цвета. Радуга, которую мы наблюдаем, возникает в результате этих отражений и преломлений. Мало кто знает, что настоящая форма радуги - круг, но на небе мы можем увидеть только его половину.
В поисках сокровищ
В 1405 году китайский император династии Мин приказал организовать беспрецедентную по тем временам экспедицию. Гигантские корабли отправились в плавание, чтобы изучать океан и прославлять величие Китая.
Династия Мин желала расширить как свои представления о мире, так и представления чужеземцев о Китае. Флот под командованием адмирала Чжэн Хэ, двигаясь вдоль берегов Индийского океана, посетил Восточную Африку, Аравию, Индию и западные острова современной Индонезии. Китайские мореплаватели совершили 7 плаваний с преимущественно торговыми и дипломатическими миссиями, которые не оставляли у соседних государств сомнений в мощи китайской империи, а также помогали получать новые сведения о странах бассейна Индийского океана.
Чжэн Хэ почитают в регионах Юго-Восточной Азии за то, что он способствовал распространению ислама и китайского влияния.
Чжэн Хэ следовал прибрежными торговыми маршрутами, но также открывал новые морские пути, а с ними и возможности обмена товарами и информацией. Однако экспедиции императорского флота прекратились в 1433 году, и на какое-то время в Индийском океане воцарилось безвластие. Ситуация изменилась лишь во второй половине XV - начале XVI века, когда европейские путешественники стали продвигаться на восток, огибая южную оконечность Африки. Если бы китайские экспедиции продолжались, история человечества могла бы быть совсем другой.
На флоте Чжэн Хэ использовали для навигации магнитный компас - изобретение, недавно распространившееся на Запад. Однако на протяжении первого тысячелетия китайцы в основном использовали компас в ритуалах, чтобы отслеживать перемещения духов. Для этого служил магнетит (естественный магнит) в виде ложки, всегда указывавшей на юг. Европейские моряки решили, что для них важнее знать, где север.
Флотилия Чжэн Хэ состояла из гигантских кораблей, вдвое превосходящих по размеру другие суда того времени (хотя о точных размерах идут споры). Согласно дошедшим до нас свидетельствам, в плавание выходило более 40 больших "кораблей-сокровищниц" - они служили для того, чтобы демонстрировать благосостояние Китая, а не для того, чтобы грабить другие народы, - и еще порядка 200 кораблей. Всего в плавание отправлялось около 28 000 человек. Однако достоверность этих чисел до сих пор остается под вопросом.
Магнитная навигация
Из-за страха сбиться с курса и заблудиться, большую часть истории человечества капитаны кораблей старались не терять берег из вида. Магнитный компас в корне изменил ситуацию, сделав доступными новые методы навигации. В Китае магнетиты - минералы, обладающие магнитной силой, использовались в качестве компаса еще в 200 годах до н. э. К XIV веку компас дошел до Европы, и именно здесь, в Испании и Португалии, с XV века стали совершать дальние плавания в открытом море. Компас был для этого незаменимым инструментом, поскольку он всегда указывает в одном направлении - на север.
На карте XIX века изображены приблизительные направления на северный магнитный полюс из разных точек Земли, сильно искаженные проекцией.
Однако исследователи Атлантики начали понимать, что указанное компасом направление на север может меняться, или, по крайней мере, так кажется. Сейчас это расхождение называют "магнитным склонением" - это угол между географическим севером, который находится на Северном полюсе, и магнитным полюсом, расположенным в нескольких градусах от него, подо льдами канадской Арктики. Точное значение магнитного склонения зависит от того, находитесь ли вы к востоку или к западу от магнитного полюса. Средневековые мореплаватели использовали это значение для определения долготы в открытом океане.
Португальский принц Генрих правил народом, живущим на западной окраине мира, в стороне от торговых маршрутов Европы и Азии. Но зато у этого народа был доступ к океану, открывающий путь к возможному покорению остального мира. В 1418 году Генрих обратился к морякам, математикам и инженерам за изобретениями, необходимыми для дальних плаваний. Началась эпоха великих географических открытий.
В чем измеряются погодные явления
В эпоху Возрождения ученые начали использовать накопленные сведения и собирать новые факты. Изучением погоды занялся типичный представитель эпохи Возрождения - Леон Баттиста Альберти.
Альберти был разносторонним человеком и интересовался всем понемногу - поэзией, архитектурой, математикой, криптографией. Он изобрел прибор для измерения скорости ветра - анемометр, который представляет собой вертушку с лопастями, закрепленными на оси. Анемометр узнает даже современный человек, ведь с момента изобретения в 1450-х годах прибор почти не изменился.
В 1780 году английский метеоролог Джеймс Сикс изобрел U-образный термометр со стальными маркерами, венчающими столбики ртути. Левый маркер опускался с понижением температуры и оставался на месте, указывая наименьшую температуру дня. Правый маркер поднимался, указывая самую высокую температуру того же дня.
Ветер, ударяя в одну из лопастей, приводит в движение всю конструкцию, подставляя воздушному потоку другую лопасть. Вращаясь, это устройство измеряет силу ветра по количеству оборотов в минуту.
Примерно в одно время с появлением изобретения Альберти корейцы сделали свой вклад в измерение погодных явлений. В XV веке, в период расцвета династии Чосон, король приказал установить дождемеры по всей стране, чтобы собирать информацию об осадках, необходимую для развития сельского хозяйства. Только один такой дождемер дожил до наших дней. Это стальной цилиндр глубиной 32 см, который вставлен в прочное каменное основание.
Позднее анемометр был усовершенствован: лопасти стали делать в виде чашек, изгиб которых позволял устройству вращаться равномернее. Эти приборы можно увидеть на метеостанциях при аэродромах и морских портах. Измерители ветра вращаются в горизонтальной плоскости подобно маленьким ветряным мельницам. Эта версия анемометра также способна поворачиваться вслед за ветром, показывая не только его скорость, но и направление.
Башня Ветров на агоре - рыночной площади - в древних Афинах считается первой метеостанцией. Флюгер на крыше показывал жителям города направление ветра, солнечные и водяные часы - время.
Чтобы определить вероятность дождя, древнекитайские предсказатели погоды научились измерять уровень влажности воздуха. В качестве гигрометра они использовали куски угля, которые, впитывая влагу из воздуха, становились тяжелее. В середине XV века немецкий ученый Николай Кузанский, современник Альберти, создал гигрометр из слабо натянутых длинных человеческих волос. При увеличении влажности волосы становились длиннее и провисали, а когда влажность снижалась - натягивались. Идея гигрометра из волос иногда приписывается художнику, инженеру и многогранному гению Леонардо да Винчи, поскольку в рукописи "Атлантический кодекс" 1480 года нашли набросок этого прибора.
Путешествие Колумба
Христофор Колумб был первым мореплавателем, который вернулся в Европу с докладом о существовании Нового Света на западном берегу Атлантики. И все это благодаря одной большой ошибке.
В 1493 году Колумб вернулся на Карибские острова, собираясь разбогатеть на торговле рабами. Карибский бассейн - зона самых сильных ураганов в мире, и как-то раз Колумб был вынужден укрыть свой флот от шторма у южного берега острова Гаити. Его рассказ о "морском чудовище" был первым описанием урагана, дошедшим до Европы. Слово "ураган" произошло из языка народа таино, племени, населявшего Карибские острова до открытия Америки Колумбом и полностью истребленного им и другими колонизаторами, основавшими здесь свои поселения.
История Америки началась 12 октября 1492 года, когда флот Колумба причалил к одному из Багамских островов. Период истории американских континентов, предшествующий этому дню, историки называют доколумбовым. Всего через несколько месяцев после того, как вести о Новом Свете достигли Европы, европейские королевства обратили свой взор на запад, а искатели приключений и поселенцы хлынули туда, чтобы занять свою часть территории.
Иронично, но далеко не удивительно, что такое открытие стало следствием серьезного просчета. История Колумба стала основополагающим мифом о возникновении современной Америки, и трудно выяснить реальные факты. Согласно легенде, Колумб, итальянский мореплаватель, хотел найти западный путь в Индию, в первую очередь к Молуккским островам, также известным как острова Пряностей (современная Индонезия). За средствами на экспедицию он обратился к королю Португалии, но королевские мореплаватели сразу отвергли эту идею.
Колумб готовится к отплытию с мыса Палос на южном побережье Испании. Вопреки легенде, моряки боялись не свалиться с края плоской Земли, а того, что им не хватит провианта, чтобы добраться до Азии по морю.
В конце концов, Колумб получил корабли от членов испанской королевской семьи, которые тоже считали его безумцем, однако их привлекла перспектива опередить португальцев в получении прибыли от этого предприятия - каким бы долгим оно не было. О невысоких ожиданиях испанцев говорит то, что они позволили Колумбу стать наместником, доверенным королем любой земли, которую он обнаружит. Матросы Колумба тоже были не в восторге от этой затеи из-за страха упасть с края Земли.
Попытки Колумба заинтересовать Португалию в своем путешествии были осложнены тем, что Бартоломеу Диаш недавно обогнул Африку с юга, открыв восточный маршрут в Азию. Диаш назвал южную оконечность африканского континента мысом Бурь, но позже она была переименована в мыс Доброй Надежды, чтобы повысить привлекательность открытия. В 1497 году Васко да Гама отправился в экспедицию по этому пути и через год пристал к берегам Индии (на этот раз настоящей). Во время другого путешествия в Индию корабли отнесло ветрами на юго-запад, к побережью современной Бразилии - территории, которая вскоре стала португальской колонией.
Через четыре недели следования на запад от Канарских островов (в то время западнее них никто не заплывал) моряки взмолились о возвращении домой. Колумб успокоил их и попросил подождать еще три дня - и на его счастье в последний момент на горизонте показалась земля. Колумб думал, что они прибыли в Индию, в Восточную Азию, и потому в течение последующих 500 лет коренные американцы назывались индейцами.
Эта карта, датируемая 1490 годом, выставлена в Лиссабоне (Португалия). Считается, что ею пользовался Колумб во время своего знаменитого первого путешествия в Америку.
Эта ошибка была порождена другой, еще большей, из-за которой Колумб и решился на плавание. Он был уверен, что из Испании до Азии можно добраться примерно за пять недель, потому что неверно вычислил размеры Земли и континентов. Работая с греческими и арабскими источниками, он запутался в единицах измерения, и в его расчетах размер земного шара был на 25 % меньше по сравнению с прежними оценками. Кроме того, он думал, что Дальний Восток гораздо ближе к Европе, а расстояние, которое ему нужно пройти, вдвое меньше реального. Вот почему португальские моряки наотрез отказались от его плана, а экипаж лишился присутствия духа после долгих недель, проведенных в море. Они боялись умереть от голода раньше, чем закончится их путешествие, но были спасены, когда обнаружили землю, которую теперь мы называем Америкой.
Кругосветное плавание
Несмотря на неожиданный успех путешествия Колумба, у его покровителя короля Испании по-прежнему не было западного маршрута в Азию. В 1519 году еще один флот отправился на поиски.
Маршрут рокового путешествия Магеллана, на которое ушло почти три года.
В 1494 году, когда уже было очевидно, какие возможности - в том числе торговые - открывает освоение океана, две ведущие морские державы, Испания и Португалия, договорились поделить мир пополам. Они заключили Тордесильясский договор, по которому все земли к западу от линии, проведенной посреди Атлантики, отходили Испании, а к востоку - под контроль Португалии. Побережье Бразилии оказалось восточнее этой линии, что позволило Португалии закрепиться в Америке.
Испанским флотом, отправившимся в Азию, командовал португальский мореплаватель по имени Фернан Магеллан. Он повел пять кораблей через Атлантический океан на юг, прошел вдоль побережья Бразилии и обогнул Южную Америку.
Кругосветное плавание Магеллана было прервано, когда он оказался втянутым в межплеменную войну на Филиппинах. Он стал одной из первых ее жертв.
Экспедиция Магеллана была лишь второй попыткой европейцев отправиться на запад от Америки: за несколько лет до этого испанский исследователь пересек Панамский перешеек и достиг западного берега. Магеллан назвал океан "мирным морем", до нас же дошло название "Тихий". Чтобы пересечь самый большой океан на Земле понадобилось более трех месяцев (его площадь равна площади всех океанов вместе взятых). Спустя полтора года флот подошел очень близко к Островам Пряностей и остановился в Себу (город на Филиппинах). Магеллан оказался втянутым в местную войну и погиб в стычке. Завершить кругосветное путешествие и, обогнув Африку, привести флот обратно в Испанию выпало мореплавателю Хуану Себастьяну Элькано. Плавание продлилось чуть менее трех лет. Из 270 членов первоначального состава вернулись только 18 человек.
Южная оконечность Южной Америки называется мыс Горн. Его береговая линия испещрена бухтами, островами и заливами. Магеллан назвал это место Огненной Землей (Tierra del Fuego), потому что европейские моряки по ночам видели на берегу множество костров, зажженных аборигенами, которые грелись возле них - или, возможно, готовились к атаке. Магеллан решил зайти в бухту с соленой водой и по ней попал из Атлантического океана в Тихий. Теперь она называется Магелланов пролив.
Происхождение металлов
В Средневековье изучением камней, минералов и металлов занимались преимущественно маги-алхимики. В 1556 году немецкий врач Георг Павер применил более здравый научный подход.
Главной целью алхимии было раскрыть секрет волшебства, стоящего за тем, что мы сегодня называем химическими реакциями. Типичный алхимик мечтал быстро разбогатеть, научившись превращать свинец в золото или открыв эликсир бессмертия. В конечном счете усилия алхимиков оказались бесплодными, но именно они начали систематизацию полезных веществ, в особенности различных металлов. В 1556 году Георг Павер, врач из шахтерского городка на территории современной Чехии, опубликовал справочник "О горном деле и металлургии". Он взял псевдоним Агрикола, что на латыни значит "крестьянин" (такое же значение имеет его фамилия "Павер" в некоторых землях Германии).
Книга Агриколы полна практических советов, дополненных иллюстрациями о том, как находить и добывать минералы.
В книге рассказывается, как распознавать руды, где искать месторождения, а также говорится о новейших технологиях добычи и выплавки металлов в XVI веке. Труд Агриколы был не единственным техническим справочником своего времени, но оказался самым полезным, им пользовались и 200 лет спустя.
Подводная лодка
Исследование океанских глубин началось с водолазного колокола. В 1578 году английский математик Уильям Борн выдвинул идею строительства лодки, которая могла бы перемещаться под водой. Задача была не из легких!
По задумке Борна лодка представляла собой судно из водонепроницаемой кожи, натянутой на деревянный каркас; она погружалась в воду за счет храповых механизмов, которые стягивали ее изнутри, уменьшая в объеме. Борн так и не построил свое судно, поэтому создателем первой действующей подводной лодки считается нидерландский изобретатель Корнелиус Дреббель. Подводная лодка Дреббеля - деревянный корпус, обтянутый смазанной жиром кожей - похожа на предложенную Борном. Она передвигалась при помощи весел, проходящих через плотно прилегающие кожаные уключины. В 1620 году Дреббель успешно погрузился в Темзу на глубину 4-5 м. В дальнейшем подводные суда использовались только в военных целях, и лишь в 1960 году были разработаны глубоководные аппараты для океанографических исследований на больших глубинах.
Это изображение подводной лодки Дреббеля, погруженной в воду, было скорее попыткой выдать желаемое за действительное. Воды Темзы, протекающей через Лондон, никогда не были достаточно прозрачными, чтобы можно было увидеть судно под водой - тем более в XVII веке, до изобретения канализации.
Атмосферное давление
"Природа не терпит пустоты" - это изречение уходит корнями во времена Аристотеля и античности. Но исследования возможности существование вакуума, привели к новому пониманию свойств атмосферы и созданию важнейшего инструмента для предсказания погоды.
С помощью ртутного столба Торричелли удалось доказать существование атмосферного давления, и это имело далеко идущие последствия не только для метеорологии, но и для фундаментальных наук, таких как физика и химия.
Эта история, как и многие научные истории XVII века, связана с именем Галилео Галилея, который уже прославился своими открытиями об устройстве Солнечной системы. В 1630 году, когда он был на пике славы, его попросили объяснить, почему сифонный насос не может поднять воду на холм. В то время принцип действия видели в том, что насос будет втягивать воду через сифон, создавая, по меньшей мере, возможность вакуума. Вода будет заполнять образовавшуюся пустоту, подчиняясь емкому афоризму Аристотеля, и потечет по трубе. Галилей предположил, что даже у силы вакуума есть свой предел. После смерти Галилея его помощник Эванджелиста Торричелли вернулся к этой проблеме и исследовал ее на модели сифона, уменьшенной в 10 раз. Он запаял один конец стеклянной трубки и наполнил ее ртутью, плотность которой в 14 раз больше плотности воды, и поместил открытый конец трубки в чашу с ртутью.
Уровень ртути в трубке всегда падал до 76 см. Оказалось, что у ртутного столба есть своя предельная высота, и она примерно в 14 раз меньше предельной высоты водяного столба в сифоне.
Корнелиус Дреббель зарабатывал на жизнь, развлекая европейских правителей демонстрацией своих изобретений. Кроме подводной лодки, он также представил "перпетуум мобиле", или вечный двигатель. Это была хитроумная конструкция - кольцо из стеклянной трубки, заполненной водой, где с одной стороны было отверстие, а с другой - пузырь воздуха. Дреббель очень зрелищно демонстрировал, как вода постоянно перемещается в трубке. Он объяснял это приливными силами и астрологией, меняя объяснения в зависимости от собравшейся аудитории. Считается, что Шекспир в пьесе "Буря" 1611 года создал персонажа Ариэль, духа, порабощенного волшебником Просперо, вдохновившись "вечным двигателем" Дреббеля. На самом деле это устройство работало за счет естественных изменений температуры и давления воздуха, из-за чего вода перемещалась туда и обратно. Ученые того времени интересовались менее сложными J-образными версиями этого прибора, которые были прообразами термометров.
Это стало для Торричелли достаточным основанием, чтобы перевернуть теорию насосов и вакуума с ног на голову. Он обнаружил, что жидкость поднимается не за счет тяги, создаваемой вакуумом, а потому, что на нее давит вес воздуха. Столб достигал предельной высоты, когда его вес уравновешивался весом воздуха. Это снискало Торричелли славу изобретателя барометра - устройства для измерения атмосферного давления, хотя другие пытались сделать это и до него.
В 1647 году Торричелли умер от тифа, и в следующем году француз Блез Паскаль продолжил его исследования. Он послал своего зятя Флорена Перье в Клермон-Ферран, к подножию Пюи-де-Дом - потухшего вулкана высотой 1460 м. Перье установил один ртутный барометр в городе, где на протяжении всего дня уровень ртути оставался неизменным, а другой такой же прибор взял в горы. Перье педантично замерял уровень ртути по мере своего восхождения и при каждой остановке обнаруживал, что чем выше он поднимался, тем ниже опускался уровень ртутного столба. Как и предполагал Паскаль, атмосферное давление падало с увеличением высоты, поскольку вес воздушного столба уменьшался. Но и на уровне моря давление время от времени колебалось. Падение уровня ртутного столба вскоре связали с периодами переменчивой, дождливой погоды, в то время как высокое давление предвещало погоду тихую и ясную. Однако в то время никто не понимал, почему это происходит.
Ртутная трубка Торричелли стала ключевым инструментом для нового поколения ученых эпохи Просвещения, а технология обработки стекла помогла создать первые точные термометры 50 лет спустя.
Метеосводки
Очевидно, что изменения в природе происходят не внезапно. Об их приближении можно догадаться по множеству признаков, за которыми удобнее всего было наблюдать на обширной территории, - тогда прогнозы погоды становились точнее. В 1654 году итальянский герцог и ученый-любитель создал такую систему наблюдения.
Фердинандо II Медичи активно поддерживал развитие новых наук в Италии эпохи Возрождения.
Фердинандо II Медичи, великий герцог Тосканский, жил в Палаццо Питти, роскошном здании в самом сердце Флоренции. Флоренция была центром эпохи Возрождения, и Фердинандо, увлеченный алхимик-любитель, общался с великими художниками, инженерами и представителями нового поколения ученых, такими как Галилей. Его завораживали новые изобретения и чудеса техники: гигрометр, измеряющий влажность; анемометр, измеряющий скорость ветра; барометр для измерения атмосферного давления; термоскоп - грубый прототип термометра. Считается, что Фердинандо, вдохновившись работами Галилея, изобрел термометр Галилея, в котором использовались стеклянные колбочки-поплавки, наполненные спиртом под разным давлением. Эти колбочки плавали в цилиндре с водой, то всплывая к поверхности, то опускаясь, так как с изменением температуры воздуха менялась их плотность. Устройство выглядело красиво, но пользоваться им было неудобно.
Хотя создателями системы наблюдения за погодой считаются Медичи, первым метеорологом - человеком, систематически записывающим метеоданные - был Уильям Мерл. Он работал в Оксфорде в начале XIV века и вел ежедневный учет погоды на протяжении 15 лет. Его записи - старейшая информация такого рода, дошедшая до наших дней.
Фердинандо, один из самых богатых людей во всем мире (хотя богатство династии Медичи уже начинало таять), отправлял свои измерительные приборы в разные города Италии, а также современной Австрии, Франции и Польши, создавая таким образом первые метеостанции. Измерения, собранные в десяти географических точках, отправляли обратно во Флоренцию для анализа в Академии дель Чименто, которую основал брат Фердинандо - Леопольдо. Ее название приблизительно переводится как "академия испытаний" (а вернее, "экспериментов"). Академия могла бы стать первым в мире научным институтом, но Медичи видели в ней скорее клуб, к которому постепенно и вовсе потеряли интерес. Это привело к утрате собранных метеорологических измерений и сделанных на их основе выводов.
Несмотря на то, что начинание Медичи потерпело неудачу, их пример помог создать целую сеть пунктов наблюдения за погодой в другой стране. Очередной прорыв в этой области произошел в 1849 году, когда в Смитсоновском Институте (в Вашингтоне, столице США) для сопоставления метеоданных стали использовать телеграф. Институт был основан в 1846 году, и первым его руководителем был Джозеф Генри, пионер в области электромагнитных технологий и один из изобретателей телеграфа. Ежедневно 150 станций по всей стране передавали сводки, из которых составлялась суточная карта погоды. Она вывешивалась в здании Смитсоновского института, и желающие могли с ней ознакомиться.
В 1669 году датчанин Нильс Стенсен, известный также как Николас Стено, сформулировал четыре основных принципа напластования горных пород, тем самым заложив основу современной геологии.
Интерес Стено к истории Земли и горным породам возник, когда он изучал окаменелости. Спустя несколько лет он создал всеобъемлющую теорию стратиграфии, науки, изучающей земную толщу - пласты горных пород, которые можно увидеть в любом каньоне или местности, подвергшейся сильной эрозии. Он представил теорию в 1669 году в эссе "О твердом, естественно содержащемся в твердом" (De solido intra solidum naturaliter contento). В его труде были изложены основные принципы физической геологии, науки, которая рассматривает горные породы, полезные ископаемые и крупные объекты рельефа планеты.
Первым изучать окаменелости под микроскопом начал естествоиспытатель Роберт Гук. В 1665 году он опубликовал свои наблюдения в книге "Микрография". В те времена микроскоп был совсем новым инструментом, и с его помощью Гук увидел сходство структуры живой и окаменелой древесины. Он предположил, что органический материал, погруженный в воду, богатую минеральными веществами, со временем превращается в камень.
В 1666 году Стено препарировал акулу и с удивлением обнаружил сходство акульих зубов и каменистых образований треугольной формы, так называемых камней-языков. Стено заявил, что камни-языки в действительности были зубами живших в древности акул и что ткань тела акулы с течением времени постепенно замещалась минералами. Другими словами, окаменелости были образцами жизни разных исторических эпох.
Первый принцип Стено - принцип суперпозиции: "Во время образования какого-либо слоя под ним находилось другое твердое тело, которое препятствовало дальнейшему опусканию порошкообразного вещества...". Второй - принцип первичной горизонтальности слоев: "Во время образования одного из верхних слоев нижний слой уже приобрел твердую консистенцию...". Следующий - принцип непрерывности слоев по горизонтали: "Во время образования какого-либо слоя он был ограничен сбоку другим твердым телом или же покрывал весь земной шар. Отсюда следует также, что всюду, где заметны обнаженные куски слоев, можно найти их продолжение или открыть другое твердое тело". И наконец, последний - принцип первичных пространственных соотношений: "Во время образования какого-либо слоя лежащее наверху его вещество было целиком жидким и, следовательно, при образовании самого нижнего слоя ни одного из верхних слоев еще не существовало".
Научные интересы Стено были весьма разнообразны. Он исследовал не только процессы напластования горных пород и формирование окаменелостей, но и микроструктуру кристаллов, составляющих основу горных пород.
Температура
Понемногу человечество научилось измерять влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра. Но есть еще одна важная составляющая погодных измерений - температура. Путь к созданию надежного термометра оказался длинным.
Попыток измерить температуру воздуха было много, но создать точный прибор, который можно было бы изготавливать в больших количествах, было крайне трудно. Такой прибор, независимо от места и времени использования, должен показывать достоверные значения, которые можно было бы сравнить с показаниями такого же прибора в другом месте или в другое время. Для температурной шкалы нужны всего лишь верхняя и нижняя точки с равными делениями между ними - градусами. Сначала температуру пытались измерять с помощью термоскопов, но они оказались бесполезными: несмотря на то, что трубки, наполненные подкрашенным спиртом, работали исправно, показания были противоречивыми. Требовалось усовершенствовать прибор и создать более точную градуировку.
Среди записей Даниеля Фаренгейта от 1736 года можно увидеть сделанный от руки эскиз ртутной лампы.
В 1702 году датский астроном Оле Рёмер сломал ногу и какое-то время был прикован к постели, и чтобы не терять времени даром, он решил заняться улучшением термометра. Сперва Рёмер нашел стеклянную трубку с постоянным диаметром, в чем убедился, следя за шириной залитой в трубку капли ртути. Потом он припаял трубку к небольшому шарику, служившему резервуаром, и наполнил его спиртом, окрашенным шафраном в желтый цвет. По задумке спирт должен подниматься на высоту, равную ширине резервуара, когда температура поднималась на 10 градусов по шкале.
При ближайшем рассмотрении видно, что термоскоп не слишком отличался от вечного двигателя Дреббеля начала XVII века. Чтобы отмечать повышение и понижение температуры, использовали свойства расширения и сжатия воздуха, заключенного в стеклянном шаре на верхнем конце трубки. При понижении температуры воздух сжимался, и жидкость (обычно вода) поднималась вверх по трубке. Повышение температуры приводило к расширению воздуха, и уровень воды падал. В термометре же все происходило наоборот. На некоторых термоскопах были указаны градусы, но ни одна градуировка не подходила для создания универсальной шкалы, которую можно было бы воспроизвести на другом устройстве.
Что за метод использовал Рёмер - неизвестно. В те времена изготовители термометров держали разработки в тайне, чтобы только они могли создавать и продавать устройства надлежащего качества. Считается, что он отметил на трубке две точки - точку замерзания и точку кипения воды - и нанес между ними семь делений, добавив еще одно, восьмое, ниже нулевой отметки. Верхней точке он присвоил значение 60, что означало, что вода замерзала при 7,5°Rø. Температура замерзания солевого раствора равнялась 0°Rø. На основе этого термометра Рёмер сделал еще несколько устройств для измерения температуры воздуха, воды и человеческого тела. А в 1708 году к нему в гости пожаловал молодой немецкий приборостроитель.
Гостем Рёмера был Даниель Фаренгейт, которому тогда едва исполнилось двадцать лет. Вдохновившись шкалой Рёмера, он создал собственную, которая значительно лучше прошла проверку временем. Фаренгейту понадобилось еще 16 лет, чтобы довести шкалу и устройство термометра до совершенства.
Преимуществом Фаренгейта были навыки стеклодува, которые позволили ему в 1714 году создать первые функциональные ртутные термометры. К 1724 году он переделал шкалу Рёмера, избавившись от бесполезных делений в полградуса, и установил три фиксированных точки на шкале, от которых можно было отталкиваться при градуировке. Нулевой точкой была температура смеси из воды, льда и соли (соединение нашатыря и морской соли) - самая холодная смесь, которую он мог приготовить независимо от времени года. Однако Фаренгейт старался выполнять большую часть работы с низкими температурами зимой, чтобы лед не таял слишком быстро.
Ирландский ученый XVII века Роберт Бойль, один из первых исследователей природы холода, использовал множество различных термоскопов и термометров, но не смог добиться точности в своих измерениях.
Второй отметкой была температура замерзания воды - 32°F - почти в четыре раза больше значения Рёмера. Третьей точкой была температура ротовой полости - 96°F - чуть ниже температуры тела здорового человека. Верхняя отметка, обозначающая точку кипения воды, была установлена на 212°F.
Фаренгейту не удалось заработать на продаже своих точных, но дорогих термометров, и в 1736 году он умер в нищете. Считается, что Фаренгейт слишком рьяно охранял свое изобретение, поэтому покупатели не могли оценить всех его достоинств. Не прошло и десяти лет, как научное сообщество приняло шкалу Фаренгейта за эталон, ею пользовались вплоть до XX века, пока ее не заменила десятичная шкала Цельсия. Однако в США до сих пор используют шкалу Фаренгейта.
Температурная шкала была побочным изобретением Оле Рёмера. Он уже вошел в историю в 1676 году, измерив скорость света. В то время он работал в Парижской обсерватории (на рисунке), изучал Ио - один из четырех крупных спутников Юпитера, открытых Галилеем в 1609 году. Когда Ио находится за Юпитером, его не видно с Земли, но Рёмер рассчитал траекторию движения спутника и точно знал время, когда Ио должен был появиться на небе. Сравнив свои наблюдения с расчетами, Рёмер обнаружил, что Ио всегда "задерживался" примерно на 10 минут, и понял, что свет доходил до Земли не сразу. Проходило некоторое время, прежде чем свет от спутника попадал в окуляр телескопа, причем время увеличивалось по мере удаления Земли (движущейся вокруг Солнца) от Юпитера. Используя эту разницу, Рёмер вычислил, что свет проходит 220 000 км в секунду, что на 25 % меньше современного значения. И до Рёмера были исследователи, которые пытались измерить скорость света при помощи ламп и прочих приспособлений, но он был первым, кому удалось получить конкретный результат.
Ветер
В период великих географических открытий мореплаватели совершили много успешных экспедиций. Но морские путешествия были бы невозможны без ветров, дующих над океанами. В 1735 году загадку направления ветров объяснил не кто иной, как... адвокат.
Теорию циркулирующих ячеек воздуха, сформулированную Джорджем Хэдли в XVIII веке, до сих пор используют при описании механизма возникновения ветров.
В конце 1670-х годов ученый Эдмунд Галлей - известный тем, что предсказал возвращение кометы, которая теперь носит его имя, - отправился на крошечный остров Святой Елены в Южной Атлантике. Помимо отчетов о путешествии, Галлей составил подробную карту пассатов и предложил теорию возникновения ветров. В ней говорилось, что основным источником движения воздуха является солнечное тепло. Он предположил, что теплый воздух поднимается и распространяется в атмосфере, создавая таким образом ветры. По мнению Галлея, пассаты дули на запад, следуя за движением Солнца в небе. Такое представление было созвучно древнекитайским идеям, которые вызывали недовольство Ван Чуна за 1600 лет до этого, - и теория Галлея тоже была признана несостоятельной.
Европейские путешественники, желавшие пересечь Атлантику на парусном судне и достичь экзотических стран, должны были поймать пассаты, дующие с северо-востока в направлении Карибского бассейна и Южной Америки. Чтобы вернуться домой, они разворачивали корабль на север, чтобы поймать западные ветры. Если путь лежал на восток, в Индию, корабль должен был плыть на юго-запад почти до Бразилии, пересечь экватор и поймать западные ветры у мыса Доброй Надежды, чтобы обогнуть Африку и попасть в Индийский океан. Штурманы научились быть осторожными в тропических морях (около 30° от экватора), где ветры часто ослабевали и корабли не могли продолжить плавание. Эти районы носили название "Конские широты" - когда во время штиля запасы пресной воды истощались, лошади были первым грузом, который отправляли за борт (хотя существуют и другие объяснения).
Гипотезы о том, почему ветры дуют определенным образом, предлагали несколько ученых, и одним из них был Эдмунд Галлей. Спустя 50 лет Джордж Хэдли, адвокат и метеоролог-любитель, опроверг гипотезу Галлея. Он считал, что пассаты представляют собой нижний слой циркулирующего в атмосфере воздуха. Нагретый Солнцем воздух на экваторе поднимается вверх и распространяется на север на несколько километров над поверхностью Земли. Над тропиками воздух остывает, снова опускается к поверхности и возвращается к экватору в виде ветра. Такая модель циркуляции воздуха называется ячейкой Хэдли. Их всего две: к северу и к югу от экватора, и они опоясывают земной шар.
Почему ветры дуют не строго с севера на юг или с юга на север? Почему курс господствующих ветров меняется? Джордж Хэдли понял, что это происходит из-за вращения Земли с запада на восток, но объяснить, как это происходит, он не смог. Французский математик Гаспар-Гюстав де Кориолис сделал это веком позже. Эффект Кориолиса можно наблюдать на поверхности вращающихся сфер. Ветры (или другие объекты), движущиеся по прямой, описывают дугу по поверхности. К северу от экватора ветры поворачивают направо, поэтому южные потоки пассатов отклоняются к юго-западу, а северные потоки - к востоку (и становятся западными). К югу от экватора ветры отклоняются влево. Теоретически это означает, что водовороты - в том числе те, которые возникают в сливе бытовой раковины для умывания, - должны вращаться в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном - против нее. Путешественники, проверяя это, часто бывают разочарованы. Даже небольшое возмущение воды, например всплеск или брызги, может пересилить воздействие вращения Земли.
Рядом с ячейкой Хэдли формируются похожие ячейки, с той лишь разницей, что поверхностные ветры дуют в направлении полюсов и отклоняются от курса из-за вращения Земли, становясь западными ветрами. В полярных районах еще один вид ячеек производит слабые, но очень холодные восточные ветры.
Вершиной кораблестроения в XIX веке были клиперы. Даже когда корабли стали металлическими и у них появились двигатели, в дальние плавания в Индию и Австралию ходили на клиперах - маневренных судах, созданных, чтобы ловить сильные юго-западные ветры.
Форма Земли
Наука, занимающаяся измерением формы и размера Земли, называется геодезией. К XVIII веку стало очевидно, что наша планета не является идеальной сферой.
Титульный лист отчета о геодезической экспедиции в Эквадор.
Основоположником геодезии, как и многих других наук, был Аристотель. Он считал, что материя, из которой состоит Земля, стремится к центру, благодаря чему планета имеет форму шара. К XVII веку закон всемирного тяготения, открытый Исааком Ньютоном, расширил это первоначальное объяснение: толща Земли и все, что находится на ее поверхности, притягивается к центру тяжести. Но один вопрос все же оставался без ответа. Если вращение Земли создает центробежную силу, это должно приводить к деформации планеты. Как тогда выглядит Земля? Современник Ньютона, нидерландский ученый Христиан Гюйгенс, предположил, что у полюсов Земля приплюснута, как апельсин (он использовал математический термин "сплюснутый сфероид"), и вычисления Ньютона подтверждали его точку зрения. Французский ученый Рене Декарт думал иначе - что Земля больше похожа на лимон, то есть имеет вытянутую форму, заостренную у полюсов.
Глава Парижской обсерватории Жак Кассини обнаружил, что расстояние, соответствующее одному градусу широты, увеличивается при движении на север. Он предположил, что Земля вытянута к полюсам. Установить ее точную форму было важно не только в научных целях, но и для того, чтобы карты, с нанесенными на них параллелями и меридианами, точно отображали поверхность нашей планеты.
Изобретенная Андерсом Цельсием шкала в большинстве стран вытеснила шкалу Фаренгейта из-за более простого устройства: за 0 °C он принял температуру замерзания воды, за 100 °C - температуру ее кипения. Шведу Андерсу Цельсию не первому пришла в голову идея такой градуировки, но он первым претворил ее в жизнь в 1742 году, спустя несколько лет после геодезической экспедиции в холодную Лапландию. Изначально он отталкивался от холодной температуры, поэтому на его шкале температура замерзания воды составляла 100°, а кипения - 0°. Вскоре после смерти ученого, известный биолог Карл Линней перевернул цифры: за 0° стали принимать температуру замерзания, а за 100° - кипения. Несмотря на возражения Линнея, за шкалой закрепилось имя Цельсия.
Для определения формы Земли ученым нужно было измерить и сравнить окружность планеты, проходящую через полюса, с окружностью по экватору. Совпадение этих величин указало бы им на идеальную сферическую форму Земли.
Но ученые подозревали, что значения будут отличаться. Если окружность экватора больше, тогда Земля сплюснута у полюсов. Если больше окружность, проходящая через полюса, тогда Земля вытянута. Разница же этих значений говорила бы о степени деформации планеты.
Широта - это координата для определения расстояния к северу или югу от Экватора. Так как поверхность Земли изогнута, измерять широту удобнее всего в градусах - единицах измерения углов (не температуры). Мореплаватели обнаружили, что можно вычислять широту по положению небесных тел. В XVIII веке они пользовались секстантом, навигационным измерительным инструментом, популяризацией которого занимался брат Джорджа Хэдли - Джон Хэдли. Приведем пример: рассчитаем широту с помощью Полярной звезды. Она называется так потому, что находится почти над самым Северным полюсом. Когда ее угловая высота равна 90°, это значит, что вы находитесь на Северном полюсе - 90° северной широты. Когда угловая высота равна 0°, другими словами, звезда почти скрывается за горизонтом, широта также равна 0°, и вы находитесь в районе Экватора. Определять широту по Солнцу было куда сложнее: во-первых, Солнце - самый большой и самый яркий объект в небе, а во-вторых, мы можем видеть его только днем. Тем не менее пионеры навигации составляли календари, в которых была указана широта для каждого положения Солнца на небе в каждый конкретный день года. Точность была критически важна: ошибка в несколько градусов могла привести к отклонению от курса на сотни километров. Более того, картографам и ученым, составляющим математическую модель поверхности планеты, нужно было знать, какому расстоянию на поверхности соответствует один градус. Если бы Земля была сплюснутой или вытянутой, значение одного градуса широты было бы непостоянным в разных точках планеты.
Северная геодезическая экспедиция, отправившаяся в европейскую часть Арктики, в 1736 году первой смогла установить настоящую форму Земли.
Чтобы найти ответ на этот фундаментальный вопрос, Людовик XV снарядил две экспедиции. Задачей первой из них было измерить дугу меридиана на экваторе. Для этого в 1735 году исследователи отправились в Кито (город на территории современного государства Эквадор, название которого в переводе с испанского как раз и означает "экватор") и вернулись во Францию с результатами измерений только через четыре года. В то же время другая команда, в составе которой был швед Андерс Цельсий (позднее прославившийся как изобретатель стоградусной температурной шкалы), отправилась в одну из наиболее близких к Северному полюсу земель - скандинавскую Лапландию. Там они измерили такую же дугу на поверхности Земли, как и экваториальная экспедиция. Результаты наглядно показали, что Гюйгенс и Ньютон были правы. Мы живем на планете, выпуклой в центре и приплюснутой у полюсов.
В 1836 году в честь 100-летней годовщины французской экспедиции в Эквадоре была построена копия наблюдательного пункта, который использовали геодезисты.
Геологические карты
В 1743 году английский врач и геолог-любитель заставил по-новому взглянуть на то, что находится у нас под ногами. На своей карте он изобразил не дороги, города или реки, а залегание горных пород.
Цветная версия знаменитой карты Уильяма Смита была напечатана в 1815 году.
Создателем первой геологической карты был Кристофер Пак. Его карта Кентерберийского района (или, как он сам назвал свою работу, "Диссертация о поверхности Земли на примере философско-топографической карты Восточного Кента") хоть и не произвела фурора, все же была представлена Лондонскому королевскому обществу. Карты месторождений минералов с указанием мест их добычи составляли с древних времен, но карта Пака отличалась от них. Идея была показать, где определенная порода выходит на поверхность, обозначить границы, где одна порода сменяет другую, ушедшую под землю. Согласно принципам стратиграфии Стено, напластование пород происходит горизонтально. Пак смог доказать, что пласты пород со времени своего образования искривились и деформировались, так что их рисунок при выходе на поверхность стал напоминать спил дерева.
В XIX веке появились геологические карты, показывающие объекты в разрезе. На рисунке изображен надвиг Гленкоул в Северо-Шотландском нагорье.
Другие геологи, у которых были схожие идеи, разработали более подробные геологические карты. В 1746 году Жан-Этьен Геттар составил минералогическую карту Франции, однако на ней не было указано расположение горных пород, как на карте Пака.
В конце XVIII века горный инженер Уильям Смит составил геологическую карту Британии. Считается, что эта карта изменила мир, потому что ее наглядность заставила людей посмотреть на свою планету по-новому.
Землетрясения
Люди страдали от землетрясений на протяжении всей истории человечества. Это по-прежнему самая разрушительная сила на планете, а мы по-прежнему не умеем ее предсказывать. Понять природу этого явления помогло Великое лиссабонское землетрясение 1755 года.
На Лиссабон обрушились сразу три катастрофы: землетрясение, цунами и сильный пожар. Джон Мичелл был прав, предположив, что эпицентр землетрясения 1755 года находился на морском дне.
Это землетрясение превратило Лиссабон (столицу Португалии) в руины. Вслед за мощными толчками на дорогах и площадях города образовались огромные трещины. Те, кто смог спастись, собрались у пристани, но через 40 минут с моря пришла волна цунами, затопившая побережье. Незатопленные участки были охвачены огнем - из-за упавших в домах свечей начался пожар. Лиссабон и прибрежные поселения были стерты с лица земли, погибло около 100 тысяч человек, и после Португальскому королевству уже не удалось восстановить свое положение на мировой арене.
В 1760 году английский энциклопедист Джон Мичелл (который также увлекался электромагнитными явлениями и астрономией и даже догадывался о существовании черных дыр) представил Лондонскому королевскому обществу исследование под названием "Предположения о причинах возникновения землетрясений и наблюдения за этим феноменом", после чего его избрали членом этого престижного научного общества.
Основываясь на данных о Великом лиссабонском землетрясении 1755 года, Мичелл изложил базовые принципы этого явления, которые остаются верными и сегодня. Землетрясение начинается в одной точке под землей - очаге. В нем происходит резкий сдвиг пород, который возникает в месте уже существовавших или новообразованных трещин в пластах (их позже станут называть разломами).
Точка на поверхности земли над очагом называется эпицентром. Мичелл, тщательно изучив землетрясение в Лиссабоне, установил, что толчки землетрясения расходятся в толще земли от эпицентра волнами, как круги на воде.
В наши дни изучением землетрясений занимаются сейсмологи, они определяют направление и интенсивность волн, пронизывающих планету.
Почему дрейфуют ледники
Точные термометры помогли увидеть, как меняются свойства веществ при повышении и понижении температуры. Благодаря этому в 1750-х годах было обнаружено особое свойство воды.
В 50-х годах XVIII века шотландский химик Джозеф Блэк обнаружил, что температура льда растет при нагревании, но как только лед начинает таять, она перестает повышаться. Только когда лед превращается в воду, выделяется дополнительное тепло, и тогда уже увеличивается температура воды. Блэк назвал это явление латентной теплотой. Во время таяния энергия тепла помогает разрушить химические связи льда как твердого тела.
Над океаном видна только вершина айсберга. Лед состоит из пресной воды, которая имеет значительно меньшую плотность по сравнению с плотностью соленой воды океана. Соленая морская вода, замерзая, образует на поверхности океана ледяные поля.
Лед занимает больше места, чем вода, из которой он состоит. Поэтому емкости с замерзшей водой могут треснуть. Увеличение объема связано с перестроением молекул, которые при переходе в твердое состояние образуют кристаллическую решетку. Та же масса при большем объеме означает, что плотность льда ниже плотности воды, поэтому льды дрейфуют в воде. Вода - единственное вещество, которое способно, находясь одновременно в твердом и в жидком состоянии, плавать в самом себе. В естественных условиях лед образуется на поверхности воды. Слой льда препятствует замерзанию воды под ним и создает условия для жизни рыб и других существ даже зимой. Кроме того, лед подвергается воздействию солнечных лучей и потому тает. Если бы лед не плавал, а накапливался на дне океана, это радикально изменило бы погоду и строение Земли.
Магматические породы
При наблюдении за тем, как остывает расплавленное стекло, зародилась идея, ставшая ключом к пониманию того, как образуются горные породы.
Шотландский промышленник Джеймс Кейр проявлял интерес к новым наукам, которые дали толчок охватившей Британию промышленной революции. Он был одним из ведущих деятелей Лунного общества, неформального собрания интеллектуалов-единомышленников, куда входили Эразм Дарвин (дедушка Чарлза Дарвина), Джеймс Уатт (изобретатель паровой машины) и Бенджамин Франклин во время своего пребывания в Англии.
На гравюре 1778 года изображено, как лава, стекая в реку, превращается в базальтовые столбы.
В 1776 году Кейр выпустил статью, в которой предположил, что современные горные породы образовались в прошлом из расплавленной лавы, подобно тому, как расплавленное стекло при застывании становится твердым. Сегодня мы называем такие породы магматическими.
Скалы Национального парка Йосемити, такие как Эль Капитан, - это большие массивы гранитных батолитов, образовавшихся под землей и вышедших на поверхность в результате эрозии более мягких пород вокруг них.
Магматические породы, образовавшиеся на поверхности земли, например, базальт, очень быстро остывали при контакте с водой или воздухом, поэтому они состоят из мелких кристаллов. Породы, которые находятся в подземных полостях, наполненных магмой (она называется лавой, только когда выходит на поверхность), остывают гораздо медленнее - например, гранит. Они характеризуются более крупными кристаллами.
Возраст Земли
В Библии, с ее длинной историей семьи Авраама, говорится, что Земля была создана в 4004 году до н. э. В 1779 году одному французскому дворянину пришла в голову идея, как проверить возраст нашей планеты.
Граф де Бюффон служил управляющим Сада короля - французского королевского ботанического сада в Париже.
Это был не кто иной, как Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон. Выдающийся натуралист своего времени, он помог реконструировать королевский зверинец и ботанические сады в окрестностях Парижа. За несколько десятилетий до Чарлза Дарвина граф делал первые наброски теории эволюции. Эта работа заставила его задуматься о происхождении Земли и Солнечной системы. Он усомнился в точности возраста Земли, указанного в Библии, и предположил, что Земля образовалась в результате столкновения с Солнцем кометы, выбившей из светила часть его раскаленного вещества. С тех пор планета постоянно теряла тепло.
Граф де Бюффон вдохновился работами Исаака Ньютона, который за 70 лет до него наблюдал за тем, как остывают железо и другие раскаленные металлы.
Вулканическая активность служила свидетельством того, что под оболочкой Земли все еще было очень жарко. Леклерк утверждал, что магнитное поле Земли говорит о высоком содержании железа в недрах планеты. Он решил, что скорость остывания металла поможет ему вычислить возраст Земли. Раскалив добела небольшую железную сферу, он подождал, пока сфера остынет. Затем, используя математические методы, разработанные сэром Исааком Ньютоном, Леклерк вычислил время, за которое остынет сфера размером с земной шар. Конечно, полученный им результат в 75 000 лет был неверным, но это была первая подсказка, что наша планета значительно старше, чем считалось.
Теория Земли
Начало современной геологии положила работа шотландского фермера и инженера Джеймса Хаттона. В 1788 году он опубликовал трактат о формировании горных пород под названием "Теория Земли".
Джеймс Хаттон около 30 лет изучал процессы образования горных пород, анализируя то, что он видел под землей и на ее поверхности.
Работая в полях на юге Шотландии и участвуя в строительстве каналов, Хаттон имел возможность хорошо ознакомиться с тем, что находится под землей. В конце 1750-х годов он задумался о том, как образовались горные породы. Он сделал предположение, что породы, залегающие глубоко под землей и имеющие определенную структуру, сформировались из осадочного слоя, который в прошлом образовывался на поверхности земли. Его состав был тем же, что и в наше время, - песок, ракушки и глина. По сути предположение Хаттона было переосмыслением того, что писал в своих трудах Шэнь Ко несколькими веками ранее (хотя Хаттон навряд ли слышал об этом китайском мыслителе).
Хаттон следовал принципу "настоящее - это ключ к будущему". В 1785 году он объединил свои идеи в теорию, которую назвал "принцип актуализма". Согласно его теории, процессы формирования горных пород в далеком прошлом и в настоящем ничем не отличаются.
В 1787 году Джеймс Хаттон обнаружил в слоях породы или пласте значительный сдвиг, который он назвал несогласным залеганием. Такой сдвиг - который теперь называется "несогласным напластованием Хаттона" - он наблюдал в разных точках Шотландии. Этот рисунок сделан в шотландском городе Джедборо. На нем показано, что старые слои породы сдвинуты и расположены почти вертикально, а новые горизонтальные образовались поверх них.
Хаттон утверждал, что камни формируются, когда рыхлые слои, например, ила или песка, оказываются погребенными под новыми осадочными отложениями. За долгое время они спрессовываются в твердый каменный массив. Мы называем такие породы осадочными, к ним относятся песчаники и известняки.
Даже камни не вечны. Отложения образуются разными способами, но чаще всего это осколки старых разрушающихся камней. Процесс разрушения, называемый эрозией, включает в себя сочетание химических и биологических процессов и физического воздействия ветра и дождя. Смываемые и сдуваемые пыль и песчинки образуют новые отложения. Процессы, описанные Хаттоном, происходили очень медленно, и это означало, что Земля уже далеко не молода.
Принцип актуализма Джеймса Хаттона подтверждается и современными представлениями о том, как породы формируются, изменяются и разрушаются. Этот цикл включает в себя не только магматические и осадочные породы, но и метаморфические, которые трансформируются под влиянием тепла и давления.
Нептунизм
По горячим следам "Теории Земли" Хаттона появилась альтернативная теория. Немецкий ученый Абраам Готлоб Вернер предположил, что земная твердь образовалась на дне моря.
Прежде чем работа Хаттона распространилась в научных кругах (широко не публиковалась до 1795 года), существовало два конкурирующих взгляда на образование земной толщи. Плутонисты (назвавшиеся так в честь римского бога подземного мира Плутона, который правил горячим царством вулканов) придерживались идеи, что она образовалась благодаря вулканической активности, при остывании лавы и магмы. Нептунисты, возглавляемые Вернером, почитали бога океана. Они утверждали, что земная твердь сформировалась постепенно на морском дне в результате выпадения в осадок и кристаллизации химических веществ, растворенных в морской воде. Этот процесс можно наблюдать как в лабораторных условиях, так и на примере скальных образований в подземных пещерах. Разве не могло то же самое происходить и на дне океана? Доказательств ни у кого не было. Споры продолжались и в XIX веке, пока не победили идеи плутонистов, ставшие частью более широкой теории Хаттона.
Абраам Готлоб Вернер предполагал, что изначально Земля представляла собой водяной шар с земной твердью в центре, которая постепенно разрасталась, пока планета не приобрела современный вид.
Вымирание
Хотя уже ни у кого не возникало сомнений, что окаменелости - это останки животных, населявших Землю в далеком прошлом, считалось, что они принадлежали тем же видам, которые живут сейчас. В 1796 году Жорж Кювье доказал обратное.
Кювье делал зарисовки, чтобы сравнить строение челюсти индийского слона (верхнее правое изображение) с челюстью вымершего вида мамонтов (нижнее правое изображение).
Кювье был экспертом в анатомии позвоночных и изучал ископаемые костные останки животных, похожих на носорогов и слонов. (Эти окаменелости были выкопаны недалеко от Парижа, что свидетельствовало о том, что в далеком прошлом дикая природа Франции значительно отличалась от современной.) Кювье смог доказать, что скелеты не принадлежали ни одному из видов животных, обитавших на планете в то время. Это было первым доказательством того, что виды животных могут вымирать. Кювье считал, что животные появлялись на Земле в несколько этапов, каждый из которых заканчивался катастрофой (он использовал слово "революция"), приводящей к их вымиранию. Другие считали это свидетельством, что жизнь на Земле может постепенно меняться, то есть эволюционировать.
Классификация облаков
Люк Говард был фармацевтом по профессии, но проявлял живой интерес ко многим другим научным областям, и в конце концов его мысли унеслись в облака.
Говард был англичанином, и потому имел предостаточно возможностей наблюдать за облаками всех видов и форм - спасибо переменчивому британскому климату. В 1802 году он впервые опубликовал "Эссе о видоизменениях облаков", которое в дальнейшем несколько раз переиздавалось.
На пейзаже Эдварда Кеньона изображен облачный день в Англии. Слоисто-кучевые облака нарисованы по эскизам Говарда, предоставленным художнику.
В эссе были описаны физические процессы, приводящие к формированию облаков, - испарение, насыщение и конденсация, с которыми Говард, работая в химической лаборатории, был хорошо знаком. Классификация облаков, составленная Говардом, имела большое влияние: он ввел названия облаков, которыми мы пользуемся до сих пор, хотя их классификация была расширена.
Оригинальные изображения из эссе Говарда об облаках 1849 года издания. Слева направо: облака собираются перед грозой; перистые облака над слоисто-кучевыми; когда слоистые облака достигают земли, образуется туман.
Говард выделил три основных типа облаков: перистые, кучевые и слоистые. Перистые облака легкие, тонкие и нитевидные. Говард утверждал, что перистые облака первыми появляются на ясном небе. Как правило, они находятся на большой высоте и кажутся неподвижными. Далее идут кучевые облака - они пышные и находятся низко, поэтому мы видим, как ветер гонит их по небу. И наконец слоистые облака, плотность которых Говард описал, как среднюю между перистыми и кучевыми. Слоистые облака находятся ниже всего. Говард дал им загадочное имя "облака ночи".
Облако состоит из крошечных капель воды, рассеянных в воздухе. Капельки формируются вокруг твердого ядра - это может быть пылинка или кристаллик льда, парящие в воздухе. Когда влажность воздуха повышается - или температура падает, - водяной пар конденсируется и капли становятся больше. Со временем они становятся слишком тяжелыми, чтобы плыть по небу, поэтому проливаются на нас дождем.
Облако - это так называемая коллоидная смесь, в которой компоненты распределены равномерно, но один из компонентов (молекулы воды) гораздо больше другого (молекул воздуха). Эта структура рассеивает свет таким образом, что мы видим однородный белый цвет. Дождевые облака кажутся нам темными и серыми, потому что солнечный свет отражается от них вверх, в противоположную от наших глаз сторону.
В эссе рассматривался также и смешанный тип облаков, например, когда перистые облака опускаются вниз, появляются перисто-кучевые и перисто-слоистые. Говард писал, что слоисто-кучевые облака похожи на грибы. Облака, состоящие из всех трех типов, получили более простое название - дождевые. Дождевые облака интересуют людей больше всего, потому что, по словам Говарда, только они несут осадки.
Скорость ветра и ураганы
К началу XIX века путешествия через океан стали обычным делом. Тем не менее они по-прежнему были опасными. В 1805 году ирландский моряк Фрэнсис Бофорт разработал систему оценки погодных условий, чтобы мореплаватели знали, когда можно продолжать путь, а когда пора искать убежище.
Сверху: Фрэнсис Бофорт произвел на британское Адмиралтейство настолько сильное впечатление, что после отставки из флота его назначили гидрографом ВМФ.
Снизу: оригинал документа, в котором описана шкала силы ветра Бофорта.
Фрэнсис Бофорт не только продвигался по карьерной лестнице Королевского флота, но и был специалистом в новой научной области - гидрографии. В 1795 году британское правительство впервые учредило должность гидрографа, на которую был назначен Александер Далримпл. Его задачей было измерить и изучить океан - очертания береговых линий, глубину морского дна - и собрать сведения, которые помогут сделать судоходство безопасным. В начале XIX века Бофорт командовал военным кораблем, сопровождавшим торговые суда, которые возвращались в Британию из Индии после долгого плавания. Во время этого похода Бофорт изобрел шкалу ветров, которая теперь называется также шкалой Бофорта. Ей пользуются до сих пор, особенно в экстремальных погодных условиях, например, чтобы быстро определить силу шторма - штормовой ветер (9 баллов) или ураган (12 баллов). Однако разумеется, в распоряжении современных моряков есть более подробная метеорологическая информация.
Шкала делит силу ветра на 13 "сил", в зависимости от его скорости и наблюдаемых условий. Например, 0 баллов - это полное безветрие, 3 балла - легкий бриз скоростью до 19 км/ч, который создает белые барашки на поверхности океана. При силе в 7 баллов скорость ветра достигает 50-61 км/ч, море волнуется, гребни волн разбиваются в брызги. На суше в такую погоду человеку трудно ходить. У большинства людей 7 баллов на море вызовут беспокойство, тогда как для бывалого моряка это всего лишь ветер средней силы. 8 и 9 баллов - штормовой ветер со скоростью до 88 км/ч, 10 баллов - сильный шторм, ветер достигает скорости 102 км/ч. На суше такие ветры - редкое явление, они вырывают деревья с корнем, а море от них становится белым от пены. Шкала заканчивается 12 баллами - ураганом со скоростью ветра 118 км/ч и более, когда море полностью покрывается пеной.
Принцип работы шкалы Бофорта преимущественно основан на силе ветра и погодных явлениях, но все же точный анемометр тоже очень важный инструмент. В 1846 году ирландский изобретатель Томас Ромни Робинсон разработал новую версию анемометра с четырьмя чашками и счетчиком, который подсчитывал количество вращений. Изогнутая поверхность чашек создавала аэродинамическую силу, обеспечивающую ровное вращение устройства и точные показания прибора.
Ископаемые находки
Доказав, что древние виды растений и животных отличались от современных, Жорж Кювье рассказал нам историю Земли через окаменелости.
В конце XVIII века Кювье открыл, что виды растений и животных могут вымирать. После этого он много лет проработал с Александром Броньяром, горным инженером, вместе с которым они составили карту окаменелостей, найденных в окрестностях Парижа. Броньяр работал минералогом в городском горном училище, исследовал горные породы, залегающие в регионе. Опираясь на труды Стено, Броньяр составил карту горных пород, и дополнил ее данными об окаменелостях, найденных в каждом слое.
В 1808 году Кювье и Броньяр были готовы продемонстрировать первые результаты совместной работы, однако финальный отчет был представлен публике только в 1811 году. Они нашли ископаемые, которые доказывали, что Северо-Французская низменность периодически менялась, становясь то морским дном, то сушей, то пресным водоемом. Кювье видел в этом доказательство своей теории катастроф, а кроме того, это стало обоснованием концепции биостратиграфии. Биостратиграфия занимается определением геологического возраста осадочных пород (по крайней мере, по отношению друг к другу), изучая распределение ископаемых останков организмов в этих породах.
Уильям Смит одним из первых создал геологическую карту в 1815 году и подробно описал ископаемые, найденные в разных слоях пород.
Более поздние работы в этой области открыли "руководящие окаменелости", или формы жизни, наиболее часто встречающиеся в породах определенного возраста. Возраст горной породы, найденной в Америке, будет приблизительно равен возрасту породы, найденной в Китае, если в них присутствует одинаковая руководящая окаменелость. Таким образом, можно использовать окаменелости, чтобы сопоставлять геологические образования по всему миру и узнавать о далеких событиях длинной истории нашей планеты.
Палеонтологическая летопись основана на принципе преемственности фауны, согласно которому останки живых организмов (как флоры, так и фауны) появляются в определенных слоях, причем более древние виды залегают глубже, чем более новые. Следовательно, останки человека не могут находиться в том же слое, где находятся останки динозавра. Впрочем, в результате геологических процессов молодые слои пород могут изгибаться так, что оказываются под более древними.
Климатология
Барон Александр фон Гумбольдт, немецкий географ и путешественник, совершил множество экспедиций, что дало ему возможность наблюдать за климатом в разных частях света. Так появилась наука о климате.
Уильям Ченнинг Вудбридж создал эту карту климатических зон на основе изотермических данных, предоставленных Гумбольдтом.
Фридрих Вильгельм Генрих Александр фон Гумбольдт был родом из Пруссии, немецкоязычного государства, которое некогда простиралось от Северного моря вдоль Балтийского побережья до границы с Россией. Мировые события стали причиной того, что этого государства больше нет на карте. Однако имя Гумбольдта встречается на картах повсюду. В честь него названы 17 географических объектов (заливы, водопады, пещеры и т. д.), а также примерно столько же городов; по меньшей мере 4 университета, десятки средних школ и даже океанское течение, текущее на север вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки. Что же такого сделал этот эрудит XIX века, чем заслужил все эти почести? Во-первых, свои главные экспедиции (1799-1804) он совершил в Америку, где в то время у многих объектов не было европейских названий. Кроме того, Гумбольдт положил начало нескольким новым научным областям, таким как биогеография и климатология, а также наблюдению за изменениями магнитного поля Земли.
Биогеография изучает то, как распространение животных и растений в разных точках планеты связано с климатом. Чтобы разобраться в этом, Гумбольдт объединил биологию, геологию и исследования климата. В течение многих лет он анализировал сведения, собранные во время экспедиций в Америку, и сводил их с данными из других источников, чтобы в итоге получить глобальную географическую картину.
Александр фон Гумбольдт создал карту произрастания растений на склонах высокого вулкана Чимборасо в Эквадоре, отмечая, как изменяется флора по мере того, как с увеличением высоты погодные условия становятся хуже.
В 1817 году он первым стал наносить на карты изотермические линии, соединяющие точки на Земле с одинаковой средней температурой. На изотермических картах показаны температурные пояса, которые окружают земной шар, разделяя его на климатические зоны. (Однако первые изотермические карты были довольно примитивными.) Гумбольдт описал самые теплые зоны вокруг экватора как жаркий пояс. К северу и югу от экватора шли горячий, теплый, умеренный, холодный, ледяной и пояс вечной мерзлоты. С тех пор, как все крупные части суши были открыты и картографированы, первая изометрическая карта положила начало климатологии, науке, изучающей особенности погодных условий в разных уголках планеты.
На картине 1810 года Александр фон Гумбольдт стоит у подножия Чимборасо, вулкана в Эквадоре. Из-за того, что земной шар имеет форму эллипсоида, вершина этой горы - самая отдаленная от центра Земли точка на поверхности планеты.
Гумбольдта очень интересовало то, как в разных климатических зонах обитают разные виды растений и животных. Сегодня научные исследования в этой области нашли отражение в идее биомов - климатических зон, отличающихся по типу растительности. Помимо средней температуры, они имеют и другие характеристики, такие как атмосферные осадки и сезонные изменения. Хорошо известные нам биомы - это тропические леса и пустыни (по Гумбольдту они находятся в жарком поясе), тундра и степь (в холодных и сухих районах).
Карты современного климата и биогеографических областей становятся ценным ориентиром для палеонтологической летописи. Ископаемые находки показывают изменения мест обитаний растений и животных в геологическом прошлом (как обнаружил Кювье в Париже), а кроме того, климатические сдвиги. Эти размышления вдохновили Чарлза Дарвина, который через пару десятков лет прошел по следам экспедиции Гумбольдта и заинтересовался происхождением разнообразных форм жизни. Других ученых больше интересовало, чем вызваны изменения в климатических зонах. Не потому ли это происходит, что на планете становится более тепло или холодно, более влажно или сухо? Или, возможно, те земли, которые располагаются в жарком экваториальном поясе, в далеком прошлом находились в другом месте на поверхности Земли? Все эти вопросы требовали ответов.
"Базальтовые призмы Санта-Мария-Регла в Мексике" - такую запись сделал Александр фон Гумбольдт в своем путевом дневнике во время путешествия в эту страну в 1803 году.
Синоптические карты
Хорошо знакомые нам карты погоды, которые печатают в газетах или показывают после выпуска новостей по телевизору, основаны на синоптических картах, впервые разработанных Генрихом Брандесом в 1820-х годах.
Немецкий ученый Генрих Брандес внес большой вклад в метеорологию: он не только подарил нам карту погоды, но и исследовал погодные явления. Брандес окончил университет в 1800 году и погрузился в изучение астрономии (помимо прочих его интересов). Он установил, что метеоры - или "падающие звезды" - находятся так высоко в атмосфере, что никак не влияют на погодные явления на поверхности Земли. Это наблюдение помогло ему сделать второе большое научное открытие - спустя 20 лет Брандес доказал, что метеорология не имеет отношения к метеорам.
Старейшая метеорологическая карта США, созданная в 1843 году, с прогнозом на 30 января. Ее составил Джеймс Поллард Эспи для медицинской службы армии США.
Тем не менее термин "метеорология" остался, хотя Брандес использовал термин "погодные условия", так что название не слишком его волновало. Сегодня он считается отцом "синоптической метеорологии", но известен лишь в профессиональной среде синоптиков.
Слово "синоптический" происходит от древнегреческого языка и означает "увиденное в целом". Синоптическая карта, впервые опубликованная Брандесом в книге "Вклад в метеорологию", - это масштабная сводка (или синопсис) погодных условий в определенный момент времени недавнего прошлого. Но диаграмма Брандеса была неточной. В то время возможности наблюдать за погодными условиями на большой территории и сопоставлять полученные сведения были ограничены. Современная синоптическая карта охватывает область земной поверхности радиусом около 1000 км и содержит данные о температуре, направлении и скорости ветра и атмосферном давлении в разных точках. На карте могут присутствовать и другие показатели, например облачность. Представленное таким образом описание метеорологических условий позволяет в дальнейшем прогнозировать изменения погоды.
Метеосводка Восточного побережья США на 12 марта 1888 года, 22:00, показывает прохождение урагана, который привел к Великой метели 1888 года, также известной как Снежная буря.
Динозавры
В 1822 году во время раскопок в Англии было сделано открытие, которое изменило наше представление о естественной истории. Далекое прошлое было совсем не похоже на привычный нам мир: тогда на Земле царили существа, похожие на гигантских ящериц!
Как видно на этом изображении, раньше считалось, что игуанодоны ходили на задних ногах, в то время как передними они добывали себе пищу. В действительности большую часть жизни они проводили на всех четырех конечностях.
Сегодня мы знаем, что эти древние животные принадлежали к отдельной группе наземных пресмыкающихся. В 1842 году они получили подходящее название - динозавры, - образованное от двух греческих слов, буквально означающих "ужасный ящер". Людям и раньше случалось находить кости и зубы динозавров, но они понятия не имели об их происхождении. В Древнем Китае их называли "костями драконов".
Мэри Эннинг собирала и продавала окаменелости в Лайм-Риджис, на южном побережье Англии, где скалы богаты ископаемыми. Она стала специалистом по поиску вымерших морских рептилий, таких как рыбоподобный ихтиозавр. В то время женщина, да еще и без университетского образования, не имела доступа к научной жизни. Но современное научное сообщество высоко оценивает сделанные ею открытия и выводы, которые впоследствии сыграли немаловажную роль в развитии науки.
Среди ископаемых находок преобладали моллюски и ракообразные, их богатые минералами раковины сохранились в отложениях, которые могли сформировать целые пласты известняковых и меловых пород. Когда палеонтологи начали работать более методично, стало ясно, что среди раковин были останки скелетов огромных животных, включая гигантских рептилий, которые когда-то населяли Землю. Одними из первых были обнаруженные в 1811 году ихтиозавры, которых считают отдельным от динозавров и рептилий видом.
Мэри Эннинг вместе с Вильямом Баклэндом изучали фекалии динозавров и других вымерших животных. Окаменелые экскременты называются копролитом.
Гидеон Мантелл, английский палеонтолог, работал в богатом ископаемыми карьере в Сассексе. Там он обнаружил зуб, а затем большую часть скелета животного, по которым он идентифицировал первого динозавра. Это был наземный гигант с зубами как у современной игуаны, поэтому Мантелл назвал его игуанодон (в переводе "зуб игуаны"). Со времен Мантелла интерес людей к динозаврам не угасает. Однако несмотря на их название, ближайшие родственники динозавров на самом деле не ящерицы, а крокодилы.
Сегодня известны более 1000 ископаемых видов, и, возможно, еще больше только предстоит открыть. Считается, что динозавры вымерли около 66 миллионов лет назад. Но 10 000 видов динозавров до сих пор живут припеваючи - просто мы называем их птицами.
Основные начала геологии
Поначалу передовые теории Джеймса Хаттона о формировании горных пород из наносов и отложений не привлекли к себе большого внимания. Все изменила книга, вышедшая в 1830 году и ставшая бестселлером.
Титульный лист книги Лайеля, полное название которой звучит так: "Основные начала геологии: попытка объяснить прошлые изменения поверхности Земли путем соотношения с причинами, ныне действующими".
Книга называлась "Основные начала геологии", в ней автор Чарльз Лайель развил идеи из книги Хаттона "Теория Земли", написанной 45 лет назад. Последняя часть этого трехтомного труда вышла в 1833 году. Подход Лайеля заключался в использовании принципа актуализма, согласно которому мы можем понять, как сформировались древние скалистые образования, рассматривая глобальные процессы, происходящие в настоящем. Хотя Лайель не претендовал на господство своей теории и был раскритикован за теоретический характер идей, не подкрепленных доказательствами, его книги оказали большое влияние на общественное сознание. Поклонниками трудов Лайеля были Роберт Фицрой, офицер военно-морского флота и один из первых синоптиков, и его друг Чарлз Дарвин.
Ледниковые периоды
Туристы, приезжая в долины Альп или других горных цепей, удивляются, когда видят посреди поля или деревни гигантские валуны. Как они туда попали? Ответ на этот вопрос раскрыл еще одну тайну прошлого Земли.
Ледник, также известный как полярный ледяной щит, медленно растет за счет тонких слоев льда, формирующихся на его поверхности год за годом. Эти слои напоминают годичные кольца деревьев. При бурении вглубь слои льда могут помочь определить возраст ледника. Луи Агассис сделал это в 1840-х годах с помощью земляного бура, изображенного на фотографии. С тех пор технология бурения ледников шагнула далеко вперед. Ледяные керны представляют собой капсулы времени - наряду с возрастом ледника, они могут рассказать нам, какие вещества присутствовали в воздухе и воде, когда формировался тот или иной слой. Они также могут содержать следы вулканической пыли и других катаклизмов или пузырьки древнего воздуха, по которым мы можем узнать уровень углекислого газа в прошлом.
Люди, живущие в горах, говорят, что камни принесло ледником, медленно спускающимся с вершин. Передний край ледника в конце концов тает, перемещая вместе со льдом большое количество булыжников и щебня разных размеров. Так образуются каменистые скопления, называемые мореной. В XVIII веке европейские исследователи обнаружили в Альпах и в полях далеко от ледников мореновые образования. Очевидно, что в какой-то момент далекого прошлого туда их принес лед. Такое объяснение предложил Джеймс Хаттон.
На этой карте 1885 года показано озеро Агассис, большое древнее ледниковое озеро, названное в честь главного исследователя ледников, некогда оно покрывало часть Канады.
В 1824 году датско-норвежский геолог Йенс Эсмарк предположил, что климат земного шара изменялся, создавая периоды холода, во время которых ледники разрастались. Геологи размышляли над этой идеей, периодически приводя новые доказательства существования древних оледенений. В 1830-х годах немецкий ботаник Карл Фридрих Шимпер провел много дней в горах, собирая информацию для исследования мхов, но переключил внимание на валуны, на которых эти мхи росли.
Открытие ледниковых эпох началось с ученых, которые, отправившись в отпуск в горы Европы, посетили долины ледников.
Шимпер полагал, что камни - свидетельства ледникового периода. Он поделился своими соображениями с другом, швейцарским ученым Луи Агассисом, и они стали работать вместе. В 1837 году Шимпер ввел термин "ледниковый период" для обозначения мирового оледенения, в этом же году Агассис представил их теорию Швейцарскому натуралистическому обществу. Теория была встречена в штыки, так как противоречила общепринятому представлению, что мир со времени своего огненного сотворения постепенно остывал. Агассис решил доказать, что критики их теории не правы, и в 1840 году опубликовал "Исследования ледников", не упоминая ни Шимпера, ни кого-либо другого. Это привело к ссоре двух друзей. Теорию полностью приняли только в 1875 году, когда вышла книга Джеймса Кролла "Климат и время в их геологической связи".
В 1920-х годах сербский геофизик Милутин Миланкович предложил теорию циклов, возникающих при колебании вращающейся вокруг своей оси Земли, а также от ее постепенного сдвига по орбите. Эти явления усиливают действие друг друга. За тысячи лет они создают циклические колебания количества солнечного света, достигающего Земли. Результатом являются ледниковые эпохи и суровые климатические условия.
Атмосферные фронты
Погодные изменения происходят, когда сталкиваются разные по температуре воздушные массы. Место их столкновения называют фронтами - относительно современная идея, уходящая корнями в далекое прошлое.
Советская метеорологическая карта показывает область высокого давления над западной частью России и Северной Европой. Области высокого давления связаны с теплыми атмосферными фронтами.
Синоптики в своих прогнозах часто употребляют выражение "атмосферный фронт". Это понятие закрепилось в 1920-е годы, по большей части благодаря метеорологам норвежской школы, которые были прекрасно знакомы с непогодой. Однако ключевая идея была сформулирована еще в 1841 году Элиасом Лумисом: такие погодные явления, как дождь или град, возникают, когда стена теплого влажного воздуха встречается с зоной холодного и сухого воздуха, идущей ей навстречу. Лумис был математиком, поэтому неудивительно, что в те времена метеорологи не обратили на его идею должного внимания.
В своей книге "Трактат по метеорологии" 1880 года Элиас Лумис описал жизненный цикл водяного смерча (торнадо в океане), состоящий из пяти этапов: формирование темного пятна на поверхности воды, спиральный узор на воде, формирование каскада у основания водяного смерча, развитие видимой конденсационной воронки и, наконец, разрушение вихря.
Атмосферные фронты наиболее активны к северу и югу от тропического и экваториального поясов. Холодные фронты движутся с запада на восток, в то время как теплые - к Северному или Южному полюсам. Холодные фронты, подгоняемые более плотным воздухом, чем теплые, перемещаются быстрее и несут с собой проливные дожди. В свою очередь, при прохождении теплых фронтов выше вероятность образования тумана.
Геохронологическая шкала
В середине XVIII века идея о том, что горные породы и содержащиеся в них окаменелости рассказывают о геологических событиях прошлого, устоялась окончательно. В 1841 году Джон Филлипс обобщил все имеющиеся сведения, чтобы полностью воссоздать историю нашей планеты.
Джона Филлипса воспитывал дядя Уильям Смит, известный британский геолог.
Работы Стено, Кювье и Мантелла (и многих других ученых) позволили накопить внушительный объем знаний об относительном возрасте разных пород. На Филлипса больше всего повлияла работа Уильяма Смита, горного инженера, ставшего геологом. Он был дядей Филлипса по материнской линии и обучал племянника картографии. Филлипс сделал карьеру палеонтолога и куратора в университете, а в 1840 году он участвовал в геологическом исследовании Великобритании. Тогда он заинтересовался палеозойскими (что означает "древняя жизнь") окаменелостями. Через год Филлипс опубликовал первую геохронологическую шкалу. Он разделил прошлое планеты на периоды: самым древним был палеозойский; более поздние окаменелости, такие как останки динозавров, принадлежали веку рептилий; за ним шел век млекопитающих, и, наконец, наше время. В дальнейшем Филлипс ввел новые термины: век рептилий назвал мезозойским периодом ("средняя жизнь"), а век млекопитающих - кайнозойским периодом ("новая жизнь").
До Филлипса прошлое делили на отрезки по разным признакам. Одна из схем, предложенная Гидеоном Мантеллом (который обнаружил первого динозавра) включала в себя век рептилий.
Система, разработанная Филлипсом, легла в основу современной геохронологической шкалы. Три периода, выделенные ученым, теперь называются эрами, эры разделены на 12 периодов с характерными ископаемыми находками. Семь более ранних эпох включают в себя историю Земли до возникновения сложных форм жизни.
Руководство по минералогии
В 1848 году американский геолог Джеймс Дуайт Дана опубликовал "Руководство по минералогии", первый справочник, дающий исчерпывающую информацию о минералах, встречающихся в природе.
Оригинальная диаграмма из "Руководства по минералогии" Даны показывает разнообразие форм кристаллов в минералах.
Горные породы - это, по сути, комплекс минералов. Если понять физико-химическую природу этих соединений, можно догадаться, как они образовались. Сложность заключается в том, чтобы отличить один минерал от другого, особенно когда они представляют собой мельчайшие крупицы в камнях, - это не только целая наука, но еще и искусство. Книга Даны была первой попыткой проникнуть в этот сложный мир. В книге каждый минерал определяется по нескольким характеристикам - от цвета и твердости до кристаллической структуры и химического состава. К нашему времени на смену методам Даны пришла классификация минералов Никеля-Штрунца.
За пределами континентального шельфа
В 1807 году президент Томас Джефферсон отдал приказ береговой службе нанести на карту береговые линии и отметить глубину морского дна вокруг США. В 1840-е годы во время исследования траектории движения Гольфстрима исследовательская группа сделала важное открытие.
Морское дно неоднородно: здесь, как и на суше, есть горы, вулканы и каньоны.
Береговая служба США измеряла глубину с помощью лота. Традиционно длинную и тонкую веревку со свинцовым грузилом на конце выбрасывали за борт лодки. Грузило опускалось вниз, пока не достигало дна. Если почти двухметровой (183 см) веревки не хватало, значит глубина была равна одной морской сажени. Вообще говоря, глубина прибрежных вод была больше, она увеличивалась с удалением от берега, достигая примерно 150 саженей.
В 1920-х годах сербский геофизик Милутин Миланкович предложил теорию циклов, возникающих при колебании вращающейся вокруг своей оси Земли, а также от ее постепенного сдвига по орбите. Эти явления усиливают действие друг друга. За тысячи лет они создают циклические колебания количества солнечного света, достигающего Земли. Результатом являются ледниковые эпохи и суровые климатические условия.
Чтобы обслуживать потребности растущего флота, были изобретены несколько вариантов механического лота. Самый удачный экземпляр был создан в 1802 году часовщиком из Англии Эдвардом Мэсси. Лот и грузило также крепились к веревке и тянули ее ко дну. При погружении на глубину вода проходила через небольшой ротор, который крутился как диск, отсчитывая увеличение глубины. При достижении морского дна счетчик останавливался, и его поднимали вверх, чтобы снять показания.
Для безопасной навигации в прибрежных водах нужна была хорошая морская карта, которая бы показывала глубокие проливы, чтобы корабли не садились на мель. Однако промер глубины лотом возможен не везде, в море далеко от берега трос вряд ли достигнет дна - открытый океан слишком глубок. Даже сегодня обладая радиолокационным и ультразвуковым оборудованием, мы не можем распознать все, что меньше 5 км. Тем не менее в 1849 году береговая служба США, измеряя глубину механическими лотами для большей точности, обнаружила, что дно океана вдоль восточного побережья напоминает шельф, - относительно плоская поверхность, резко уходящая на глубину, которую не берет ни один измерительный прибор. Мелководная часть - это континентальный шельф, который, как обнаружили американские геодезисты, переходит в континентальный склон. Это были только предпосылки открытия абсолютно нового подводного ландшафта.
Морское дно, омываемое прибрежными водами, является частью материка. Океаническая кора значительно тоньше - отсюда и необъятный океанический бассейн, наполненный водой. Континентальный склон представляет собой границу между двумя типами земной коры, он соединяет мелководье побережья с глубоким океаном. Протяженность континентальных шельфов от берега может достигать 320 км, прежде чем начнется так называемая бровка, или "разлом шельфа". Если осушить воды океана, край шельфа станет самой ярко выраженной границей на земной поверхности.
Глубина континентального склона может достигать по меньшей мере 2000 м, дальше начинается подножие материка. Это более пологий склон с плоским дном глубиной около 6000 м (глубже только океанические впадины), который ведет к ложу океана. Подножие материка, как правило, состоит из отложений, намытых с шельфа миллионы лет назад, или из осевших в результате подводных землетрясений.
Океанические течения
Обдумывая, как систематизировать сбор данных о ветрах и погоде на море, американский "морской следопыт" придумал, как составить более точную карту океанических течений. Все, что ему требовалось, - сотрудничество со стороны кораблей.
Знания Мэтью Фонтейн Мори об океанических течениях были проверены, когда в 1860-е годы военный корабль США пропал без вести во время шторма. Мори рассчитал, где окажутся выжившие и направил спасателей в нужную точку. Его прогноз был идеально точным!
Точная информация о ветре и средние показатели погоды, ожидаемые в разных регионах, были на вес золота для судов, отправляющихся в плавание. Мэтью Фонтейн Мори, начальник Депо карт и приборов военно-морского флота США (участвовал в первом кругосветном плавании вокруг Земли, организованном США), прекрасно понимал, что сведения, которыми располагали корабли, были крайне ненадежными. По настоянию Мори в 1853 году в Брюсселе (Бельгия) состоялась первая встреча Международной морской конференции. Участники конференции приняли единые стандарты метеорологических бортовых наблюдений и, что особенно важно, договорились, как они будут делиться этой информацией между собой.
На карте мира 1696 года Иоганн Зан попытался изобразить океанические течения.
Инициатива Мори привела к созданию метеорологической базы данных, содержащей сведения о погоде со всего мира. Все началось с систематизации сведений о температуре воздуха и моря, начатой Мори в 1850-х годах, с тех пор эти сведения расширялись и пополнялись новыми, а сегодня мы, используя все эти данные, можем говорить об изменении климата.
Карта основных океанических течений. Серыми стрелками показаны теплые течения, которые текут из тропических областей, черными стрелками отмечены холодные течения из полярных областей.
Многообещающая морская карьера Мори была прервана - в 1839 году он получил тяжелую травму ноги. Тогда он принялся жадно собирать информацию о погодных условиях в океане с целью создать более точные навигационные карты для тех, кто может выходить в море. Важной составляющей его работы было изучение природы океанических течений, или, как называл их Мори (глубоко верующий человек), "Морских Стезей" - так они описаны в Псалмах.
Конференция Мори 1853 года в Брюсселе переросла в современную Всемирную метеорологическую организацию, входящую в состав ООН со штаб-квартирой в Женеве.
Он изучал старые бортовые журналы, по крупицам собирая важную информацию из более чем миллиона источников, чтобы создать подробное описание скорости и направления океанических течений в разное время года, а также влияния ветров на прохождение вдоль них. Он даже отслеживал движения китов в надежде, что они покажут путь в Арктику, свободный ото льда, но, к сожалению, надежды Мори не оправдались. В 1851 году он представил результаты своих исследований в публикациях "Наставления мореплавателям" и "Физическая география моря и его метеорология". Они раздавались бесплатно американским кораблям, готовым вести ежедневный отчет о погоде, а также размещать утяжеленные бутылки, известные как "дрифтерные бутылки" в указанных Мори местах. Они плавали в воде чуть ниже поверхности и не были подвержены воздействию ветра. Бутылки, найденные другими кораблями в море или вдоль побережья, отправляли обратно Мори, а он, используя координаты начальной и конечной точки, совершенствовал карту океанических течений.
Сородичи человека
Среди ископаемых останков вымерших диковинных животных палеонтологи случайно обнаружили останки древних людей. Проведенный в 1856 году анатомический анализ показал, что кости были необычные.
Останки древних людей часто находят в пещерах, где их никто не тревожил тысячелетиями. Это привело к идее "пещерного человека", и хотя наши предки не жили в пещерах постоянно, в них с большой долей вероятности можно обнаружить останки.
В 1829 году в пещере Анжи в Бельгии была обнаружена часть человеческого черепа. Затем в 1848 году был выкопан цельный череп в карьере Гибралтара. Предполагалось, что это останки такого же человека, как мы с вами, Homo Sapiens, с той лишь разницей, что он жил на Земле много тысяч лет назад. Следующее открытие показало еще кое-что любопытное. В 1856 году в пещере долины Неандер, или Неандерталь, в западной части Рейнской области Германии нашли часть человеческого скелета. Образец неандертальца состоял из черепного свода, двух бедренных костей, трех костей правой и двух левой руки, а также фрагментов таза, плеча и ребер. Натуралист Иоганн Карл Фульрот и антрополог Герман Шаафгаузен доказали, что останки принадлежат виду, похожему на наш, но не без оговорок. Исследования продолжались. В 1864 году наши вымершие родственники стали известны как неандертальцы, или Homo neanderthalenis. Более ранние находки в Анжи и Гибралтаре тоже были причислены к неандертальцам, жившим в Европе примерно 37 000 лет назад, часть времени деля территорию с представителями современных людей. На сегодняшний день было идентифицировано более десятка вымерших человекоподобных видов, некогда проживающих на территории Африки, Европы, Азии и островов Индо-Тихоокеанской области.
Прогноз погоды
Способность предсказать погоду на завтра помогает многим из нас определиться с планами - провести день на пляже или взять с собой плащ. Но раньше от метеопрогнозов зависела жизнь людей.
Метеорологическая карта 1880-х годов для Северной Европы. Изогнутые линии представляют собой изобары, они соединяют точки с одинаковым атмосферным давлением. Карты показывают, как за день меняются погодные условия, и могут быть использованы для будущего прогноза.
Термин "прогноз" ввел английский морской офицер Роберт Фицрой. Фицрой был протеже Франсуа Бофорта, чью шкалу силы ветра успешно применяли для оценки морских условий в данный момент, но при этом она не могла подсказать, что будет дальше. В 1854 году Фицрой ушел в отставку и учредил метеорологическую службу для британского правительства. Служба собирала унифицированные сведения о погоде, предоставляемые британскими судоходными компаниями, чтобы включить данные о климате в морские карты.
В этом же году сильный шторм обрушился на Черное море. Вспомогательные суда, которые везли провиант для французских и британских войск, сражавшихся с русскими в Крымской войне, пропали без вести. Французский астроном Урбен Леверье доказал, что движение шторма на восток через Европу прослеживалось в сводках погоды, сопоставленных после инцидента. Если бы из этих метеоданных можно было составить синоптическую карту в течение нескольких часов, а не недель, можно было бы избежать потери крымского флота. Тогда для передачи наблюдений в новые метеорологические обсерватории была запущена телеграфная сеть (недавно изобретенная). Метеослужба Фицроя стала первой в мире службой прогнозирования погоды, которая проработала многие годы. К 1861 году она стала передавать предупреждения об опасных явлениях погоды при помощи телеграфа и публиковала суточный прогноз в лондонской газете Times (что делает до сих пор).
Прежде чем стать синоптиком, Роберт Фицрой командовал кораблем Его Величества "Бигль". Это был небольшой бриг-шлюп, используемый для морских исследовательских экспедиций. Во время второго путешествия (1831-1836) Фицрой совершил на нем кругосветное плавание через мыс Кейп Хорн, Новую Зеландию и Австралию. Он взял с собой гражданского спутника Чарлза Дарвина, который сравнивал и сопоставлял животных со всего земного шара. Это занятие вдохновило его на создание теории эволюции.
Изучение высоты
Погода - это атмосферное явление, и чтобы понять ее, имеет смысл подняться в воздух и рассмотреть поближе атмосферу. Два первых исследователя воздушного пространства так и сделали.
В 1862 году Британская ассоциация развития науки предложила организовать экспедицию для изучения "воздушного океана". Генри Коксвелл, главный аэронавт страны, был назначен для полета на огромном водородном воздушном шаре (2600 м3), он должен был подняться выше, чем кто-либо до него. С ним в команде был ученый Джеймс Глейшер, он использовал барометр для измерения высоты (которая увеличивалась вместе с падением атмосферного давления), а также строил диаграмму соответствующего падения температуры.
Путешествие Коксвелла и Глейшера на шаре по "воздушному океану" могло обернуться катастрофой, так как они поднялись на высоту с разреженным воздухом, несовместимую с жизнью.
Члены команды также взяли с собой на борт шесть почтовых голубей, планируя отпускать их по одному по мере набора высоты. Огромный воздушный шар поднялся очень быстро, и команда оказалась над облаками уже через 12 минут. Все шло хорошо, экипаж восхищался невероятным видом облачного покрова - что-то подобное люди видят сегодня из иллюминатора самолета, но в те времена это было в новинку. На высоте 4,83 км Глейшер начал отпускать голубей. На высоте 6,44 км было видно, что голубю тяжело лететь, а на высоте 8 км птицы просто падали вниз. На этом участке Глейшер доложил, что его мутит, он хотел предупредить Коксвелла, но потерял сознание. Коксвелл был моложе Глейшера, и поэтому меньше пострадал: у него лишь онемели руки. Ему удалось открыть зубами предохранительные клапаны, чтобы выпустить водород, и в течение 20 минут воздушный корабль вернулся на землю, оба члена экипажа остались живы. Анализ, проведенный позднее, показал, что ученые поднялись на высоту в 11,3 км, значение близкое к современной крейсерской высоте реактивного самолета и гораздо выше горы Эверест. На такой высоте человеческий организм испытывает сильный стресс из-за недостатка кислорода. Атмосферное давление наверху равно лишь пятой части от значения давления на уровне моря, а разреженный воздух почти не способен удерживать тепло, поэтому максимальная температура равна -40 °C.
Первые воздушные шары, способные перевозить пассажиров, были построены французскими братьями Монгольфье. В 1783 году на борту судна из бумаги и шелка полетели первые аэронавты: овца, утка и петух, специально отобранные по физическим показателям. На утку высота не действует, петух - птица, которая не может летать высоко, а овца и вовсе не умеет. За восьмиминутный полет никто из животных не пострадал.
Ураган
Организация, ставшая впоследствии Национальной метеорологической службой, была создана в 1870 году и уже через три года выпустила первое предупреждение об урагане. С тех пор служба занимается исследованием этих штормовых гигантов.
Самые сильные ветры находятся в "стене глаза", необъятном кольцевом облаке, которое окружает глаз - чистую зону со слабыми ветрами и ясным небом в самом центре бушующего шторма.
Президент Улисс Грант основал Бюро погоды США, чтобы "обеспечить проведение метеорологических наблюдений на военных базах внутри континента и в других точках штатов и территорий... и уведомить о приближающемся шторме и его силе на северных озерах или морском побережье с помощью телеграфа и морских сигналов". Новая организация находилась под эгидой министра обороны: чтобы получить результат, требовалась жесткая дисциплина. (С тех пор Бюро претерпело множество изменений, теперь это Национальная метеорологическая служба, часть Национального управления океанических и атмосферных исследований.)
В 1870-е годы океанские суда были плохо оборудованы, чтобы выдержать ураган.
Главный метеоролог Кливленд Эббе уже начал делать прогнозы погоды на основе данных, присылаемых ему через "Вестерн Юнион", объединение телеграфных линий на западе США, и Торговую палату Цинциннати. Эббе настойчиво "обрабатывал" своих начальников, чтобы те предоставили ему все необходимое для изучения погодных явлений, чтобы он мог предсказывать их.
В июне 1873 года Бюро получило сведения о шторме, проходящем через Карибское море. Казалось бы, ничего страшного, но уже в августе сильный ураган поднялся над Восточным побережьем и затих только у острова Ньюфаундленд. А в сентябре еще два урагана обрушились на Флориду. В те времена ведущим специалистом по ураганам был кубинский священник Бенито Вайнз, который управлял метеорологической обсерваторией в Гаване. В 1877 году он опубликовал работу, в которой описал, как предсказать приближение урагана по движению волн и облаков, но это не принесло особой пользы. 1893 год стал самым смертоносным в истории США из-за серии сильных штормов, захвативших Восточное побережье. В 1898 году Бюро перенесло ураганный центр из Кингстона (Ямайка) в Гавану (Куба), которая более подвержена ураганам. Спустя два года ураган, обрушившийся на Галвестон (штат Техас), унес жизни по меньшей мере 8000 людей.
Эффект, названный в честь японского метеоролога Сакухэя Фудзивары, который описал его в 1921 году, возникает, когда два циклона подходят довольно близко друг к другу и ветры притягивают их так, что они начинают вращаться один вокруг другого. Затем штормы меняют направление и в конце концов сливаются в один более крупный и опасный ураган. Этот эффект встречается довольно редко - раз в несколько лет.
Атлантические ураганы образуются далеко в открытом океане из-за погодных явлений, возникающих в пустыне Сахара. Поначалу это тропические депрессии с низким давлением, наблюдатели отслеживают их продвижение на запад. Некоторые превращаются в штормы со скоростью ветра до 120 км/ч. Еще чуть-чуть и шторм становится ураганом. Самые сильные штормы - ураганы 5-й категории (по шкале Саффира-Симпсона), при них скорость ветра выше 250 км/ч.
Постепенно пришло понимание, как устроены сильные штормы. Японский исследователь Сакухэи Фудзивара показал, как ураганы вписывались в общую погодную картину тропической Атлантики. В 1922 году Эдвард Боуи обнаружил, что движение ураганов, как правило, антициклоническое, или противоположное направлению вращения Земли. В Северном полушарии - против часовой стрелки. Однако все эти знания не помогли ураганным центрам оповещать людей об опасности заблаговременно, поэтому ураганы на побережье часто заканчивались сотнями жертв.
Масштаб урагана довольно трудно оценить. Попытка запечатлеть один из них потребовала развития космических технологий. Первый метеоспутник "Авангард-2" был запущен в 1959 году. Он был оснащен примитивной цифровой камерой, чтобы делать снимки облаков. Снимки получались нечеткими, и от них не было особой пользы. Однако американские ученые, исследующие Землю, продолжили работать с этой системой и с конца 1970-х годов два спутника GOES ("геостационарных эксплуатационных спутника наблюдения за окружающей средой") смогли предоставить общий снимок всей Земли (и ураганов).
К концу 1940-х годов картина прояснилась во многом благодаря пилотам, летающим в ураганы. Они должны были фиксировать скорость ветра и изменения атмосферного давления, а также отмечать на карте таинственный глаз - тихое место в самом центре урагана. В 1948 году финский метеоролог Эрик Пальмен доказал, что для возникновения урагана температура воды на поверхности должна составлять минимум 26 °C, а глубина должна быть не менее 50 метров. Воздух над теплым морем плавится от жары. Поднимаясь вверх, он остывает быстрее, чем обычно, водяной пар конденсируется в густые облака. Теплота, выделяемая в процессе конденсации, добавляет энергии в систему, поднимая все больше воздуха и воды с поверхности. Восходящий поток воздуха создает глаз бури. Более холодный воздух, попадая в этот поток, еще больше снижает атмосферное давление в центре системы, втягивая в нее все больше влаги и расширяя зону влияния. Этот процесс будет продолжаться, пока шторм не достигнет суши или не переместится в более холодные моря.
Экспедиция "Челленджера"
Можете ли вы догадаться, что изучает океанография? Это несложный вопрос, так как наука достаточно молодая и берет начало с экспедиции "Челленджера", британского военно-морского корабля королевского флота, переоборудованного в 1872 году для научных целей.
Экипаж из 240 участников отправился в экспедицию на "Челленджере", только 144 из них вернулись домой. Остальные погибли или пропали без вести.
"Челленджер", пройдя 130 000 км, сделал множество открытий. Сама экспедиция была детищем шотландского зоолога Чарлза Уайвилла Томсона. Он определил миссию экспедиции следующим образом - составить карту великих океанических бассейнов Земли и провести обширное исследование океанских вод на содержание соли и мутность (или прозрачность). С инициативой возглавить экспедицию он обратился к Лондонскому королевскому обществу. "Челленджер" подготовили, из боевого корабля он превратился в исследовательское судно, заполненное инструментами, сетями, оборудованием для забора проб и укомплектованное собственной химической лабораторией. Паровой двигатель "Челленджера" мог служить источником энергии для судна, но преимущественно использовался для работы экскаватора, зачерпывающего отложения со дна.
На своем пути экипаж "Челленджера" встречал айсберги и многолетний лед, но никогда не видел замерзшего континента.
По плану "Челленджер" должен был совершить кругосветное плавание вокруг Земли, но маршрут петлял, так как проходил через все основные океанические бассейны. Члены экспедиции сделали самое важное открытие по прибытии в западную часть Тихого океана. В целом команда выполнила 360 промеров, глубочайшая точка находилась на глубине 8184 м между островами Гуам и Палау. Эту область, часть Марианской впадины, сейчас называют "бездна Челленджера". Последнее исследование 2011 года открыло самую глубокую точку в этой области (и на Земле) - 10 994 м - достаточно глубоко, чтобы без труда погрузить туда Эверест.
Геологическая служба США
В XIX веке США стремительно разрастались на запад, прибывали новые поселенцы, желающие обосноваться на земельных участках, предоставляемых государством. Однако в 1870-е годы система организации землепользования вышла из-под контроля.
В 1780-е годы в США было решено, что земли к западу от Аллеганских гор подчиняются Конгрессу США. Такое решение было принято, чтобы частично избежать стычек между штатами и чтобы федеральное правительство могло продавать земли, увеличивая свой доход и стимулируя поселенцев осваивать новые территории. Однако треть природных богатств нужно было сохранить для нации. Эти же правила действовали по мере того, как США расширялись в сторону Тихого океана, приобретая новые территории у других народов или отбирая земли у коренных жителей. О Диком Западе не было известно почти ничего, и работа местных геодезистов заключалась в том, чтобы выяснить, есть ли у федерального правительства притязания на этот участок. Это представляло собой систему, открытую для коррупции. Частные исследователи и отдельные штаты предпринимали серьезные попытки составить карту Запада, но в их действиях не было слаженности. Поэтому 3 марта 1879 года, за несколько часов до закрытия 45-го Конгресса на выборы, президент Ратерфорд Бёрчард Хейс создал Геологическую службу. Ее задачей была "классификация общественных земель, экспертиза геологического строения, полезных ископаемых и продукты государственной собственности".
В первые дни служба разделила всю территорию США на восемь типов земель. Они искали свинец, медь и благородные металлы, а также такие полезные ископаемые, как уголь и железо, которых не было в списке значимых в постановлениях о земле столетие назад. На сегодня задача по геосъемке завершена, однако у Геологической службы есть не менее важные дела. Например, она прогнозирует риски землетрясений и извержения вулканов, составляет карты земле- и водопользования, отслеживает последствия экстремальных погодных явлений, наблюдает за распространением заболеваний в дикой природе США. Более того, Геологическая служба помогает исследователям космоса разрабатывать системы для изучения других миров.
На карте, опубликованной Геологической службой США в 1884 году, изображена часть Национального парка Йеллоустон с горячими источниками, реками и заливами, болотами, гейзерами, озерами и прудами.
Грозовые облака
В 1880 году к классификации облаков добавился новый вид. Грозовое облако - это впечатляющее зрелище, и оно стоит нашего внимания, так как является главным источником грозы, молнии и смерча.
Грозовые облака могут формироваться сами по себе или образовывать скопления вдоль холодных фронтов. Они вырастают из кучевых облаков-переростков и могут развиваться как часть суперъячейки и порождать смерчи.
Филип Вайльбах, искусствовед и библиотекарь Датской академии изящных искусств в Копенгагене, был неожиданной фигурой в научном мире. В 1880 году он представил описания облаков Международной метеорологической организации, но комитет их не принял, так как они сильно отличались от системы (широко используемой в наши дни), разработанной в начале века Люком Говардом. Тем не менее в одном из предложений Вайльбаха было разумное зерно. Он описал хорошо развитое по вертикали дождевое облако, которое назвал cumulonimbus, что означает "нагромождение дождевых облаков". Это облако часто имело перистые образования сверху и могло производить гром. Международной метеорологической организации понравилось описание, и они решили исключить из классификации слоисто-кучевые облака Говарда, как плохо описанную версию облаков того же типа.
Грозовое облако - это возвышающееся, вертикальное дождевое облако, высота которого может достигать 12 000 метров. Оно образуется из мощных восходящих потоков воздуха, которые поднимают влагу высоко над теплой землей. Зачастую эта влага возвращается обратно на землю в виде сильного дождя. Во время шторма эти облака называют грозовыми фронтами. Трение между участками облака создает электрическое напряжение. В конце концов он разряжается о землю или между облаками в виде молнии. Удар молнии нагревает воздух, который быстро расширяется и создает ударную волну - раскаты грома.
Этот редкий вид облаков можно увидеть лишь в сумерках коротких летних ночей. В то время как другие виды облаков всегда находятся на высоте ниже 14 км, серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов, расположены на высоте 80 км. Как они образуются в условиях сухой атмосферы - загадка.
Извержение вулкана Кракатау
Утром 27 августа 1883 года, в 10:02, на маленьком острове западнее Явы взорвался вулкан. Взрыв сопровождался самым оглушительным шумом за всю историю. Извержение вулкана спровоцировало цунами, отголоски которого зафиксировали далеко в Англии.
Остров Кракатау выглядит спокойным перед извержением 1883 года, которое сотрет его с лица земли.
Извержение вулкана Кракатау началось за день до взрыва, в воздух поднялось огромное облако пепла. Большому взрыву, случившемуся поздним утром, предшествовали два маленьких. Их слышали за 3110 км в австралийском городе Перт и на острове Родригес в Индийском океане (4800 км в другом направлении). Все три взрыва вызвали цунами с высотой волн более 30 м. Эти волны были самой смертоносной частью извержения, от которого пострадали по меньшей мере 36 417 человек на суше и в море.
В 1969 году в голливудском фильме-катастрофе с Максимилианом Шеллом в главной роли были воссозданы события 1883 года - извержение вулкана Кракатау. Фильм был номинирован на премию "Оскар" за лучшие визуальные эффекты. По сюжету персонажи ищут затонувший корабль, полный жемчуга, который потерпел крушение недалеко от вулкана.
Взрыв Кракатау был в 4 раза мощнее самых больших термоядерных бомб, когда-либо испытываемых. Он превратил 790-метровую гору в кратер шириной 6,5 км, который образовался из магматического очага под морским дном, разрушенным и заполненным морской водой. Гора превратилась в 21 км3 пепла и пыли. Облако скрыло Солнце на три дня, затемнило атмосферу настолько, что привело к снижению глобальной температуры в последующие пять лет.
Горообразование
К концу 1880-х годов ученые признали, что горы, подвергаясь эрозии, постепенно разрушаются, поэтому даже самые могущественные горные цепи в отдаленном будущем превратятся в небольшие холмы. Но как образовались горы?
Американский минералог Джеймс Дуайт Дана был убежденным сторонником гипотезы контракции Земли, согласно которой наша планета изначально была расплавленным скалистым шаром, а твердая земная кора сформировалась по мере его остывания. Однако при дальнейшем остывании скалистая поверхность сжалась, и кора треснула. Образовавшиеся на поверхности Земли трещины сформировали крупные элементы рельефа, такие как горные хребты. Однако к середине 1880-х годов свидетельства, собранные многочисленными группами исследователей в Альпах, Шотландском нагорье и Скалистых горах, помогли открыть новые факты. Разломы или трещины, проходящие сквозь пласты горных пород, позволяли старым слоям подниматься вверх и оказываться наравне с более молодыми.
Эту особенность назвали надвигами, а способ их возникновения - теорией разломов (основа, которая помогла по-новому взглянуть на орогенез, процесс формирования гор). Согласно теории, когда породный слой сжат горизонтально, разлом позволяет одной его части скользить вдоль другой, создавая более плотное образование. Когда целые континенты сталкиваются друг с другом, образуется горный хребет, возвышающийся высоко над уровнем моря. Изучение разломов коры в мелком масштабе дало представление о глобальных процессах, сформировавших нашу планету.
Осевое давление сначала приводит к выпуклому изгибу линейной антиклинали. Затем слои начинают распадаться, образуя более сложный ландшафт.
Эль-Ниньо
Перуанские моряки рассказывали о теплом северном течении, наиболее заметном в дни Рождества. Они дали ему имя Эль-Ниньо ("малыш, мальчик"), так называют младенца Христа. Сегодня Эль-Ниньо известно как глобальное природное явление.
Камило Каррильо Мартинес, прежде чем стал министром финансов Перу в 1870-х годах, сделал блестящую военно-морскую карьеру.
Впервые Эль-Ниньо с отсылкой к климату упомянул капитан Камило Каррильо Мартинес в 1892 году, объясняя обычаи и предания старых моряков географическому обществу в Лиме. Сегодня мы знаем Эль-Ниньо как теплую фазу океанической системы, называемую Южной осцилляцией. Это явление возникает, когда в экваториальной части Тихого океана образуется область нагретых приповерхностных вод (это происходит примерно между меридианом 180° - линией перемены даты, и 120° с. ш.). С прибытием Эль-Ниньо к концу года нагретые воды смещаются к западному побережью Южной Америки. Однако Южная осцилляция - это не ежегодное явление, а многолетний цикл колебаний температуры поверхностного слоя воды. В некоторые годы вода значительно холоднее - это другая фаза, получившая название Ла-Нинья.
В год Эль-Ниньо теплая вода океана накапливается у западного побережья Южной Америки, в другое время там протекает холодное течение. Этот сдвиг является частью цикла климатических воздействий, который влияет на весь Тихоокеанский регион и даже за его пределами.
Эль-Ниньо несет высокое атмосферное давление и засуху в западную часть Тихого океана, низкое давление и сильные ливни - в восточную. В среднем от одного Эль-Ниньо до другого проходит четыре года, хотя некоторые циклы могут длиться около семи лет. Влияние Эль-Ниньо сказывается на производительности сельского хозяйства в Тихоокеанском регионе, так как температура и уровень осадков различаются в разное время цикла. Среди последствий, которые мы испытываем на себе в связи с изменением климата, - увеличение разницы температур между теплой и холодной фазами, которое может вылиться в еще более экстремальные погодные явления, такие как засуха.
Холодная фаза Эль-Ниньо, или Южной осцилляции, называется Ла-Нинья, что означает "малышка, девочка", указывая на оборотную сторону цикла Эль-Ниньо. В этот период поверхностные воды восточной и центральной части Тихого океана становятся холоднее из-за подъема глубинных вод. Более теплые же воды перемещаются в западную часть Тихого океана на несколько лет. Периоды Ла-Ниньи холодные, но сухие в Южной Америке и более влажные в западной части Тихого океана. Продолжая цикл, холодные поверхностные воды перемещаются на запад, а теплые воды движутся в восточную сторону на небольшой глубине, прежде чем подняться на поверхность недалеко от Перу, возвещая возвращение Эль-Ниньо.
Парниковый эффект
В 1896 году шведский химик Сванте Аррениус дал первое полное определение современному понятию "парниковый эффект". Он заинтересовался этим явлением, работая над теорией о том, как Земля может остыть до состояния ледникового периода. Сегодня парниковый эффект помогает нам понять климат.
Видимые волны солнечного света могут проникать в атмосферу Земли, но не вся невидимая тепловая энергия может выбраться обратно - совсем как в теплице. В конечном итоге воздух на планете нагревается.
Парниковый эффект - природное явление, благодаря которому атмосфера Земли поглощает из космоса часть солнечной энергии. Это позволяет сохранять температуру на планете на среднем допустимом уровне - 14 °C, без парникового эффекта на поверхности планеты было бы очень холодно (-18 °C). В течение XIX века было открыто его существование и принцип действия, а также Аррениус описал его влияние на изменение климата в долгосрочной перспективе. В последние годы фразу "парниковый эффект" часто употребляют на научных и политических дебатах, обсуждая, как человеческая деятельность отразится на атмосфере и климате уже в недалеком будущем.
Растения приводят в равновесие уровень углекислого газа в воздухе и используют его как удобрение для роста. Животные едят растения, еда окисляется, соединяясь с кислородом, и выделяется энергия. Неиспользованный углекислый газ снова возвращается в атмосферу. И так по кругу. Однако ископаемое топливо, такое как нефть, газ и уголь, - это насыщенные углеродом останки древней жизни. При горении углекислый газ, выделяющийся в воздух, не является частью естественного углеродного цикла, поэтому он продолжает накапливаться в атмосфере.
Идея парникового эффекта была предложена французским математиком Жозефом Фурье в 1824 году. В 1856 году американка Юнис Ньютон Фут с помощью эксперимента представила доказательства, что тепловые свойства атмосферных газов различаются. Она открыла, что на солнце диоксид углерода (или углекислый газ) нагревается гораздо сильнее, чем кислород и азот.
Статья Сванте Аррениуса "О влиянии содержания углекислоты в атмосфере на температуру поверхности Земли" определенно оставила след в истории.
Спустя несколько лет ирландский физик Джон Тиндаль прославился тем, что измерил тепловое излучение у разных газов, многократно повторяя эксперимент. Он не доверял выводам Фут. Как бы там ни было, именно Аррениус, эксперт по поглощению и выделению энергии химическими веществами, определил влияние парникового эффекта на климат. Наша атмосфера преимущественно прозрачна, поэтому свет проходит сквозь нее (хотя, синие лучи рассеиваются, поэтому небо голубого цвета). Солнечный свет нагревает поверхность Земли, которая отражает энергию обратно в космос в виде невидимого инфракрасного излучения. Кислород, азот и аргон, из которых на 99 % состоит воздух, пропускают тепло в неизменном виде. Однако диоксид углерода, составляющий всего 0,04 % атмосферы, и другие парниковые газы, такие как метан и водяной пар, поглощают тепло, повышая температуру атмосферы. Садоводы знают, что стены парника выполняют ту же функцию - пропускают свет и не дают выходить теплу. Нильс Густав Экхольм точно знал, потому что в 1902 году именно он ввел термин "парниковый эффект".
В настоящее время земля и океаны способны поглощать половину избыточного углекислого газа, выделяемого человеком. Если в будущем уровень поглощения снизится, в атмосфере соберется больше углекислого газа, что приведет к потеплению. Используя данные картографического спутника, измеряющего уровень углекислоты, НАСА составило карту Земли, показывающую высокую концентрацию углекислого газа и низкую в случае, если степень поглощения уменьшится наполовину. Судя по карте, север нагреется гораздо больше, чем остальные области.
Углекислый газ выделяется в атмосферу как продукт жизнедеятельности. Аррениус связывал изменение температуры с изменением количества углекислого газа в воздухе. Он задумывался, может ли внезапное падение уровня углекислого газа в воздухе привести к ледниковому периоду. Но при повышении уровня климат тоже изменится. Даже во времена Аррениуса растущие промышленные предприятия использовали в качестве источника энергии ископаемое топливо. Предполагалось, что растения и океан просто поглощают углекислый газ, выделяемый предприятиями, но к концу 1950-х годов стало очевидно, что уровень углекислого газа в воздухе повышается, и сегодня он продолжает расти. Расчеты Аррениуса не двусмысленны - воздух медленно, но верно становится теплее. Экстремальные погодные условия являются одновременно и симптомом, и результатом меняющегося климата. Колебания уровня моря связаны с количеством намерзшего вокруг полюсов льда, и все это можно отслеживать по изменению количества парниковых газов.
У нашего ближайшего соседа по космосу, планеты Венеры, тоже есть своя атмосфера с парниковым эффектом, только гораздо более экстремальная. Поверхность планеты (изображение получено с помощью радиолокационного сканирования) скрывается за густой туманной атмосферой, состоящей преимущественно из углекислого газа. Из-за парникового эффекта Венера - самая горячая планета из всех, температура поверхности составляет 462 °C, а атмосферное давление в 90 раз выше, чем на Земле.
Исследование Антарктиды
Раньше считалось, что большую часть Южного полушария занимает бескрайний континент. Однако впоследствии исследователи обнаружили там небольшой, но опасный океан, айсберги и ледяные щиты. Интерес к региону возрос, и в попытках лучше его узнать предпринимались рискованные экспедиции.
В 1920-е годы героический век антарктических открытий уступил место веку индустриальному. Сегодня в летний период в Антарктиде живут около 4000 человек, большинство из них - ученые, изучающие Землю. На некоторых базах есть ледяные взлетно-посадочные полосы для самолетов. Зимой численность населения падает примерно до 1000 человек. Здания медленно погружаются под снег. Например, британскую исследовательскую станцию Халли заменяли 6 раз за последние 65 лет. Последняя база (на иллюстрации) ходит на гидравлических ногах, она может выбраться из скопившегося вокруг нее снега и переместиться в местечко получше.
В 1837 году французские корабли под командованием Жюля Дюмон-Дюрвиля впервые увидели побережье Антарктиды (землю, погребенную под толстым ледяным покровом). Спустя несколько лет британская экспедиция, возглавляемая Джеймсом Кларком Россом, не стала рисковать и обогнула эту территорию. Прошло более 50 лет, прежде чем исследователи вернулись туда с серьезными намерениями, - тогда и начался героический век антарктических исследований. Чтобы открыть ледяной континент и начать его исследование, ученые боролись с экстремальными условиями и часто погибали. Первой в Антарктиду в 1897 году отправилась бельгийская экспедиция. Экипаж застрял в ледяном море, испытав на собственной шкуре все прелести антарктической зимы. На следующий год британская экспедиция на корабле "Южный крест" добралась до материка и провела там зимовку. Последующие экспедиции, изучая побережье и дикую природу (в основном тюленей и пингвинов), пытались достичь крайней южной точки материка, каждый раз продвигаясь ближе к Южному полюсу. Это соревнование закончилось в январе 1912 года, когда английский исследователь Роберт Скотт добрался до полюса и обнаружил, что Руаль Амундсен (норвежец, первый помощник капитана в бельгийской экспедиции) побывал на Южном полюсе за месяц до него.
Экспедиция на корабле "Южный Крест", длившаяся с 1898 по 1900 год, была первой миссией по изучению земель Антарктиды. С 1956 года на материке существовало постоянное поселение для людей, а в 1978 году на антарктической станции "Эсперанса" родился первый ребенок.
Метеорологические зонды
Похождения Коксвелла и Глейшера дали ученым понять, что невозможно собирать данные на большой высоте. Поэтому на воздушном шаре были отправлены автоматические устройства для сбора информации.
Атмосфера Земли имеет пять слоев. Тропосфера - ближайший к поверхности Земли слой, где расположены метеосистемы. Стратосфера состоит из воздушных масс, которые с высотой становятся теплее. Температура снова падает в мезосфере, и это самая холодная часть земной системы, где температура опускается до -113°. Термосфера постепенно истощается с рассеиванием воздуха в космическом пространстве (здесь вращаются космические аппараты), в то время как в экзосфере содержатся следы газов, удерживаемых в гравитационном поле Земли.
Для изучения атмосферы на большой высоте необходимо было понять, как запустить удаленные устройства в воздух. Подобное делали океанографы, использующие приборы измерения глубины и регистрации глубоководных условий. Сначала "аэрологи", изучающие атмосферу, запускали воздушных змеев с метеорографами, чтобы измерить температуру и атмосферное давление. Змей был привязан к земле, поэтому при приземлении можно было извлечь данные из прибора. Но запустить его на серьезную высоту - дело не из легких.
Для метеорологов метеозонды до сих пор являются дешевым и эффективным инструментом. Сегодня они оснащены радиозондом (на иллюстрации образец 1936 года), устройством, питающимся от аккумулятора, которое в режиме реального времени передает на Землю по радио все собранные данные. Наряду с температурой, атмосферным давлением и высотой, радиозонды определяют химический состав ветра и воздуха. Дропзонд - похожее устройство, его кидают с самолета, и он работает, пока летит к земле.
В 1892 году французы Гюстав Эрмит и Жорж Безансон разработали беспилотную систему аэростатов, которая решила проблему высоты. Они использовали бумажные водородные шары, способные поднять около 10 кг на высоту более 10 км. Позже они заменили бумажные шары на резиновые, которые расширялись при подъеме и достигали больших высот. Но шары могли взорваться, если разница между давлением газа внутри и разреженным воздухом снаружи становилась слишком существенной. Как тогда добраться до собранных данных? В качестве решения к метеорографам прикрепили парашюты, и они возвращались на землю в целости и сохранности.
В 1896 году французский метеоролог Леон Филипп Тейсеран де Бор начал проводить эксперименты c водородными шарами-зондами, поднятыми на уровень облаков и в верхние слои атмосферы. Он обнаружил, что с набором высоты температура воздуха стабильно падает, но на высоте 11 000 м она выравнивается и остается постоянной несмотря на то, что давление продолжает падать (возможно, он просто не мог поднять шары на достаточную высоту, чтобы выявить дальнейшие изменения температуры). Примерно за 5 лет Тейсеран де Бор запустил в небо более 200 шаров, часто он делал это ночью, чтобы избежать последствий солнечного излучения. Наконец, он убедился в правильности своего открытия - атмосфера состоит из двух слоев. Он назвал нижний слой тропосферой, название указывает на постоянно меняющиеся условия: все погодные явления и процессы образуются в этом слое. Следующий слой - стратосфера - назван так в связи с образующими его слоями с постоянной температурой. Сегодня мы знаем, что над ними существует еще три слоя.
Жар Земли
В древности Землю считали источником холода. Доказательство? Земная твердь холодна на ощупь. Однако было больше доказательств обратного: извержения вулканов и горячие источники указывали на то, что Земля внутри горячая. Но откуда взялся этот жар?
Джордж Дарвин, сын Чарлза, одним из первых предположил, что Земля подогревается изнутри за счет радиоактивного распада.
В 1862 году Уильям Томсон, сегодня больше известный как Лорд Кельвин, решил последовать примеру графа де Бюффона. Будучи авторитетом в области термодинамики - именно он вычислил абсолютный ноль, - Кельвин рассчитал, сколько времени понадобится шарику расплавленной породы, чтобы остыть до состояния твердой поверхности и средней температуры Земли. Он получил цифру в 400 млн лет, которую ученые моментально сочли противоречивой. Геологи, следующие принципу актуализма ("настоящее - ключ к прошлому"), изучали формирование горных пород из слоев и частиц, покрывающих поверхность Земли. Одно было очевидно - это был медленный процесс и 400 млн лет для нашей планеты было просто недостаточно, чтобы горные породы успели сформироваться, обрести изгибы и разрушиться. Биологи их поддержали. Животному миру требовалось гораздо больше времени на эволюцию видов путем естественного отбора (новая горячая тема), чтобы разнообразить жизнь на планете. Возмущение противников выводами выдающегося физика росло. Все говорило о неверности его предположений.
Было сделано одно очевидное предположение - наша планета неоднородна. Возможно, поток тепла изнутри сдерживался каким-то еще неизвестным образованием. (Во всяком случае, исходя из нашего понимания внутреннего строения Земли, она содержит многочисленные конвективные течения, рассеивающие тепло быстрее, чем теоретическая система, которую использовал Кельвин в своих вычислениях.) Другая и единственная возможность состоит в том, что Земля, наряду с первоначальным жаром, оставшимся с момента ее образования, имеет собственные запасы тепла, которое генерируется за счет распада радиоактивных элементов в ее недрах. Радиоактивность открыли только в 1895 году, но за 10 лет до открытия Джордж Дарвин (сын Чарлза) продвигал ее как решение проблемы теплового баланса Земли. Радиоактивное поле в конце концов помогло бы избежать путаницы и определить истинный возраст Земли с помощью радиометрического датирования.
Изначально астроном Джордж Дарвин подтвердил оценку возраста Земли, данную лордом Кельвином. Дарвин предположил, что Луна образовалась под действием центробежных сил внутри молодой Земли (все еще расплавленной) - произошел выброс части материи на орбиту. По словам Дарвина, материя остыла и стала Луной. Вращение Луны ограничено приливными силами вращения Земли (поэтому мы всегда видим лишь одну ее сторону). Дарвин подсчитал, что для возникновения этой замкнутой системы понадобилось 56 млн лет.
Граница Мохо
Древние люди издавна знали, что колебание земли возвещает о грядущей беде. Однако к середине XIX века новая наука сейсмология смогла заглянуть внутрь Земли благодаря использованию волн (подобных тем, что вызывают землетрясения).
Сегодня исследователям внутреннего строения Земли известны три границы. Граница Мохоровичича (A) отделяет толстую континентальную кору (1) и тонкую океаническую (2) от верхней мантии (3). Граница Гутенберга (B) отделяет нижнюю мантию (4) от внешнего жидкого ядра (5), в то время как граница Леманн (C) обозначает внешнюю границу твердого внутреннего ядра (6).
Ирландский геолог Роберт Маллет ввел термин "сейсмология" в 1857 году. Используя взрывчатые вещества, погруженные в землю, он создал собственные сейсмические волны, разрабатывая устройство для обнаружения естественных волн. Он хотел проверить, как волны проходят сквозь разные породы. В 1897 году физик-экспериментатор Эмиль Вихерт ненадолго превратился в геофизика-теоретика. Он сравнил общую плотность Земли со средней плотностью горных пород на ее поверхности. Плотность Земли оказалась ниже, из чего он сделал вывод, что Земля внутри состоит из двух слоев: железного ядра и окружающего его покрытия - камневидной оболочки из силикатных минералов. В 1906 году Ричард Диксон Олдхэм подкрепил этот вывод, доказав, что плотное ядро блокирует или преломляет сейсмические волны.
В 132 году н. э. китайский инженер Чжан Хэн изобрел "флюгер землетрясений" (сейсмоскоп). Он представлял собой бронзовую урну с маятником внутри. Под воздействием движения земли маятник качался и выбивал один из восьми шаров из пасти драконов, которые равномерно располагались вокруг устройства. Шарик падал в распахнутый рот жабы и указывал направление земных толчков.
Сейсмология основана на поведении сейсмических волн, которые отражаются или преломляются подобно звуковым волнам или кругам на воде. Сейсмографы по всему миру занимаются улавливанием волн, достигающих поверхности Земли. Это дает представление о том, как волны перемещаются внутри, а также о характере среды, через которую они проходят глубоко под землей. В 1909 году хорватский ученый Андрия Мохоровичич заметил, что скорость волн меняется на глубине около 20 км под континентами и 5 км под океаном: сначала волны двигались через твердую толщу, а ниже находился плотный слой. Граница между ними стала известна как поверхность Мохоровичича (сокращенно Мохо), она показывает, где мантия Земли переходит в третий тонкий наружный слой, называемый корой.
Кембрийский взрыв
Обилие окаменелостей, найденных в сланцевых породах Канадских Скалистых гор, показало, что сложные формы жизни - виды, до сих пор существующие на Земле, - ворвались в историю планеты примерно 500 млн лет назад.
Это горное образование в Китае очень похоже на найденное в Канадских Скалистых горах, с той лишь разницей, что китайское на 10 млн лет старше. При раскопках в 1980-х годах в Маотяньшаньских сланцах был обнаружен схожий с канадским двойником набор окаменелостей, включая вымерший род Jianfengia (на иллюстрации), - это преследующие добычу членистоногие хищники с жесткими отростками на голове. Китайские окаменелости показали, что 520 млн лет назад жизнь на Земле уже развивалась и менялась.
Горная формация получила название сланцы Бёрджес, в конце 1890-х годов там нашли большое количество окаменелостей. Однако настоящий клад обнаружил в 1910 году американский палеонтолог Чарльз Дулиттл Уолкотт, незадолго до этого покинувший управление Геологической службы США. Поиск окаменелостей стал семейным занятием, в этом Чарлзу во время походов в горы помогали его дети, трое сыновей и дочь. Жена Чарльза, Елена, умерла в 1911 году, но уже к 1914 году он заново женился на известной художнице-натуралистке Мэри Во, которая отлично дополнила их команду. К 1924 году Уолкотты нашли свыше 65 000 образцов, все они были взяты на территории древнего морского дна и относились к кембрийскому периоду, с которого началась палеозойская эра. Само слово "кембрий" происходит от названия горных образований, впервые найденных в Уэльсе. Во времена Уолкотта возраст пород пытались определить наугад, но сегодня достоверно известно, что кембрийским породам между 541 и 485 млн лет. Сланцам Бёрджеса, например, 508 лет.
Чарльз Дулиттл Уолкотт отдыхает от поиска окаменелостей в сланцах Бёрджеса, а слева от него изображена окаменелость брахиопода, разновидность моллюсков, некогда населявшая Кембрийские моря, но теперь встречающаяся куда реже.
Уолкотт не справился с масштабом задачи и смог провести анализ окаменелостей только в 1960-е годы. До этого они пылились без дела в Смитсоновском институте. Уолкотт сделал вывод, что почти каждый филюм (или подцарство) животных, населяющих планету, представлен в окаменелостях. Это касается членистоногих, насекомых и пауков, разнообразных видов червей, медуз и даже крошечных рыбоподобных существ. Ископаемые находки говорят о том, что событие, называемое кембрийским взрывом, за несколько миллионов лет привело от отсутствия видимой жизни к буйному многообразию видов.
Радиометрическое датирование
В самом начале XX века открытия в области радиоактивности дали возможность определять возраст горных пород по их атомам. Что сможет рассказать о возрасте Земли эта новая технология?
Космические лучи, сталкиваясь с азотом в верхних слоях атмосферы, образуют радиоактивный изотоп углерода - углерод-14. Все живые существа содержат в себе небольшое количество углерода-14, пополняемое в течение жизни. Когда организм умирает, углерод-14 начинает распадаться. По любым остаткам живых существ - волосам, костям, древесине, хлопку - можно определить возраст, исходя из содержащегося в них количества углерода-14. Метод работает для любых артефактов и останков, но не старше 50 000 лет, как, например, эта 400-летняя китайская статуя из дерева.
В начале 1900-х годов два физика, Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, доказали, что радиоактивность - это процесс распада нестабильных атомов, высвобождение энергии и материала и образование новых элементов. (Элемент - это вещество с определенной структурой атомов. Радиоактивность меняет эту структуру, поэтому один элемент преобразуется в другой.) Резерфорд и Содди доказали невозможность предсказать радиоактивный распад отдельных атомов. Однако они придерживались схемы полураспада, что означает, что время, необходимое для распада половины радиоактивного материала, - величина постоянная. Сегодня мы знаем о крайне нестабильных радиоактивных веществах, период полураспада которых составляет миллионные доли секунды, хотя в породах чаще встречаются торий и уран, у которых период полураспада измеряется миллионами лет. Если вы знаете первичное количество этих металлов - сколько их было при формировании породы, - тогда по их количеству в текущий момент можно будет узнать возраст этой породы.
Артур Холмс доказал, что в более древних породах радиоактивного материала меньше.
Некоторые исследователи пытались измерить радиоактивный распад по количеству присутствующих альфа-частиц - небольших заряженных частиц, отделяющихся от атомов при распаде. Однако проще воспользоваться цепочкой распада. Например, радиоактивный уран, прежде чем достичь стабильной формы свинца, распадается на несколько крайне нестабильных атомов и дочерние продукты, такие как радон, радий и полоний. Американский химик Бертран Болтвуд был первым, кто применил этот подход. Он сравнил соотношение урана и свинца в горных породах, чтобы определить их возраст, и предположил, что некоторым из них 500 млн лет. В 1911 году британский исследователь Артур Холмс обнаружил породы возрастом 1,6 млрд лет. В 1927 году он откорректировал эту цифру до 3 млрд лет. В 1950-е годы понимание цепочек радиоактивного распада привело к тому, что ученые смогли определить возраст метеоритов - 4,55 млрд лет: это возраст Земли и Солнечной системы.
Минералы циркона - старейшие на Земле. Некоторым кристаллам больше 4 млрд лет.
Дрейф материков
Когда первые точные карты мира стали широко доступны, многие люди заметили одну и ту же вещь - части суши идеально подходили друг другу, как кусочки паззла. Это наблюдение привело к великому предположению.
Первые карты мира, на которых материки приобрели максимально точные для того времени очертания, появились в конце XVI века. Многие детали на картах все еще основывались на домыслах и заблуждениях - особенно в Арктическом и Антарктическом регионах и на восточном побережье Тихого океана, территории, слабо исследованной европейцами. Однако Атлантический океан и его побережья были хорошо изучены. С момента создания первого атласа Авраамом Ортелием люди стали задаваться вопросом, почему Атлантическое побережье Южной Америки и Африка так хорошо подходят друг другу. Авраам Ортелий даже предположил, что Америка "оторвалась от Европы и Африки... этому способствовали землетрясения и наводнения. Следы разрыва обнаруживаются, когда кто-нибудь берет карту мира и тщательно рассматривает побережья".
Столетие спустя Александр фон Гумбольдт имел схожие взгляды. Примерно в то же время Чарльз Лайель, многое сделавший для того, чтобы геология стала главной наукой в 1830-х годах, сформулировал общий вывод: "Следовательно, континенты, хоть и постоянны для целых геологических эпох, полностью меняют свое местоположение с течением времени".
Однако новое поколение геологов XIX века оставило без внимания идею постоянно меняющейся поверхности планеты. (Только представьте сколько времени это займет!) Главный сторонник идеи о неподвижности материков Джеймс Дана, вслед за "Руководством по минералогии", в 1863 году выпустил "Руководство по геологии". В этой книге он заявлял: "У континентов и океанов есть свои очертания или формы, сформированные еще в далекие времена". Эта точка зрения стала известна, как теория фиксизма, и с учетом веса Даны в научной среде было тяжело с ней поспорить. Лучшим доказательством постоянства служил континентальный шельф, который образовался из осадочных пород, намытых реками с суши. Его бы не существовало, если бы континенты находились в движении.
Книга "Зрелище круга земного", которая считается первым атласом мира, была опубликована в 1570 году географом Авраамом Ортелием в Бельгии. Ортелий сделал описания представленных земель, но сам создал только несколько карт. Книга представляет собой сборник из 53 упорядоченных по континентам карт, составленных другими маститыми картографами. Карта все еще включала абстрактную Неведомую Южную Землю вместо Антарктиды. Интересно, что этот континент был показан отклоненным к северу между Индийским и Тихим океанами и покрывал область современной Австралии. За 40 лет до того, как этот островной континент стал известен европейцам в XVII веке, картографы уже предполагали, что там что-то есть.
На рисунках Альфреда Вегенера схематично показано, как некогда континенты были единым массивом суши (слово "Пангея" означает "вся Земля"), а потом они разошлись, заняв места на современной карте мира.
Более старая идея, конкурирующая с теорией фиксизма, получила название "дрейф материков". Согласно этой теории, Атлантический океан сформировался, когда Америка откололась от Африки и Азии, и все континенты мира медленно перемещаются и меняют форму. Теорию приписывают немецкому метеорологу Альфреду Вегенеру, который ввел термин "дрейф материков" в 1912 году. В последующие годы он продвигал эту идею, черпая доказательства в соответствующих ископаемых находках, сопоставляя геологические пласты пород. Все указывало на то, что в какой-то момент далекого прошлого все семь современных континентов были объединены в один. С момента раскола континентов начинаются различия в окаменелостях и слоях пород. Вегенер назвал этот единый сверхконтинент Пангеей и окружил его Панталассой - единым сверхокеаном. Это созвучно с более ранними идеями Эдуарда Зюсса, который, используя те же аргументы, предположил существование южного суперконтинента Гондваны, отделенного от северного континента Лавразии океаном Тетис. Оба были правы: около 200 млн лет назад Пангея раскололась на Гондвану и Лавразию. Однако возникал вопрос: как может дрейфовать сплошная твердая земля? Вегенер считал, что массив суши может перемещаться по морскому дну за счет центробежных сил вращения Земли. Истина, открытая в 1960-е годы, внесла ясность.
Альфред Вегенер (слева) с исследователем Гренландии Расмусом Виллумсеном во время экспедиции 1930 года в центральную часть Гренландии. Оба погибли в течение месяца после того, как был сделан этот снимок, не выдержав условий арктической зимы.
Метаморфические породы
В 1912 году британский геолог определил новый тип породы в земной коре - метаморфический. Так появился третий процесс в цикле горообразования, в котором высокое давление и температура изменяют состав твердых пород.
На карте Джорджа Барроу, опубликованной в 1912 году, изображен Северо-Шотландский разлом.
Это открытие сделал геолог Джордж Барроу, талантливый уроженец Лондона, преуспевший в математике и естественных науках. Выбрав своей специализацией геологию, в 1890-х годах Барроу начал составлять карту напластований Северо-Шотландского нагорья. После 20 лет кропотливой работы он представил метаморфизм Барроу, или метаморфизм с промежуточным тепловым градиентом. Карта Барроу показывала, что в зависимости от поступающих минералов горные породы могут быть разделены на отдельные слои. Финский геолог Пентти Эскола дал этому объяснение в последующее десятилетие.
В 1921 году финский геолог Пентти Эскола описал зоны, называемые метаморфическими фациями, где различные комбинации давления и температур создают определенный набор минералов. Затем они объединяются в метаморфическую породу. Фации метаморфизма: 1) цеолитовая, 2) роговиковая, 3) сандинитовая, 4) пренит-пумпеллиитовая, 5) зеленосланцевая, 6) глаукофановых сланцев, 7) амфиболитовая, 8) гранулитовая, 9) эклогитовая.
Метаморфизм Барроу был самой простой формой метаморфического изменения, которое включает в себя повышение температуры и давления с увеличением глубины. Эти меняющиеся показатели создают физико-химические изменения в минералах, первоначально составляющих исходную породу (протолит). Если минералы меняются, меняется и порода, и в результате мы имеем ряд новых пород, которые различаются лишь создавшими их силами. Градиенты Барроу (или перепады температур) типичны для зон орогенеза, где породы зажаты глубоко под землей. Другие метаморфические зоны расположены вблизи магматических очагов и вулканических расселин, где преобладает тепло, а не давление. Ко всему прочему, удары метеоритов могут создать небольшие зоны метаморфических пород. Магматические и осадочные породы - это связанные друг с другом метаморфы. Например, известняки становятся мрамором, глинистые сланцы - шифером, а песчаники образуют кварциты. Происхождение других метаморфических пород, таких как сланцы и гнейсы, более стандартное.
В процессе метаморфизма минералы в горных породах превращаются в листы, это явление называется слоистостью. Степень расслоения помогает определить градус метаморфизма, при каком давлении и температуре происходило превращение.
Дендрохронология
Каждый год деревья прибавляют новый слой древесины, создавая годичные кольца, легко узнаваемые на срубе дерева. По ним можно не только определить его возраст, но и изучить климат.
В центре ствола находятся самые старые кольца, а самые свежие - с краю. Деревья были свидетелями многих событий в истории человечества и могут рассказать об изменении климата и атмосферы в далеком прошлом.
Дендрохронология (dendron переводится с греческого как "дерево") строится на идее подсчета колец на стволе дерева с целью определить его возраст. Первым ее высказал Леонардо да Винчи. Он знал, что летом дерево растет быстрее, и в его стволе остается полоска бледной мягкой древесины. Зимой рост замедляется и полоска соответственно темная и узкая. Вместе эти кольца составляют один год, а на стволах больших деревьев их сотни. Да Винчи даже знал, что после холодного года остаются отдельные кольца более темного цвета, таким образом ствол "записывал информацию" о климате прошлого. Это знание не приносило особой пользы и служило лишь для забавы на протяжении веков, пока в 1920 году американский астроном Э. Э. Дуглас не нашел ему применение. Он нашел связь между климатическими моделями, отраженными в кольцах деревьев, и циклом активности солнечных пятен, который осветляет и затемняет Солнце каждые 11 лет. Сегодня специалисты дендроклиматологии по кольцам хвойных долгожителей могут воссоздать картину глобальных и региональных климатических условий за последние 7000 лет.
Шкала Рихтера
Землетрясения - это, пожалуй, самая разрушительная сила на поверхности планеты. Их последствия, часто смертоносные, ощутимы по всему земному шару. В 1935 году была разработана система для измерения силы землетрясений.
Землетрясение, обрушившееся 22 мая 1960 года на Вальдивию (город в Чили) было самым мощным за всю историю человечества, иногда его называют Великим чилийским землетрясением. Оно продолжалось примерно 10 минут и оценивается в 9,6 балла по шкале Рихтера. Волны возникшего цунами обрушились не только на южную часть Чили, но и, стремительно продвигаясь по Тихому океану, затронули Гавайи, Японию, Филиппины, Новую Зеландию, Австралию и Алеутские острова. Эпицентр землетрясения находился под Андами, довольно далеко от старого колониального города Вальдивии, которому был нанесен серьезный урон.
Самое смертоносное землетрясение в истории случилось в 1556 году недалеко от провинции Шэньси в центральной части Китая. Его сила оценивается примерно в 7,9 балла по шкале Рихтера (прямых измерений, естественно, не было). В результате землетрясения, произошедшего в ночь на 23 января, по общим оценкам погибло 830 000 человек. Это землетрясение стало самым страшным стихийным бедствием в истории. Причина шокирующего числа погибших кроется в залежах лёсса, очень мягкой осадочной породы, которой богат регион. Местные жители обитали в лёссовых домах, яодунах - это вырытые прямо в скалах пещеры (используются по сей день, см. на фото). Из-за землетрясения дома-пещеры обрушились, и все спящие жители погибли. В считанные минуты численность местного населения сократилась на 60 %.
Шкала Рихтера, разработанная Чарльзом Рихтером в 1935 году, измеряет энергию, выделяющуюся при землетрясении. Человек, застигнутый врасплох землетрясением, думает совсем не о силе толчков, а о том, когда они прекратятся. После землетрясения остается разруха и опустошение, а сила, ответственная за него, уже не имеет большого значения для уцелевших. Однако это имеет значение для сейсмологов, потому что землетрясения для них - основной источник данных. Землетрясения создают сейсмические волны, которые прокатываются по всей планете. Волны образуются, когда подземных сил достаточно, чтобы разрушить горные породы. Когда напряжение спадает, породы смещаются под землю. Миллиарды тонн твердых пород, внезапно пришедших в движение, создают волны давления, которые, словно круги на воде, расходятся во всех направлениях. Достигая поверхности земли, они заставляют ее сотрясаться или качаться из стороны в сторону. Большинство зданий плохо приспособлены к силам такого рода, поэтому они могут дать трещину или обвалиться.
Землетрясения с наибольшей вероятностью происходят там, где уже есть трещины в земной коре. Однако до сих пор невозможно предсказать, когда и где они произойдут. С каждым толчком меняется баланс силы продольных толчков, действующих на систему разлома. Однажды это опять произойдет в новом месте, и тогда вся система снова сместится. Сейсмологи продолжают поиски надежного способа прогнозирования землетрясений - так они смогут спасти множество жизней (и сэкономить миллиарды долларов). Изобретение шкалы Рихтера стало первым шагом в этом направлении.
Землетрясение с магнитудой выше 5 баллов может нанести урон зданиям. Землетрясение с магнитудой выше 9 баллов разрушит все до основания.
До Рихтера лучшие сейсмологи могли лишь определить, насколько далеко распространяются волны от землетрясения. Эффективность этих измерений возросла с изобретением надежных сейсмографов в 1920-х годах. Сейсмологи доказали, что одновременно с силой землетрясения увеличивается амплитуда сейсмической волны. Рихтер, опираясь на работу других, разработал способ преобразования наблюдаемых амплитуд в простую логарифмическую шкалу. Он установил магнитуду 1 как едва ощутимую человеком, а каждая последующая магнитуда была в 33 раза сильнее предыдущей. В то время как в официальных сообщениях о землетрясениях приводят данные по шкале Рихтера, сегодня исследователи Земли используют похожую систему под названием "шкала моментных магнитуд".
Железное ядро Земли
В 1774 году астроном Невил Маскелайн измерил "притяжение" отвеса горы Шихоллион в Шотландии и использовал эти данные для вычисления плотности Земли. Его вычисления показали, что глубоко внутри планеты есть что-то твердое.
Инге Леманн получила за свое открытие много премий и наград. И у нее было много времени, чтобы насладиться своим успехом, - она прожила 104 года.
Общая плотность планеты гораздо больше средней плотности пород, выходящих на поверхность. Предполагалось, что дополнительный вес дает тяжелое ядро, скорее всего представляющее собой смесь железа и никеля. В 1926 году британский геофизик Гарольд Джеффрис представил этому точное доказательство. Судя по тому, что сейсмические волны блокировались ядром, он предположил, что ядро состоит из горячего расплавленного металла. В 1930 году датский сейсмолог Инге Леманн воспользовалась возможностью изучить крупное землетрясение в Новой Зеландии, произошедшее годом ранее, чтобы тщательно проанализировать, что же находится внутри Земли. Леманн увидела в данных сейсмограмм, что некоторые сейсмические волны отражаются от чего-то находящегося внутри жидкого ядра. Радиус жидкого ядра по Джеффрису составлял около 6800 км. Леманн предположила, что в жидком ядре существует внутреннее ядро радиусом около 2800 км. (Она определила размер ядра довольно точно, по данным на сегодня его радиус равен 2442 км.)
В 1940 году предполагалось, что внутреннее ядро, обнаруженное Леманн, представляет собой огромный шар из твердого металла. Он до сих пор горячий, достаточно горячий, чтобы расплавить железо, но большое давление внизу сохраняет его твердым. Внутреннее ядро вращается внутри расплавленного внешнего ядра. Предполагается, что вязкий переход от твердой части к жидкой делает внешнее ядро сложным водоворотом течений и вихрей. Это движение лучше всего объясняет, как создается мощное магнитное поле Земли, которое в Солнечной системе уступает только Юпитеру.
Классификация минералов
Сегодня минералы организованы по системе классификации Никеля-Штрунца, предложенной в 1941 году и с тех пор регулярно обновляемой.
1. Самородные элементы
Эта группа включает в себя элементы, встречающиеся в природе в чистом виде. К самородным элементам относятся металлы, такие как золото и серебро, и неметаллы, такие как сера и углерод (в форме алмаза, графита и угля).
2. Сульфиды
Этот класс состоит из соединений, содержащих ионы сульфида. Обычно эти ионы тесно связаны с металлами. Некоторые элементы этого класса представляют собой ценные руды. Пирит - сульфидный минерал класса, который ошибочно принимают за золото и называют "золотом дурака".
3. Галогениды
Эти минералы представляют собой соединения галоидов, таких как хлор, фтор и йод. Наиболее значимый из них - галит - минеральная форма хлорида натрия, хорошо известная в быту как поваренная соль.
4. Оксиды и гидроксиды
Большую часть минералов этого класса составляют простые оксиды и включают в себя медную и железную руду, а также лед, твердую форму воды. В дополнение к ним, сюда же входят некоторые драгоценные камни, например рубин и сапфир.
5. Карбонаты и нитраты
Этот класс представлен соединениями с ионами, состоящими из углерода и кислорода, реже азота и кислорода. Сюда входят кальцит и мелоподобные минералы в известняках. Нитратный минерал селитра - одна из составляющих пороха.
6. Бораты
Один из самых малочисленных классов в системе. Борат - это соединение, включающее в себя бор и кислород. Самый известный минерал класса - бура, которая используется в производстве чистящих средств.
7. Сульфаты и их производные
В отличие от второго класса (сульфидов), эти серосодержащие соединения также имеют атомы кислорода в составе. Кроме того, класс включает в себя хроматы, молибдаты и вольфраматы, они сходны по химическому составу, но встречаются реже.
8. Фосфаты и их производные
Минералы этого класса, в которых преобладает фосфор, а также включающие в себя арсенаты и вандаты, - многочисленны, но их тяжело найти. Одним из самых распространенных минералов является апатит - природная форма фосфата кальция, из которого состоит зубная эмаль.
9. Силикаты
Этот класс отличается разнообразием и сюда входят 90 % всех горных пород Земли. Основу силикатов составляют по-разному организованные ячейки диоксида кремния. Сюда же входит слюда и полевой шпат.
10. Органические соединения
Некоторые геологи не считают эти соединения минералами, потому что они образовались в результате биологического, а не геологического процесса. Этот класс включает в себя янтарь - окаменелую форму древесной смолы.
Она основана на структуре кристаллов и химическом составе минералов.
Первая версия системы минералов носила имя немецкого геолога Карла Гуго Штрунца. Карл, будучи куратором минералогии в Берлинском техническом университете имени Гумбольдта, решил сгруппировать образцы по их химическим свойствам.
В итоге он разделил минералы на 10 классов. В 2001 году американец Эрнест Никель переработал классификацию, с тех пор она стала называться системой Никеля-Штрунца.
Метеорадар
Радар был инновационной разработкой времен Второй мировой войны. Операторы сканировали небо, чтобы вычислить самолет противника, но часто приборы улавливали ложные сигналы приближающихся дождевых облаков. В мирное время это могло бы стать новым инструментом прогнозирования погоды.
В современных метеорадарах используется эффект Доплера, с помощью которого можно определить направление, куда двигается погодное явление.
Радар - это система, которая, используя радиоимпульсы, может определять объекты, находящиеся далеко за пределами горизонта. Радиоволны отражаются от любого объекта на их пути - будь то флот авианосцев или ливневые облака, радиоэхо, возвращающееся на радиолокационную станцию, говорит операторам об обнаруженном объекте. Канадские ученые нашли способ соотнести интенсивность радиолокационного эха с силой дождя, а британские - связали схемы распространения эха с типами облаков. Метеорадар позволял наблюдать за развитием погодных явлений, например, таких как смерчи. Это привело не только к улучшению радара, как устройства, но и к лучшему пониманию метеорологии. К 1980-м годам метеорадар стал стандартным инструментом для прогнозирования погоды.
Эдиакарская биота: вымершие формы жизни
Раньше считалось, что жизнь на Земле появилась в кембрийский период, около 540 млн лет назад. Но затем находка, обнаруженная в Эдиакарских холмах Южной Австралии, заставила людей пересмотреть свои взгляды.
В 1946 году австралийский палеонтолог Рег Спригг стал находить в скалах окаменелости, которые он считал останками древних медуз, и датировал их началом кембрия. Похожие окаменелости обнаруживались повсюду, некоторые даже в более старых породах, что противоречило убеждению о зарождении жизни в кембрийский период. Поэтому считалось, что эти странные по форме окаменелости были всего лишь узорами, оставленными рябью и пузырьками в осадочной породе.
Эдиакарская дикинсония описывается как примитивное растение, гриб или членистое животное. Возможно, она представляет абсолютно другое царство живой природы, ныне вымершее.
Однако к 1960-м годам стало ясно, что найденные Сприггом окаменелости представляли собой многоклеточную жизнь, которая существовала до кембрия около 575 млн лет назад. Известные как эдиакарская биота, эти странные окаменелости одновременно напоминали листья папоротника, плоских червей и мокриц. Были ли они нашими первыми предками? С началом кембрийского периода они внезапно исчезли. Возможно, они просто были альтернативной формой жизни, которой не удалось выжить.
Микроокаменелости
В то время как научное сообщество занималось определением возраста эдиакарской биоты, находка другого вида окаменелостей в 1953 году в районе хребта Ганфлинт (Миннесота) внесла большие коррективы в представление о геологическом и биологическом этапах развития.
Из ископаемых микроорганизмов, подобных тем, что содержатся в кремнистых сланцах Ганфлинта, формируются строматолиты. Эти столбчатые окаменелости состоят из миллионов колоний бактерий, в которых новое поколение вырастает на остатках предыдущего.
Животные, растения и грибы - далеко не единственные живые организмы на Земле. Уже в XVIII веке было известно, что существует невидимый мир микроорганизмов, таких как бактерии, дрожжи и амебы. Поначалу бактериальная палеонтология была сосредоточена на органических отложениях, таких, из которых состояли определенные виды известняка и мела. Под микроскопом богатые кальцием останки оказались панцирями или раковинами микроскопических морских существ, ушедшими на дно после распада мягких частей животных. Эти залежи образовались в периоды палеозоя и мезозоя, когда на Земле уже существовали сложные формы жизни. Например, меловой период (145-66 млн лет назад) назван так в честь больших отложений мела, сформированных из известковых скелетов водорослей кокколитофорид.
В то же время в области хребта Ганфлинт также содержится слой кремнистого известняка, которому около 1,9 млрд лет. Он состоит из слоев красного железа и черного кремнезема. В 1953 году палеонтолог Стэнли Тайлер изучил черный слой под микроскопом и обнаружил маленькие сферы и палочковидные объекты длиной около 10 микрометров, очень похожие на клетки бактерий. Последующий анализ показал, что это были цианобактерии, способные к фотосинтезу. Это открытие отодвинуло назад время возникновения жизни. Был открыт протерозойский эон - время, когда на Земле существовали только простейшие одноклеточные организмы. В настоящее время считается, что первые организмы, подобные бактериям, появились 2,5 млрд лет назад.
Срединно-Атлантический хребет
В 1870-х годах члены экспедиции "Челленджер" обнаружили область с неровным морским дном в центре Атлантики. В 1953 году была открыта самая большая по протяженности горная цепь, скрытая под водами океана.
Срединно-Атлантический хребет петляет по дну океана, но не соприкасается с континентами.
Ученые на борту судна "Челленджер" изучали возможные пути прокладки трансатлантического телеграфного кабеля. Позже исследователи проявляли к рельефу дна более научный интерес. Изобретение эхолота сильно облегчило им задачу - эхолот отправляет в воду резкие звуковые импульсы и принимает эхо, отраженное от морского дна. Это был более быстрый и точный метод картографирования морского дна по сравнению с методами, существовавшими ранее. К 1925 году зондирование, проведенное немецким научно-исследовательским судном "Метеор", показало, что неровный рельеф под водой представляет собой протяженную систему подводных хребтов, которые огибали южную оконечность Африки и заходили в Индийский океан.
Только в 1950-е годы была составлена наглядная карта всей системы, во многом благодаря работе американских геологов и картографов - Мориса Юинга, Брюса Хейзена и Мари Тарп. Юинг и Хейзен собирали данные зондирования на борту исследовательского судна "Верна". Женщинам было запрещено "работать в полях" на исследовательском судне, поэтому Тарп, вернувшись в Нью-Йорк, объединила полученную информацию с данными об океаническом дне, собранными исследователями Океанографического института Вудс-Хоул в Массачусетсе. В 1953 году она показала самую подробную на сегодняшний день карту дна всей Атлантики, где по центру проходили высокие хребты с глубокими равнинами между ними. Это был Срединно-Атлантический хребет, и как было открыто позднее, только часть подводной горной цепи, простирающейся от Арктики до восточной части Индийского океана. Вскоре выяснили, что область хребта была сейсмически-активной (и остается такой до сих пор), а вулканические острова, такие как Исландия, сформировались в местах, где часть хребта пробила поверхность.
Изобретение фатометра, прибора типа эхолота, созданного Гербертом Гроувом Дорси в 1928 году, произвело революцию в области океанографии.
Моделирование климата
Чтобы предсказать погоду, нужно взять исходные условия и попробовать спрогнозировать, как они изменятся к определенному моменту в будущем. Но возможно ли смоделировать погоду для всей планеты?
Климатическая модель Национального управления океанических и атмосферных исследований показывает возможные изменения средних температур по всему миру к 2050 году.
В 1956 году Норман Филлипс, метеоролог из Института перспективных исследований в Принстоне, создал математическую систему моделирования ежемесячных изменений тропосферы. Он запустил ее на компьютере и получил реалистичную модель климата. К тому же, можно было ускорить время и посмотреть состояние атмосферы и океанов через много лет в будущем. Система содержала информацию о погодных явлениях, карты ветров, дующих как у поверхности Земли, так и на границе со стратосферой (реактивный поток). Филлипс, создав общую модель циркуляции, по сути, создал первую модель климата. Это было большим прорывом, хотя никто не верил, что эта модель сможет точно предсказать, что случится с климатом в следующем году или через год. Зато она показывала, что погода и климат - это явления, которые можно смоделировать с помощью математики и достаточной вычислительной мощности. Со времен прорыва Филлипса климатические модели непрестанно совершенствуются, чтобы как можно точнее повторить такую систему, как планета Земля.
Первым человеком, использовавшим математические методы для предсказания погоды, был британец Льюис Ричардсон. В 1922 году он создал прогноз на 6 часов вперед на основе текущего состояния атмосферы. Однако он делал его вручную и у него ушло на это 6 недель - соответственно, его прогноз устарел. Чтобы ускорить процесс, нужна была программируемая вычислительная машина. Возможно, мы могли бы назвать ее компьютером. К концу 1940-х годов для армии США был собран один из первых электронных компьютеров (ЭНИАК, см. на фото), в 1950 году его использовали для расчета прогноза погоды. Он работал на основе упрощенной системы, но мог довольно быстро выдать результат и был полезным предсказывающим устройством. В 1954 году шведские метеорологи пользовались программой ЭНИАК для составления регулярных прогнозов.
Метеоспутник
В первые дни космической гонки люди грезили о том, какие преимущества им даст система наблюдения за погодой из космоса. К началу 1960-х годов данные со спутника уже использовались для улучшения качества прогнозов погоды.
Спутники ТИРОС были на орбите лишь около 80 дней. Современные модели спутников отправляют высоко на геостационарные орбиты, где они могут находиться в течение многих лет.
Первыми искусственными аппаратами, запущенными в космос, были летающие бомбы, разработанные немцами. Когда эти технологии были захвачены американскими учеными, люди увидели преимущества их гражданского использования (хотя у бомб все еще было много сторонников). Если бы спутник мог отправлять из космоса снимки атмосферы в режиме реального времени, мы бы перенесли прогнозирование погоды за пределы этой планеты. Так оно и случилось.
Первым американским космическим кораблем был "Эксплорер 1", его запустили в спешке в январе 1958 года, чтобы потягаться с успешным запуском советских спутников ("Спутник 1" и "Спутник 2") в 1957 году. Ракета-носитель "Эксплорера 1" не смогла выйти на орбиту, в отличие от советских "Спутников", но несмотря на явный подтекст соперничества времен холодной войны, космический корабль был запущен под предлогом геофизического эксперимента - и это принесло свои результаты. "Эксплорер" открыл мощные магнитные полосы высоко над Землей. Они названы радиационными поясами Ван Аллена в честь ученого НАСА, который их обнаружил. Радиационные пояса Ван Аллена отвечают за отклонение заряженных частиц в солнечном ветре вокруг Земли. Этот материал направляется к полюсам, где, попадая в атмосферу, он создает эффект полярного сияния.
Первые космические системы представляли собой камеры, заброшенные на большую высоту с помощью суборбитальных ракет. Но собранные сведения не приносили особой пользы и не оправдывали высоких затрат. К 1959 году в разработке находились две конкурирующих спутниковых системы. Первым на орбиту попал ракетоноситель "Авангард", разработанный корпусом связи сухопутных войск США. Его миссией было измерить местоположение и густоту облаков. Однако на заре развития космических технологий нужно было многому научиться, в основном методом проб и ошибок. "Авангард" развернулся под неправильным углом и совершенно не годился для мониторинга земной поверхности и ее эллиптической орбиты, легче было запустить для этой цели доступные ракетоносители. В итоге "Авангард" списали, а программа НАСА "ТИРОС" 1960 года оказалась более успешной. К концу десятилетия спутники НАСА "Нимбус" собирали данные о температуре воздуха и облаках. Сегодняшние метеоспутники делают подробные снимки поверхности Земли, а для определения розы ветров используется радар микроволнового диапазона.
ТИРОС расшифровывается как спутник для инфракрасного телевизионного наблюдения. Спутники отправляли на Землю видео с облаками.
Тектоника плит
Благодаря работе многих ученых было открыто, что материки дрейфуют, землетрясения раскалывают горы на части, а земная кора плавает по поверхности магматического моря. Теория тектоники плит объединила все эти открытия.
Земная кора похожа на тонкую скорлупу из горных пород, покрывающую всю планету. Только она разбита на множество кусочков - плит, которые сталкиваются и перемалывают друг друга, создавая и разрушая твердые породы и меняя географию Земли.
Альфреду Вегенеру, автору теории дрейфа материков, нужно было найти подтверждение своей теории - объяснить механизм движения суши по всему миру. Он предположил, что континенты, по большей части состоящие из гранита с низкой плотностью, плавали по поверхности "моря" из более плотного базальта. Базальт, как известно, - главная магматическая порода, которая формирует морское дно. По мнению Вегенера, континенты прокладывают себе путь по морскому дну так же, как айсберги по морю.
Гарри Хесс рассказывает об основах тектоники плит, чтобы объяснить, почему поверхность Земли постоянно меняется.
У теории дрейфа материков появлялось все больше и больше подтверждений. Одним из самых убедительных был палеомагнетизм, то есть свойство горных пород намагничиваться под действием магнитного поля Земли в период своего формирования, хотя с того времени они сместились. Это стало доказательством, что породы и сформированные из них континенты "блуждают" по поверхности Земли. Но вопрос "каким образом?" пока оставался без ответа.
Решающий прорыв в развитии теории тектоники плит (тектоника означает "строение") случился в 1960 году. Американский геолог Гарри Хесс, у которого благодаря прочной связи с флотом США был неограниченный доступ к исследованиям океанического дна, предположил, что в области срединно-океанических хребтов формируется новая океаническая кора. На самом деле это трещины в земной коре, которые заполняет магма, и таким образом формируется новое базальтовое дно. Магма поднимается вверх за счет конвекционных потоков в мантии - Земля внутри как будто медленно кипит, - еще больше раздвигает трещины, медленно, но верно дно расширяется, все дальше отодвигая берега океана друг от друга. В прошлом трансатлантические кабели, проложенные по дну океана, порвались именно по этой причине. Хесс и другие ученые позже доказали, что дно Атлантического океана растягивается на 2,5 см в год.
Теория тектоники плит не только подтверждает теорию дрейфа материков, но также показывает, как формируются крупные черты рельефа поверхности, такие как горы, вулканы и океанические желоба.
Земная кора разделена на тектонические плиты. Срединно-океанические хребты формируют зоны расхождения плит - здесь образуется новая кора. Есть также зоны, где плиты сходятся, одна находит на другую, пока не расплавится и не станет частью мантии. Это территории, подверженные разрушительным землетрясениям (когда плиты истираются друг о друга), а также зоны расположения вулканов с выходящей на поверхность магмой. Тихий океан, сужающийся из-за спрединга Атлантического, окружен границами, которые образуют Тихоокеанское огненное кольцо - самую вулканогенную область на Земле.
Внутренний жар Земли запускает процесс движения плит и материков.
Марианская впадина
За всю историю человечество отправило больше людей в космос, чем в бездну Челленджера, самую глубокую точку Марианской впадины и океана. В 1960 году туда спустились первые люди в уникальном аппарате под названием батискаф.
Длина "Триеста" составляла 15 м. Главный резервуар вмещал в себя 85 000 литров топлива. С каждой стороны предусмотрены водяные балластные цистерны - для сохранения равновесия. Железный груз был сброшен из конусов, расположенных по обе стороны кабины экипажа, ширина которой была 2,16 м.
Батискаф, в отличие от подводной лодки, не имеет двигателя. Он погружается в воду и опускается вниз до самого дна. Батискаф, используемый в экспедиции 1960 года, назывался "Триест". Он был сконструирован швейцарским ученым Огюстом Пиккаром в Триесте (Италия), а управлял батискафом его сын Жак. Батискаф был собственностью ВМС США, в команде также был лейтенант Дон Уолш. Они сидели в гондоле, которая висела под огромным резервуаром с топливом. Резервуар играл роль поплавка, а нагруженный железным балластом "Триест" погружался на глубину.
Лейтенант ВМФ Дон Уолш (слева) и швейцарский ученый Жак Пиккар готовят батискаф к рекордному погружению.
23 января 1960 года "Триест" погрузился в океан. Спуск занял 5 часов, но на дне (10 916 м) Уолш и Пиккар едва провели 20 минут, а затем сбросили балласт, и началось трехчасовое путешествие наверх. Они планировали провести на дне больше времени, но из-за треснувшего внешнего иллюминатора они предусмотрительно решили вернуться на поверхность раньше. Давление воды на глубине более чем в тысячу раз превышает давление на поверхности.
Метеориты
В честь Юджина Шумейкера, основателя астрогеологии, названы астероид, комета и даже космический корабль. Его научная деятельность началась с исследования загадочного кратера в Аризонской пустыне.
Место, открытое Юджином Шумейкером, теперь известно как Метеоритный кратер.
Астрогеология сопоставляет данные о породах планет Солнечной системы, Луны и других космических объектов с тем, что уже известно о Земле. Таким образом ученые узнают их историю. Шумейкеру удалось найти убедительную связь между всеми породами Солнечной системы благодаря открытию кратера в центральной части Аризоны, который потом стал называться кратером Бэрринджера. Одни исследователи до Шумейкера считали кратер остатками вулкана, другие предполагали, что кратер возник из-за падения метеорита - каменной глыбы из космоса. В 1960 году Шумейкер, к своему удивлению, обнаружил в кратере кремнезем, минерал, который он раньше встречал только на полигонах, где проводили испытания ядерной бомбы. Он не мог возникнуть за счет естественных вулканических сил, только за счет энергии от удара метеорита. Шумейкер предоставил первое доказательство, что на Землю могут падать крупные метеориты со строением и составом, как у земных пород. То, что мы видим здесь на Земле, мы увидим и в космосе.
Колебания магнитного поля Земли
Палеомагнетизм как научная область возник в начале XX века, когда геологи заметили, что некоторые горные породы в конкретной области были намагничены в направлении, противоположном магнитному полю Земли.
Магнитометры измеряют силу и полярность магнитного поля. Специальные магнитометры тянули по дну, чтобы определить изменения полярности магнитных частиц, застывших внутри.
Палеомагнитные исследования были сосредоточены на составлении схемы движения континентов в течение разных геологических эпох. К концу 1960-х годов накопилось достаточно доказательств, что в прошлом магнитное поле Земли не раз меняло свою полярность. Если бы в далеком прошлом существовали компасы, то в определенные периоды истории Земли они бы указывали на юг. Намагниченные вулканические породы сохраняют следы магнитного поля Земли, то есть каким оно было в период их остывания. В ходе исследований спрединга морского дна как части теории тектоники плит стало очевидно, что магнитное поле меняло свою полярность 181 раз за последние 83 млн лет, - и скоро это может случиться снова.
В 1963 году появилась теория о том, как формируются островные цепи, подобные Гавайским. Это станет неоспоримой иллюстрацией спрединга морского дна.
Из космоса видно, как Гавайские острова прокладывают себе путь через океан.
Все, кто бывал на острове Гавайи, также называемом Большим островом, знают о его вулканическом происхождении. В большинстве вулканических областей вулканы формируют цепочку вдоль границы литосферной плиты. Однако это не про Гавайи. На других островах штата активных вулканов практически нет. Джон Тузо Вильсон развил идею горячей точки, предположив, что гавайские острова сформировались один за другим по мере того, как Тихоокеанская плита двигалась над восходящим потоком горячей магмы, пробивающейся сквозь кору. Эта горячая точка питала вулканы на поверхности, участвуя в создании острова. Морское дно, расширяясь, отодвигало остров все дальше от горячей точки, но восходящий магматический поток оставался на месте, в мантии. Поочередно над горячей точкой образовались новые острова и снова отдалились от нее, только вновь образованный остров до сих пор связан с магмой. Вопрос, как магма собирается в одной части мантии, чтобы создать плюм (или мантийный поток), до сих пор остается открытым.
Образование Земли
Что могут науки о Земле рассказать нам об образовании планеты? Лучшим объяснением остается теория 1969 года.
Планеты образовались из солнечной туманности, имеющей форму диска.
Мысль о том, что Земля и другие планеты Солнечной системы преобразовались неким образом из туманности - газопылевого облака - не нова. В 1969 году российский астроном Виктор Сафронов опубликовал свою теорию формирования планетарного диска - Солнечной небулярной модели, в которой точно описал весь процесс.
Космический телескоп "Кеплер" работал с 2009 по 2018 год, сканируя небо в поисках планет, вращающихся вокруг других звезд. Чему мы можем научиться у этих далеких планет?
Согласно теории, сначала из сжимающегося газового шарика сформировалось Солнце. В процессе его формирования из остатков (газопылевого) материала сформировался протопланетный диск. Более тяжелые составляющие, такие как частицы силикатов и металлов, вращались ближе к молодой звезде, в то время как легкие кристаллики льда находились дальше, где было достаточно холодно, чтобы они оставались в замерзшем состоянии. Постепенно разные материалы, сталкиваясь друг с другом, объединялись в более крупные объекты, которые называются планетезималями. По мере превращения в планеты планетезимали поглотили еще больше материала за счет силы притяжения.
Земля образовалась из тяжелых минералов и металлов, сконцентрированных вокруг Солнца. В течение миллионов лет периодические удары метеоритов разогрели земной шар до почти полностью расплавленного состояния. На этом этапе более плотные компоненты сдвинулись к центру молодой планеты, образовав металлическое ядро, более легкие силикаты образовали мантию и в конце концов поверхность планеты достаточно охладилась, образовав твердую земную кору.
Национальное управление океанических и атмосферных исследований
Ведущая организация США в области наук о Земле была основана в 1970 году, но на самом деле у нее более долгая и солидная история.
Историю Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) можно проследить с 1807 года, когда Конгресс потребовал тщательно изучить побережье новой страны. Береговая служба США была первым правительственным научным агентством в истории страны. К 1917 году организацию переименовали в Береговую и геодезическую службу США и ее сотрудниками стали младшие офицеры, а само ведомство приравнивалось к военным, наравне с армией, флотом и другими. Это было сделано, чтобы обеспечить защиту геодезистам, которые могли быть захвачены вражескими силами. Их можно было легко идентифицировать по форме и трудно принять за шпионов. В течение XX века добавилось много других агентств и служб, например, в 1965 году к Береговой и геодезической службе США присоединилось Метеобюро. А затем в 1970 году президент Ричард Никсон превратил всю эту сборную солянку агентств в Национальное управление океанических и атмосферных исследований, в надежде, что оно обеспечит "лучшую защиту жизни и имущества от стихийных бедствий... лучшее понимание окружающей нас среды... и рациональное использование наших морских ресурсов". Помимо исследования океанов и атмосферы Земли, новому агентству поручили присматривать за рыбным промыслом и морскими заповедниками, бороться с засухой и управлять спутниковым парком.
Сверхглубокие буровые скважины
Теория тектоники плит и многие другие теории физической геологии основываются на том, что мантия представляет собой вязкую смесь из горячих каменных хлопьев. Но это всего лишь догадка. Никто никогда не брал образцов материала мантии. Пришло время забуриться поглубже.
В 1961 году проект изучения недр Земли шел параллельно и не так интенсивно, как проект космической гонки. США запустили проект "Мохол", само название говорит, что это была попытка достичь поверхности Мохоровичича глубоководным бурением. Поверхность Мохоровичича находится на глубине 65 км под континентами, в то время как на определенных участках морского дна, толщина океанической коры составляет всего лишь 6 км, а то и еще меньше. Однако пробурить километры коры с плавучей платформы, дрейфующей довольно высоко над поверхностью морского дна, оказалось сложнее, чем отправиться в космос. Проект "Мохол" проходил на глубине океана 3,5 км, в результате бурения удалось собрать образцы океанической коры на глубине 183 м. Образцы, взятые глубже, чем когда-либо раньше, представляли большой интерес для геологов, но до поверхности Мохоровичича все еще было очень далеко.
В 1970 году Советский союз попытался обойти США в битве за мантию. Они выбрали другой подход - решили сверлить на суше, создав Кольскую сверхглубокую скважину в северо-западной части России. Бурение продолжалось до 1992 года, а в 1995 году проект официально закрыли. Так как же все происходило?
На выбранном месте было пробурено несколько скважин радиусом всего 23 см каждая. К 1989 году глубина одной из скважин составила 12 262 м. Команда продолжала энергично работать с целью достичь проектной глубины в 15 000 м к 1993 году. Однако высокая температура в 180 °C на глубине, достигнутой к 1989 году, сделала невозможным дальнейшее бурение. Кольская скважина по-прежнему остается самой глубокой на Земле, хотя она все также далека от поверхности Мохоровичича. (Скважины нефтяных месторождений имеют большую длину, но они идут не вертикально вниз, а под углом. Рекордная глубина скважины на сибирском побережье составляет 12 345 м.)
Буровая установка Кольской сверхглубокой скважины перед закрытием объекта в 1995 году.
Последняя попытка достичь мантии реализуется международным проектом "SloMo", который бурит дно Индийского океана в области хребта, где до мантии всего 2,5 км, и бур уже прошел половину пути.
Смерчи
Смерчи и ураганы происходят не только в Соединенных Штатах Америки, но ни одна страна не страдает от их разрушительной силы так часто. В 1971 году ввели шкалу оценки смерча, чтобы помочь людям подготовиться к потенциальной опасности.
Шкала Фудзиты в сравнении с другими способами оценки скорости ветра (шкала Бофорта, число Маха).
Смерч представляет собой атмосферный вихрь, соединяющий основание грозового облака с землей. Атмосферное давление внутри воронки очень низкое, примерно 80 % от регулярных показателей на уровне моря. Восходящий воздушный поток засасывает предметы в облако, и от смены давления здания могут буквально взрываться (в крайних случаях). У среднего по силе смерча скорость ветра может доходить до 180 км/ч, радиус достигать 80 м, а продолжительность всего нескольких минут до полного исчезновения. Однако в худшем случае радиус смерча достигает 3 км, скорость ветра - около 480 км/ч, оставляя следы разрушений протяженностью до 100 км.
Массовая вспышка смерчей 1974 года была самой жестокой за всю историю. За сутки с 3 по 4 апреля 148 смерчей прошли по 13 штатам - так называемая Аллея смерчей, простирающаяся от Техаса до Мичигана, - и 30 из них имели отметку F4 и выше. Они нанесли ущерб стоимостью 4,5 млрд долларов (по сегодняшним меркам) и привели к гибели 335 человек. Супервспышка 2011 года состояла из еще большего числа смерчей, их было 216, но они были не такими сильными. Тем не менее они нанесли ущерб городским районам и привели к гибели 348 человек.
Возможность предсказывать смерчи появилась в 1948 году после того, как в течение нескольких дней смерч дважды поразил военно-воздушную базу "Тинкер" в Оклахоме. Метеостанция на базе зафиксировала их общие начальные условия. В 1971 году Теодор "Тед" Фудзита представил шкалу c шестью категориями, от самой слабой отметки F0 до самой разрушительной F5. Хотя шкала Фудзиты основывается на скорости ветра внутри вихря, она помогает оценить ущерб и применяется ретроспективно, чтобы экстренные службы были направлены туда, где в них больше всего нуждаются.
Гидротермальные источники
В 1976 году исследователи океана обнаружили на его дне горячий ключ и странный биологический вид с необычным образом жизни.
Исследователи глубинных вод время от времени докладывали, что обнаружили сверхсоленую воду на дне холодного океана. Предполагалось, что эта вода просочилась откуда-нибудь из вулканически активных областей морского дна. Ученые задавались вопросом, нет ли в породах этих областей ценных металлов, но обнаружить источники горячей воды в темном и глубоком море было непросто. Однако в июне 1976 года исследователи из Океанографического института Скриппса в Сан-Диего нашли один такой источник в восточной части Тихого океана, неподалеку от Галапагосских островов.
Температура некоторых гидротермальных источников может достигать 464 °C. Они остаются жидкими за счет высокого давления на морском дне и большого количества растворенных в воде минеральных веществ. Часто эти вещества при контакте с холодной водой океана выпадают в виде темного облака, создавая так называемого черного курильщика.
По предварительным оценкам данных с дистанционно управляемых камер, ключ, или, точнее, гидротермальный источник, был слишком горячим для живых организмов. Температура воды вокруг него составляла 60 °C, в то время как во всем океане она была лишь 2 °C. Исследовательская команда института дала источнику прозвище "Печеные моллюски" (любые морские животные просто сварились бы в вулканической воде). Они строили планы познакомиться с источником поближе с помощью батискафа "Алвин", которым управляли из Океанографического института Вудс-Хоул, расположенного на восточном побережье. По прибытии стало очевидно, что, вопреки всем оценкам, дела обстояли наоборот, - источник питал плодородную экосистему. Ничего подобного они раньше не встречали.
Вода из источников поднимается вверх по каналам, проходя сквозь камни, нагретые вулканическими процессами глубоко внизу. Достигая морского дна, она становится минеральной и используется в пищу бактериями, которые живут в теплой воде. Многие животные, такие как черви и моллюски, позволяют этим бактериям жить внутри своего тела, получая взамен питательные вещества. Это единственная экосистема на Земле, которая не зависит от солнечной энергии.
"Алвин" и другие подводные погружные аппараты были созданы, чтобы заменить батискафы 1960-х годов. Они были более маневренные, оборудованные световой аппаратурой, камерами и устройствами для забора образцов.
Массовые вымирания
Около 66 млн лет назад динозавры и другие крупные рептилии, господствовавшие на Земле, внезапно исчезли. Это событие ознаменовало конец мезозойской и начало кайнозойской эры. В 1980 году отец и сын нашли в горных породах разгадку - причину гибели динозавров.
Всего было пять великих массовых вымираний, ближайшее к нам по времени - мел-палеогеновое, которое считается относительно слабым.
Геохронологические границы всегда связаны с глобальными изменениями в горных породах и ископаемых останках. Граница мелового и палеогенового периодов (граница K-Pg) находится в конце мелового периода K - последнего периода мезозойской эры - и отмечает начало палеогенового периода Pg - первого периода кайнозойской эры и времени больших перемен. В это время пропали не только большие рептилии, но и все моллюски и многие цветковые растения. Вопрос "почему все эти формы жизни внезапно исчезли" горячо обсуждался. По старой версии, динозавры стали такими большими и медлительными, что не смогли подстроиться под изменение климата. В 1980 году маститый физик-ядерщик Луис Альварес и его сын-геолог Уолтер выдвинули гипотезу получше - что вымирание совпало с падением на Землю метеорита. В результате обширные участки земли были выжжены, а облака пыли в атмосфере на много лет скрыли всю планету от Солнца. Такие условия и привели к гибели 3⁄4 всех живых организмов на Земле. В качестве доказательства Альварес приводил повышенное содержание в образцах пород иридия, минерала метеоритного происхождения, который образуется при сильном столкновении. Тонкий слой этого минерала покрывал всю планету на границе мелового и палеогенового периода. В гипотезе Альвареса не было указано, где произошло столкновение, но в 1990 году в южной части Мексики был обнаружен кратер Чиксулуб диаметром 150 км. Сейчас большую его часть покрывает вода Карибского моря. По оценкам, кратер образовался, когда на Землю упал "космический булыжник" до 80 км в поперечнике!
Луис (слева) и Уолтер Альваресы у границы K-Pg в Италии.
Лахар
Извержения вулканов часто происходили внезапно и становились смертоносными трагедиями. В 1985 году мир стал свидетелем малоизученной вулканической угрозы, разрушившей город Армеро.
На карте Геологической службы США изображены опасные зоны вокруг горы Рейнир, высокого вулкана в штате Вашингтон.
В ночь на 13 ноября 1985 года произошло извержение вулкана Невадо-дель-Руис в колумбийском департаменте Толима. Это не было неожиданностью, за последние два месяца вулканологи предупреждали о повышенной активности вулкана. Однако местные жители были не слишком обеспокоены: обычно извержения не достигали населенных пунктов. Но в этот раз все было иначе - пирокластические потоки (смесь вулканических газов и перегретого пепла) растопили горные ледники, что привело к образованию лахаров (вулканогенных селей). В общей сложности с горы со скоростью 50 км/ч спустились четыре лахара. Они набрали большую скорость, проходя через лощины, и попали в шесть главных речных долин, питающихся от ледников. Два лахара объединились в приток реки в 20 км от извержения и прошли 15 км вниз по склону. Эта смесь грязи, воды и камней поглотила город Армеро. Большинство из 29 000 жителей города спали, свыше 20 000 человек погибли, когда лахар накрыл их дома. Еще 3000 человек погибли, когда лахары достигли других городов. Эта вторая по количеству жертв вулканическая катастрофа XX века, и ее можно было избежать, если бы людей эвакуировали заранее.
Лахар оставил шрам на ландшафте горного поселения в Индонезии.
Озоновая дыра
В конце 1920-х годов ученые изобрели искусственные газы в качестве безопасной альтернативы токсичным газам хладагентов и пропеллентов. Эти газы, известные как хлорфторуглероды (или фреоны), оказались глобальной угрозой.
Лаборатория "Дюпон", которая занималась промышленным производством фреонов, также искала химически инертное вещество. Ученые предполагали, что связь между атомами хлора, фтора и углерода невозможно нарушить в естественных условиях, поэтому они не видели опасности в использовании этого газа. Их гипотезу подтвердили испытания, и новый газ сменил токсичные и взрывоопасные вещества в аэрозольных баллончиках и холодильниках. После использования газ уходил в атмосферу и все о нем забывали.
В 1995 году Марио Молина (на фото) и Шервуд Роуленд разделили Нобелевскую премию по химии с голландским ученым Паулем Крутценом, специалистом в области наук об атмосфере и озонового слоя.
В 1973 году два ученых-химика из Калифорнийского университета, американец Шервуд Роуленд и мексиканец Марио Молина, решили глубже изучить влияние хлорфторуглеродов на атмосферу. Они обнаружили, что CFC доходят до середины стратосферы, прежде чем разложиться под действием солнечной радиации. Затем они поняли, что в процессе распада высвобождаются свободные атомы хлора, которые вступают в реакцию с озоном в стратосфере. (Озон - редкая форма кислорода, в молекуле которого три атома кислорода вместо привычных двух.) Озон токсичен для животных, но озоновый слой в стратосфере играет роль надежного экрана, защищающего планету от ультрафиолетового излучения. В 1985 году Британская антарктическая служба подтвердила опасения Молины и Роуленда. Хлорфторуглероды создали огромную дыру над Антарктидой. Если бы они продолжали накапливаться там и дальше, весь озоновый слой мог исчезнуть. Последствия могли быть непредсказуемыми, ведь ультрафиолет губителен для всех живых организмов. В течение полутора лет был подписан Монреальский протокол - мировой запрет на производство фреонов - столкнувшись с общей угрозой, мировое сообщество показало редкий пример единства.
На иллюстрации изображены сначала рост, а потом сокращение озоновой дыры за последние десятилетия. Темно-серым показано истощение озонового щита в верхних слоях атмосферы.
Земля - снежный ком
Теорию ледниковых периодов приняли более века назад. А в 1992 году была предложена более радикальная идея. Что если в далеком прошлом планета настолько охладилась, что полностью замерзла? И может быть, это внезапное оледенение было как-то связано с эволюцией многоклеточных?
В то время как темная поверхность поглощает свет и тепло, светлая, наоборот, их отражает. Соответственно, альбедо, то есть отражающая способность Земли, возрастает с увеличением количества льда на поверхности планеты. В 1960-е годы советский климатолог Михаил Иванович Будыко предположил, что у этого процесса есть обратная связь, то есть и без того холодный климат становится еще холоднее, из-за того что солнечное тепло отражается от поверхности планеты. Не так ли Земля превратилась в снежный ком?
Название для этой гипотезы, "Земля - снежный ком", предложил в 1992 году американский геолог Джозеф Киршвинк. Однако идея глобального оледенения в прошлом - возможно, даже нескольких - давно витала в воздухе среди геофизиков. Одна из теорий принадлежала Дугласу Моусону, австралийскому геологу, который нашел доказательства обледенения в докембрийских породах Австралии. Это подсказало Моусону, что весь мир, по крайней мере суша, некогда был покрыт ледниками. Каким еще образом может замерзнуть такая субтропическая страна, как Австралия? Моусон работал в начале 1950-х годов, до того как свидетельство континентального дрейфа перевесило мнения, высказанные против него. Поэтому мысль, что Австралия когда-то находилась на более северных широтах, не фигурировала в его суждениях. Тем не менее идею замерзшей Земли никогда не сбрасывали со счетов.
Воздух, которым мы дышим, на 21 % состоит из кислорода, но так было не всегда. Кислород выделяют растения в процессе фотосинтеза. Раньше в атмосфере Земли было гораздо больше углекислого газа. Ранние формы живых организмов не использовали кислород, и когда в атмосфере его стало больше (в результате фотосинтеза), он оказался токсичным для большинства живых организмов на Земле, что спровоцировало их массовое вымирание, так называемую кислородную катастрофу. Полосчатая железорудная формация (на фото) образуется при взаимодействии чистого железа с кислородом, образуя слои гематита. Это верный признак того времени, когда в воздухе произошел кислородный всплеск.
В 1960-е годы в рамках изучения дрейфа материков и тектоники плит данные палеомагнитных исследований показали, что, когда на Шпицбергене и в Гренландии были залежи ледников, сами они (архипелаг и остров) находились гораздо южнее - в тропических широтах. Продолжая работу в этом направлении, ученые предположили, что оледенение было настолько масштабным, что даже в тропиках океан превратился в лед.
Существует несколько предположений о том, что могло вызвать глобальное оледенение. Одно из них объясняет происходящее эффектом альбедо - белая, покрытая льдами планета отражала больше тепла. Или, возможно, резко сократилось содержание углекислого газа на планете, что привело к уменьшению парникового эффекта, и планета стала терять больше тепла, чем раньше. С помощью моделирования удалось подтвердить, что в условиях холодного климата большая часть поверхности Земли замерзла и могла долго оставаться в таком состоянии за счет механизмов, описанных выше.
По словам Джозефа Киршвинка Земля была покрыта льдами и напоминала снежный ком в протерозойскую эру, до возникновения сложных форм жизни. Он предположил, что этот период длился 100 млн лет и почти все моря замерзли, осталась лишь небольшая полынья у экватора. Другие ученые предполагали, что оледенение было не таким экстремальным и некоторые области регулярно оттаивали и замерзали снова, поэтому его лучше характеризует словосочетание "талый снежок". Что бы там ни было, снег или слякоть, эта часть истории Земли теперь называется криогенный период. Другой пример оледенения Земли - Гуронское оледенение, одно из древнейших и наиболее продолжительных в истории планеты, продолжавшееся около 300 млн лет (2,4-2,1 млрд лет назад). Причиной Гуронского оледенения была кислородная катастрофа, в ходе которой в атмосферу Земли поступило большое количество кислорода, выработанного фотосинтезирующими организмами, а уровень углекислого газа соответственно сильно упал, что привело к гораздо более прохладному климату.
Проект "АРГО"
В 1999 году в Мэриленде прошла встреча океанографов, на которой обсуждали комплексную стратегию наблюдения за океанами. В результате была поставлена цель обновить методы сбора данных. Так появился проект "АРГО".
В начале 1990-х годов для исследования рельефа поверхности мирового океана (у него есть выступы и впадины, вызываемые приливами, ветрами и течениями) был запущен спутник "Ясон", названный в честь легендарного древнегреческого мореплавателя. Когда океанографы решили установить систему промеров в морях, чтобы дополнить данные, полученные со спутника, они назвали проект "АРГО" в честь корабля Ясона, на котором он и его команда аргонавтов отправились за золотым руном. Всего за 8 лет под эгидой "АРГО" было спущено на воду 3000 поплавковых зондов для создания карт, показывающих, как меняется температура и соленость океана, в режиме реального времени.
Каждый поплавок "АРГО" служит около четырех лет. В настоящее время около 300 поплавков работают одновременно.
Каждый поплавок "АРГО" отправляет данные по спутниковой связи. Он также погружается в воду через определенные отрезки времени и собирает данные с различной глубины. Это происходит за счет закачивания масла в резиновую камеру, от чего меняется плотность, и погружение становится возможным. К настоящему времени поплавки "АРГО" отправили уже больше миллиона отчетов с данными.
Происхождение Луны
Размер Луны составляет 1/4 от размера Земли. Несмотря на свой скромный размер, Луна считается довольно большим спутником. Но откуда она взялась?
Большую часть XX века теория Дарвина считалась лучшей теорией происхождения Луны. Но не Чарлза, а его сына Джорджа, астронома и геолога. Дарвин предположил, что молодая Земля, все еще очень горячая и мягкая, вращалась с высокой скоростью, и от нее оторвался кусок или куски расплавленного вещества (магматический сгусток). Вещество вышло на орбиту и, постепенно остывая, превратилось в Луну.
Гипотеза центробежного отделения поначалу была не более чем плодом воображения Дарвина, так как не имела реальных доказательств. Однако в 60-70-е годы XX века все изменилось, когда астронавты "Аполлона" вернулись на Землю с впечатляющей добычей - образцами лунных пород.
Представьте, какое было бы зрелище - увидеть столкновение двух планет!
Минеральный состав Луны оказался похожим на состав земной мантии. Это было логично, если Луна образовалась из того же материала. Теория центробежного отделения стала популярной, обойдя две конкурирующие гипотезы. Первая из них, гипотеза совместной аккреции, объясняет параллельное формирование Земли и Луны как двух отдельных тел из одного и того же исходного материала. Но у этой гипотезы есть противоречия. Если оба тела формировались в одинаковых условиях, почему тогда Луна не является уменьшенной копией Земли? За счет большого металлического ядра Земля превосходит Луну по плотности почти в два раза. Считается, что у Луны очень маленькое холодное ядро. Может быть, Луна образовалась где-то в другом месте Солнечной системы? Так объясняет происхождение Луны гипотеза захвата: однажды Луна проходила мимо Земли и попала в ее гравитационное поле. Но и у этой гипотезы есть слабые места. Спутники других планет были захвачены верхними слоями их атмосферы, которые достаточно сильно замедляют движение космических тел, чтобы поймать их в ловушку своей орбиты. Но, чтобы захватить такое большое небесное тело, как Луна, молодая Земля должна была обладать густой и плотной атмосферой немыслимого размера.
Мы всегда видим одну и ту же сторону Луны. Несмотря на то, что Луна вращается, ее вращение привязано к вращению Земли. Период вращения вокруг Земли и период вращения вокруг своей оси у Луны совпадают - и, хотя оба тела непрерывно движутся, мы можем наблюдать лишь одно полушарие Луны. На нее действуют силы притяжения Земли, они замедляют скорость ее вращения до полной синхронизации с Землей.
В целом геологи не считали теорию центробежного отделения истиной в последней инстанции, и к XXI веку, спустя много лет изысканий и предположений, они предложили альтернативную гипотезу.
Разработка гипотезы столкновения началась с открытия того, что лунные породы состоят из силикатных минералов, входящих в состав мантии Земли.
У этой гипотезы впечатляющее название "Модель мегаимпакта" (также известна как "Гигантское столкновение"). После долгого и многократного компьютерного моделирования текущая гипотеза стала звучать следующим образом: размер Земли изначально составлял 90 % от текущего. Около 4,4 млрд лет назад (после того, как у Земли было несколько миллионов лет, чтобы привести себя в порядок) рядом появилась еще одна планета, по размерам сравнимая с Марсом. Эта гипотетическая планета называется Тейя в честь древнегреческой богини, породившей Солнце и Луну. Тейя ударила Землю по касательной - этого было недостаточно для того, чтобы обе планеты разрушились, но достаточно для того, чтобы их поверхности расплавились и превратились в океан магмы, а сами планеты слились в одну. Ударом выбило кусок расплавленной материи из мантии Земли, который попал на околоземную орбиту и собрался в Луну. Эта гипотеза объясняет, почему минералы лунных пород так похожи на минералы в составе мантии Земли и почему ядро Луны такое крохотное по сравнению с ядром нашей планеты (металл у Земли находился гораздо глубже). Что касается Земли, гипотеза объясняет, почему металлическое ядро Земли такое большое для планеты ее размера - 1/6 часть массы Земли теперь является Луной. Кроме того, теория столкновения с Тейей подтвердила, что земная кора тонкая и может треснуть, а это, в свою очередь, существенная особенность постоянно меняющейся тектонической поверхности Земли - чего нет ни на одной другой планете.
Самыми очевидными чертами лунной поверхности являются темные области. Наблюдатели древности считали их водоемами, поэтому называли их maria, что в переводе с латыни означает "моря". Лунным морям были даны названия, например Море Спокойствия. Моря представляют собой плоские равнины, залитые затвердевшей лавой от вулканических извержений. Несмотря на устоявшееся представление о видимой стороне Луны (изображена сверху), моря покрывают лишь около 16 % поверхности. Обратная сторона Луны (изображена снизу) покрыта холмисто-овражистыми материками. Этому есть такое объяснение: так как Луна образовалась из обломков после гигантского столкновения, два крупных, но неоднородных объекта соединились, в результате чего одна сторона Луны имеет более толстую кору, чем другая. Извержения вулканов, сформировавшие моря, редко были достаточно мощными для того, чтобы разорвать более толстую кору, вместо этого они прорвались сквозь тонкую.
Цунами
Волна цунами, приближающаяся к земле, глазами художника.
Термин "цунами" в переводе с японского означает "волна, заходящая в гавань", что как бы намекает на коварную природу этого явления. В 2004 году мир вспомнил, насколько беспощадным может быть цунами. На рассвете 26 декабря 2004 года на западном побережье северной Суматры (главный остров в Индонезии), там, где Австралийская литосферная плита встречается с Индийской, случилось крупное землетрясение мощностью 9,1 балла по шкале Рихтера. Это землетрясение входит в тройку самых сильных землетрясений за всю историю наблюдения. В течение 9 минут произошел сдвиг 1400 км породы по разлому, проходящему по морскому дну, континентальные породы Австралийской плиты с меньшей плотностью поднялись на 40 м, в то время как более плотная Индийская плита утонула под ней. Высвобожденная землетрясением энергия была эквивалентна силе 23 000 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму. Движение заставило всю планету отклониться на сантиметр от своей оси.
Смещение морского дна заставляет водяной столб двигаться, создавая волну на поверхности моря. Волна, попадая на мелководье, замедляется и набирает высоту, пока не разобьется о сушу.
Спустя 15 минут система предупреждения цунами, созданная на Гавайях, зафиксировала толчки. Однако ничего не было сделано. Через 5 минут после этого 30-метровая волна накрыла город Банда-Ачех на Суматре, затопив большую часть зданий и унеся жизни более 170 000 человек. Вместе с тем волна цунами распространилась во всех направлениях и уже через час обрушилась на побережье Тайланда, из-за чего погибло много людей, проводивших там зимний отпуск. Как и в случае с Банда-Ачехом, волна разрушила всю инфраструктуру, поэтому спасатели не могли быстро добраться до берега, а также отправить предупреждение о риске цунами в другие места. Через 2 часа после землетрясения беда пришла на Шри-Ланку. Волна цунами прошла вдоль южного побережья островного государства, в результате чего погибло 30 000 человек, проживавших в той области. Примерно в это же время пострадали Восточная Индия и Бирма, а волна продолжала свое путешествие через Индийский океан, теряя свою силу. Тем не менее через 8 часов после землетрясения 10-метровые волны добрались до Кении и Сомали, приведя к гибели 300 человек.
После цунами в Индийском океане была создана международная система оповещения по аналогии с уже существующей в Тихом океане. На морском дне были размещены сейсмометры для прослушивания подземных толчков далеко от суши. Они передают сведения в центр управления, и при необходимости центр отдает приказы эвакуировать людей.
В течение одного дня цунами 2004 года в Индийском океане стало причиной гибели 227 989 человек в 14 странах.
Цунами занимает важное место во многих культурах. В Японии, стране, где изобрели сам термин, и которая страдала от цунами и землетрясений больше любых других народов, есть жанр повествования, в котором часто встречается упоминание об опасном чудовище - кайдзю, возникающем из океана и разрушающем целые города. В произведении "Кандид" 1759 года французский писатель Вольтер помещает персонажей в Лиссабон во время цунами 1755 года; это сатира на философию оптимизма, широко обсуждаемую в те времена.
Без повсеместных систем предупреждения очень трудно защититься от цунами. Часто цунами по ошибке называют приливными волнами, но на самом деле оно не имеет ничего общего с приливами и отливами. Этому явлению больше подходит определение "сейсмических волн, вызванных смещением большого объема воды". Причиной цунами (также как землетрясений и извержений вулканов) могут стать подводные оползни, айсберги, оторвавшиеся от ледников, и удары метеоритов. Рекордная высота волны цунами из всех когда-либо зарегистрированных достигала 524 м. Эту чудовищную волну вызвал оползень в заливе Литуйя, фьорде на Аляске.
По сравнению с обычными океаническими волнами, длина волны цунами просто гигантская. Расстояние от одного периода цунами до другого может достигать 500 км, и в результате высота волны едва заметна над уровнем моря. В открытом море цунами может развивать скорость до 800 км/ч, и только достигая мелководья, волна замедляется, увеличиваясь в высоте. В этом и состоит суть "портовой волны". Моряки в море и не подозревают о волне, которая внезапно вырастает около берега.
Цунами обычно состоят из серии волн (цуг внутренних волн), которые прибывают с интервалом в несколько минут или, возможно, часов. Цунами содержит в себе так много воды, что сначала обычно происходит отход воды от берега, как во время прилива. Через несколько минут, когда приходит цунами, оно может выглядеть не как разбивающаяся волна, а как быстрорастущий прилив, поднимающийся вдоль всего побережья, - отсюда и термин "приливная волна". Однако цунами заходит на берег далеко за пределы стандартного прилива.
Источник воды на Земле
Земля - единственная из известных планета, поверхность которой покрыта водой. Почему воды так много и откуда она взялась? В 2014 году космический корабль отправился в дальний космос, чтобы проверить одну догадку.
Вода не является редким веществом в Солнечной системе, но чаще всего она существует в виде льда. Нам известно крайне мало мест, где жидкая вода не замерзла бы из-за холода или не испарилась из-за низкого давления газов. Только на поверхности Земли вода существует в жидком виде. Это благодаря тому, что планета вращается вокруг Солнца на правильном расстоянии, так что температура на поверхности находится выше точки замерзания и ниже точки кипения. Однако так было не всегда. Когда Земля была молодой, должно быть, было гораздо жарче. Всегда ли поверхность планеты покрывал океан или когда-то она была полностью сухой?
Вероятно, когда Земля только образовалась, вода в виде льда была частью смеси разных веществ, наряду с твердой углекислотой, метаном и некоторыми другими газами, такими как водород и гелий. Тяжелые бомбардировки метеоритами, в том числе "Большое столкновение", после которого образовалась Луна, привели к выпариванию горных пород. Атмосфера Земли на ранней стадии состояла из образовавшегося пара, который за несколько веков снова осел и превратился в твердые породы, а из остаточных материалов, таких как водяной пар и углекислый газ, образовалась атмосфера. Уровень углекислого газа неоднократно повышался и падал, а водяной пар постоянно высвобождался из недр Земли. В результате все больше и больше воды собиралось в атмосфере.
Вода присутствует во всех частях Земли. Большая часть водяного пара сконцентрирована в нижнем слое атмосферы. Здесь не показана вода, содержащаяся в мантии Земли, там ее может быть больше, чем на поверхности.
Рингвудит - это форма силиката магния, которая формируется при высоком давлении и температуре, обнаруженных в мантии Земли на глубине примерно в 600 км. По кристаллам рингвудита можно точно сказать, что они образовались при участии воды. Значит, верхний слой мантии очень влажный и содержит в 3 раза больше воды, чем поверхность Земли.
Существуют кристаллы циркона, возраст которых превышает 4,4 млрд лет. Это говорит о том, что часть Земли была в то время твердой и такой и осталась. Однако крайне важно, что для образования цирконов нужна жидкая вода. В тяжелой атмосфере молодой Земли, состоявшей из углекислого газа, вода оставалась жидкой до 230 °C. В таких условиях водяной пар формировал в атмосфере первые облака и выпадал первыми дождями в самые первые дни истории планеты. Вода собиралась в местах, которые теперь стали океаническими бассейнами, и собирается там до сих пор. Однако пришла ли вся вода, что мы видим сейчас на поверхности, из недр Земли, или большая часть попала к нам из космоса?
Мировой океан на планете Земля выглядит впечатляюще, но он не самый большой в Солнечной системе. Европа - второй по величине спутник Юпитера, вся его поверхность полностью состоит изо льда, с ущельями, трещинами и вулканами, которые извергают слякоть вместо лавы. Приливные силы Юпитера деформируют спутник, и под ледяной коркой сохраняется оптимальная температура для жидкости, то есть воды. Внутренний океан Европы может находиться на глубине 100 км и содержать в 3 раза больше воды, чем все океанические бассейны Земли.
Слово "комета" в переводе с греческого означает "волосатая звезда", намекая на полосатый хвост, который формируется у этой незваной гостьи. Однако ей больше подходит имя "грязный снежный ком", потому что кометы состоят из спрессованного льда, смешанного с пылью и сажистыми веществами. Кометы прибывают из дальних мест Солнечной системы и представляют собой материалы, оставшиеся после образования планет. Возможно, большой запас воды на Земле появился от миллионов комет, врезавшихся в нее в первые сотни миллионов лет ее существования. В 2004 году для исследования кометы Чурюмова - Герасименко (также известной как 67P) в космос был запущен европейский космический аппарат "Розетта". Через 10 лет он встретился с кометой далеко за пределами орбиты Марса. Спускаемый аппарат был отправлен изучать поверхность кометы и работать с орбитальным аппаратом над изучением химических сигнатур в воде (кроме всего прочего). Вода на 67P отличалась от воды на Земле. Пожалуй, наши океаны все же не имеют отношения к космосу.
Очищение океана
В 1988 году Национальное управление океанических и атмосферных исследований впервые зарегистрировало Большое тихоокеанское мусорное пятно. Даже воды открытого океана оказались загрязнены пластиковыми отходами. Через 30 лет была запущена система очищения.
Разработка методов очищения океана от пластика и прочего мусора - это один из способов решения проблемы. Другой способ - использовать меньше пластика и обеспечить его правильную утилизацию.
Большое тихоокеанское мусорное пятно сформировалось из смываемых в Тихий океан отходов, которые за десятилетия скопились в мусорный остров. Это место циркуляции течений, где воды океана медленно превращаются в петлю. Такие места есть во всех океанах, но именно это, в северной части Тихого океана, особенно загрязнено. Виной тому - безответственная утилизация пластика (преимущественно из Азии). Мусорный остров лежит между Гавайями и Калифорнией и совсем не похож на пластиковый плот, как можно было бы ожидать. Его нельзя распознать с неба или спутника, так как кусочки пластика очень маленькие и расположены на большом расстоянии друг от друга. Тем не менее, по словам исследователей, пластик покрывает площадь в 1,6 млн км2, а в центральной части пятна на квадратный километр приходится по 100 кг мусора. Это 80 000 тонн пластика и 1,8 трлн кусочков. Помимо этого мусорного пятна, частицы пластика обнаруживают везде, от глубоких океанических впадин до арктических льдов.
В 2018 году некоммерческая организация "Оушен Клинап" запустила программу по извлечению мусора из Тихого океана с помощью бонового заграждения. За 2 месяца реальных испытаний они собрали 2 тонны пластика, стало очевидно, что система нуждается в улучшении. Организация собирается развернуть в Тихом океане еще 60 двухкилометровых очистных систем.
Планетология
Сегодня исследователи Земли - это неотъемлемые участники любой группы космических исследований. Их навыки нужны для проектирования космических кораблей, которые помогут постичь загадки других планет, как науки о Земле помогли понять нашу планету.
Более 99 % известных нам планет находятся за пределами Солнечной системы. Большую часть экзопланет мы не сможем увидеть даже в телескоп, но это должно измениться с появлением Чрезвычайно большого телескопа. Такой телескоп с диаметром зеркала в 40 м строят в Чили. Создатели говорят, что с его помощью мы сможем ясно увидеть экзопланеты и даже определить химический состав их атмосфер.
В 1960 году Юджин Шумейкер однозначно продемонстрировал, что породы из космоса имеют тот же состав, что и земные. Однако развивающаяся быстрыми темпами космическая наука не нуждалась в дополнительном поощрении, чтобы отправиться взглянуть поближе на соседние спутники и планеты. Первые межпланетные миссии осуществляли, облетая планеты, что позволяло рассмотреть их поближе в течение нескольких минут. Они помогали выявить особенности поверхности и проанализировать химический состав атмосферы. В 1971 году планетология сделала большой шаг вперед благодаря миссии НАСА "Маринер-9" - запуску межпланетной станции на орбиту Марса. Орбитальная станция смогла произвести съемку местности почти всей поверхности красной планеты, открыв такие особенности рельефа, как гора Олимп (вулкан, более чем в 2 раза превышающий Эверест, настолько большой, что занял бы всю Аризону) и долины Маринера - обширную систему каньонов глубиной 7 км.
Полным ходом идет подготовка к следующей глобальной миссии на Марс. В 2018 году "Орбитальный аппарат для исследования малых составляющих атмосферы", созданный по программе "ЭкзоМарс", начал "обнюхивать" атмосферу Марса, чтобы проверить ее на наличие метана. Возможно, что его выделяют инопланетные формы жизни, живущие в марсианских горных породах, подобно микробам, питающихся горными породами на Земле. Орбитальный аппарат также протестировал систему посадки, которой воспользуются в следующие несколько лет, чтобы доставить на поверхность Марса новый марсоход "Розалин Франклин" (на иллюстрации). Предыдущие марсоходы были оснащены крошечными дробилками и скребками по камню, но этот привезет с собой двухметровый бур, чтобы проникнуть в породы красной планеты глубже, чем когда-либо ранее.
Следующие этапы включали в себя спускаемые аппараты. Первые попытки на Венере оказались безрезультатными, ее плотная, кислая атмосфера оказалась негостеприимной к космическому кораблю. Но были и успешные миссии, когда удалось спустить аппараты к астероидам, кометам и даже на спутник Сатурна Титан. Тем не менее Марс был главным приоритетом планетологии, с ним работали орбитальные станции, спускаемые аппараты и марсоходы. Их миссия заключается в том, чтобы найти марсианские породы, проверить атмосферу на признаки воды и жизни. Возможно, люди однажды высадятся на Марсе и среди них непременно будут исследователи Земли.
Науки о Земле: основы
Итак, что дают нам все эти открытия? Науки о Земле помогают проникнуть под оболочку нашей планеты и совершить путешествие по атмосферным слоям до самого космоса. Ниже приведены основные понятия для тех, кто интересуется наукой о Земле.
Магматические. Эти породы образуются, когда магма - горячая жидкая смесь минеральных компонентов - охлаждается и затвердевает. Магма существует глубоко в недрах Земли. Извергаясь на поверхность, она превращается в лаву. Минеральный состав магматической породы зависит от веществ, содержащихся в магме. Наиболее часто встречаются соединения, богатые кремнием, - такие породы отличаются бледным цветом. В состав более темных пород входят железо, алюминий и другие металлы.
Осадочные. Если магматические породы залегают в земной коре, осадочные породы составляют около 80 % всех горных пород на поверхности. Они образуются из обломков и частиц горных пород, минеральных и химических веществ, которые оседают, образуя слои. За миллионы лет эти слои уплотняются и склеиваются друг с другом. Осадочные породы более рыхлые по сравнению с магматическими, так как их структура (склейка частиц) образовалась в результате химических процессов.
Метаморфические. Крайние значения температуры и давления могут изменять физико-химический состав минералов, образуя новую форму уже известных нам пород - метаморфическую. Метаморфизму подвержены любые породы: магматические, осадочные и даже сами метаморфические. Процесс трансформации проходит настолько интенсивно, что потом трудно определить, какая порода была изначально.
Образование горных пород. Горная порода представляет собой набор минералов, а минералы - это твердые образования, естественный продукт геологических процессов. Всего существует около 3000 видов минералов, сюда входят и драгоценные камни, такие как алмаз, изумруд, а также практически полезные тальк, асбест и гипс. Однако большая часть горных пород состоит из нескольких минералов, преимущественно образованных из кремния и кислорода. Некоторые минералы, например оксиды металлов и разновидности карбоната кальция, изначально образовались на поверхности Земли, в то время как силикаты представляют первичную основу горных пород. Минералы составляют основу бурлящей в недрах Земли магмы. Магма кристаллизуется, образуя магматические породы. Магматическая порода, образованная на поверхности Земли, обычно на дне океана, с большой вероятностью будет базальтом, а сформированная под землей - гранитом. Гранит составляет 70 % континентальной земной коры. Породы вулканического происхождения являются исходным материалом для других видов горных пород, которые образуются в результате цикла преобразования.
Породы одного возраста, обладающие схожей структурой, сильно рассредоточены по всему земному шару. Это говорит о том, что, образовавшись в одном месте, они затем разделились и распространились по планете. Геологи нанесли их на карту, чтобы восстановить картину, как континенты перемещались и меняли свою форму. Далее мы можем увидеть дрейф материков за последние 380 млн лет, начиная примерно со времени появления в океане первых позвоночных и выхода их на сушу.
380 млн лет назад О более ранних континентальных образованиях нет достаточно четкого представления, но начиная с этого времени - середины девонского периода - на Земле было три континента.
200 млн лет назад К юрскому периоду, когда стали появляться первые динозавры и млекопитающие, континенты слились в единый суперконтинент под названием Пангея.
135 млн лет назад В течение мелового периода, в самом разгаре века рептилий, континенты стали обретать отчетливые очертания и отделяться друг от друга.
50 млн лет назад После того как динозавры вымерли, на Земле стали господствовать птицы и млекопитающие. В это время Северная и Южная Америка уже были отдельными материками.
Наши дни Хотя дрейф материков продолжается и по сей день, их нынешние очертания сформировались около 8 млн лет назад, когда наши предки (человекообразные обезьяны) спустились с дерева.
По сравнению с атмосферами других планет, атмосфера Земли имеет две крайности. С одной стороны, она является самой стабильной с температурой не более 100 °C от максимальной до минимальной, и в большинстве мест на поверхности Земли значения температуры довольно близки. С другой стороны, атмосфера Земли - насколько мы можем судить - самая переменчивая. В то время как ветры и ураганы на других планетах могут быть суровее и масштабнее, они длятся дольше по времени и перемежаются периодами спокойствия. Атмосфера Земли, напротив, находится в постоянном движении, что влияет на разнообразие метеорологических условий в разных географических точках. Мы называем это непрерывно изменяющееся состояние "погодой", и знания о ней имеют важное практическое значение для сельского хозяйства, судоходства, авиасообщения и повседневной жизни в целом.
Облака - это исключительно красивое природное явление. Все они заслуживают нашего внимания несмотря на то, что по ним не всегда можно составить точный прогноз погоды.
Облачность. Еще с древних времен люди искали способы предсказывать изменения погоды, а облака были очевидным сигналом этих изменений. Определенные облачные образования связаны с приближением конкретных погодных явлений. Самый точный признак приближающегося дождя - серые облака, затянувшие небо. Согласно этой примете, толкование облаков имеет смысл лишь в том случае, когда погода уже более-менее установилась, что обесценивает силу любого предсказания. Вместо расшифровки облаков метеорологи разработали специальные технологии - сеть наблюдательных пунктов, радиолокационные комплексы, а затем и метеоспутники, чтобы вычислять, где сейчас находятся облака и куда они двигаются. Эту информацию, наряду с другими данными о температуре воздуха и атмосферном давлении, используют для составления прогноза.
Атмосферные фронты. Погодные изменения связаны с прохождением атмосферного фронта - пограничной зоны между воздушными массами. Теплый фронт встречает массу более теплого воздуха, поднимающуюся над массой холодного воздуха, которая отталкивает его. Теплому фронту предшествует увеличение облачности, возможно, туман, а затем кратковременный дождь. Теплый фронт несет с собой ясную и солнечную погоду. Холодный фронт прокладывает себе путь под господствующими воздушными массами. Позади него надвигаются высокие дождевые облака, создающие сильный и непрерывный дождь, возможно, с громом и молниями. Если восходящего воздушного потока достаточно, дождь поднимется выше и, замерзнув, превратится в град. Если капли дождя проходят через холодный воздух, они превращаются в снежинки.
Круговорот воды. Большая часть нашей планеты покрыта водой, и преобразование воды в лед и пар и обратно - процесс, важный для понимания наук о Земле. Океаны наполнены водой, около 1 % атмосферы составляет водяной пар, хотя значения могут существенно различаться, и все чаще геологи подозревают, что глубоко в коре и мантии Земли тоже есть большой запас воды. Текучесть и химический состав магмы зависит от содержания воды, и, в свою очередь, это влияет на горные породы, которые она образует. На поверхности Земли течет вода, ледники и ледяные щиты усердно обтачивают твердые породы, что является важной фазой цикла преобразования горных пород. И, конечно, погодные явления подвижны, ими движет постоянный круговорот воды из океанов и с суши в атмосферу, где вода превращается в облака и снова проливается дождем на поверхность.
Метеорологи стали понимать закономерности погоды с учетом атмосферных фронтов в 1920-х годах.
Круговорот воды в природе запускается солнечным теплом, когда вода с поверхности испаряется в атмосферу. Большая часть испарений происходит над океаном, но пар достигает атмосферы без растворенных в нем солей. Таким образом, дождь - важный и постоянный источник пресной воды.
Разделить всю земную сушу на большие области со схожим климатом, включая местность с одинаковым средним количеством осадков и сходными сезонными колебаниями температуры, вполне возможно. Становится ясно, что даже в далеко расположенных друг от друга уголках Земли наблюдаются схожие климатические особенности. Наглядным примером является пустыня - любой регион с уровнем осадков меньше 25 см в год. Климат создает схожие условия обитания (и проблемы выживания) для растений и животных: растение, способное выжить в австралийской пустыне, имеет все шансы выжить и в любой другой. Такие климатические области, как степи и лесостепи, более-менее похожи по составу флоры и фауны. Окаменелости и наличие (или отсутствие) химических веществ в воде, свойственные таким природным зонам, могут показать, где сформировалась порода.
Климатические зоны тесно связаны с понятием биологических регионов (или биомов). Каждый биом имеет определенный набор биотопов (или сред обитания). Самым крупным является биом океана, его характеризует вода, остальные девять биомов определяются климатом. На климат могут влиять особенности конкретной местности, например, места вдали от моря более засушливые, чем прибрежные районы, а в высокогорных районах температура ниже, чем у моря. Однако более универсальный показатель - близость к экватору, где климат мягче, чем у полюсов.
Можно выделить следующие 10 биомов:
• смешанные леса;
• тайга;
• степи и лесостепи;
• кустарниковые степи;
• влажные тропические леса;
• пустыни;
• горные леса;
• тундра;
• океан;
• арктические пустыни.
Нерешенные вопросы
Науки о Земле постепенно свели на нет загадки нашей планеты и позволили многое узнать о том, как устроен мир. Однако все еще остается немало вопросов о Земле, на которые нужно найти ответы. Давайте озвучим некоторые из них.
Сегодня горные породы образуются из осадочных отложений на поверхности Земли - точно так же, как и раньше. Это первое правило геологии, верно? Но кое-что изменилось. Фрагменты материала, участвующего в цикле преобразования горных пород, больше не просто породообразующие минералы, получившиеся из других пород или посредством естественных процессов. Напротив, к ним примешались материалы, произведенные человеком, - микроскопические частицы пластика, продукты нефтепереработки и радиоактивные металлы, созданные внутри ядерных реакторов (или бомб). Через миллионы лет все это станет частью твердых пород абсолютно нового типа, неизвестного прежде.
Песчаник с этого пляжа будет содержать в том числе частицы пластика.
Вырубка лесов изменит состав отложений, из которых формируются будущие породы Земли.
Эти "неестественные" породы не представляют особой опасности для будущего планеты. В конце концов человеческая деятельность не сильно затронет Землю. Необычным пластам и за несколько тысяч лет не удастся значительно повлиять на планету в глобальном смысле.
Однако следует ли геологам уделять им больше внимания? Когда геологи видят глобальные изменения на геологической шкале, они используют их для проведения границы новой эпохи - или даже периода. Вопрос в том, изменили ли мы, люди, химический состав атмосферы и океанов, разнообразие видов на Земле настолько, что создали предпосылки для открытия новой эпохи? Текущая эпоха называется голоценом, она началась по окончании последнего ледникового периода около 12 000 лет назад. Существует научная школа, утверждающая, что мы вступили в новую эпоху, имя которой "антропоцен", что означает "эпоха людей".
Со времен Второй мировой войны осадочные породы стали содержать в себе микроскопические следы искусственных радиоактивных веществ, не встречавшихся ранее.
Геологическое сообщество все еще не знает, стоит ли перерисовывать шкалу геологического времени и включать в нее антропоцен. Логика сильна - человеческая деятельность изменила Землю достаточно, чтобы оставить след в геологии будущего. Однако стоит ли принимать это во внимание уже сейчас? Если да, то это бесспорно станет сигналом для мира о воздействии человечества на планету, а не полезным инструментом для самой геологии.
В конце концов рафинированные стали снова превратятся в природные оксидные минералы.
Решение было отложено международными комитетами, ответственными за подобные вещи (Международная комиссия по стратиграфии и Международный союз геологических наук). Есть одна загвоздка - с чем связать начало антропоцена? С появлением глиняной посуды? Оно предшествовало голоцену, попробуйте еще раз. С началом XIX века, когда угольные шахты и металлургические заводы начали оставлять свой след на отложениях? Хотя эта деятельность оказывает огромное влияние на местные почвы, она не так широко распространена, чтобы представлять глобальные изменения. Предпочтительная дата начала антропоцена - 16 июля 1945 года. Это день "Тринити", первого в мире испытания технологии ядерного оружия в штате Нью-Мексико. Это был первый ядерный взрыв в истории, и он оставил после себя радиоактивные следы в отложениях по всему земному шару. Ядерное оружие все изменило.
Углекислый газ и другие парниковые газы, поступающие в атмосферу, уменьшают количество излучаемого Землей в космос тепла. Дополнительная тепловая энергия накапливается в атмосфере и океанах. К чему это может привести? С большой долей вероятности потепление приведет к экстремальным погодным условиям - более жестоким ураганам и продолжительным засухам. К тому же поднимется уровень моря, отчасти из-за того, что воды океана, нагреваясь, слегка расширятся, что приведет к общему увеличению объема мирового океана. Что не менее важно, уровень моря может вырасти из-за таяния ледяных шапок в Арктике, например в Гренландии. (В качестве примера: если все льды, покрывающие Антарктиду, растают, уровень воды на Земле поднимется на 60 м, хотя никто не предрекает этого в ближайшем будущем.)
Сможем ли мы повернуть вспять таяние полярных ледников?
Возможно ли смоделировать наиболее благоприятный климат? Вероятно, сперва мы должны сократить выбросы CO2 в атмосферу, используя альтернативные источники энергии. Также мы могли бы снизить степень нагрева Земли Солнцем, развернув в космосе огромные зеркала, которые отражали бы свет. Аналогично мы могли бы распылить с самолета мелкий порошок, рассеивающий свет. Еще один способ - выкачать из воздуха излишки углекислого газа. Их можно извлечь при помощи химических веществ, а потом закачать в почву или преобразовать в более полезные вещества. И в заключении, мы можем воспользоваться биологическим "углеродным насосом" - живые организмы, обитающие в океане, преобразуют углекислый газ, растворенный в воде в твердые тела, например ракушки. Добавив в океаны органических удобрений, богатых железом, мы добьемся бурного роста водорослей. Моллюски питаются водорослями, поэтому их популяция в свою очередь тоже численно возрастет. Плотные, богатые углеродом ракушки в конце концов опустятся на дно. Таким образом, количество углекислого газа в воде и воздухе постепенно начнет снижаться. Какую бы стратегию мы не выбрали, моделирование климата станет масштабнейшим проектом в человеческой истории.
Земная ось, вращаясь, описывает круг каждые 26 000 лет. Это значит, что Северный полюс не всегда указывает на один и тот же участок неба. Представление об этом явлении, теперь известном как прецессия, существует со времен Древней Греции. Прецессию вызывает гравитационное поле Солнца и притяжение Луны, которые воздействуют на одну сторону Земли немного сильнее, чем на другую. Если к этому добавить гравитационное воздействие Марса, Венеры и всего прочего в атмосфере, колебание Земли превратится в виляние, так называемую нутацию.
Еще одной причиной колебаний считается движение полюсов. Это явление было частично открыто американским астрономом Сетом Чандлером в 1891 году и названо в его честь чандлеровским колебанием полюсов Земли. Существуют аналогичные силы, которые изменяют местоположение оси Земли, поэтому точка на поверхности, вокруг которой вращается планета, каждый день немного смещается. Северный и Южный полюса находятся в постоянном движении, завиваясь вокруг официально обозначенных точек (90° с. ш. и 90° ю. ш.) и смещаясь приблизительно на 20 м каждые полтора года. Для точного измерения широты (что важно для GPS-навигации) необходимо учитывать это небольшое, но значимое изменение.
Каждое извержение вулкана, каждое землетрясение в некоторой степени дестабилизируют планету.
Международная служба широты начала отслеживать колебания Земли в 1899 году, чтобы регистрировать сдвиги. (Проект был окончательно завершен в 1982 году, когда ему на смену пришло спутниковое наблюдение.) Тем не менее причины колебаний полюсов довольно трудно установить. Считается, что одни колебания вызваны движением огромных ледников, в частности ледяного покрова Гренландии, меняющего центр тяжести планеты. Другие колебания вероятно вызваны изменением формы Земли, внутри которой "ходит" магма. На протяжении многих лет и десятилетий земная сфера вздувается, трескается и покрывается рябью, как гигантская дрожащая капля росы.
После того, как 66 млн лет назад исчезли динозавры, на Земле были равные условия для жизни всех существ, некоторые из которых конкурировали между собой за право доминировать. Поначалу казалось, что змеи, ящерицы и птицы должны одержать верх в этой борьбе, но где-то через 30 млн лет победили млекопитающие. Век млекопитающих подарил нам гигантских ленивцев (Южная Америка), огромных вомбатов (Австралия), шерстистых носорогов и мамонтов (Евразия).
В прошлом все было иначе. Не верите? Спросите у саблезубого тигра или короткомордого медведя.
Однако 100 000 лет назад они стали внезапно уменьшаться в размерах - сначала в Африке, а затем повсюду. Современные млекопитающие в два раза меньше, чем были тогда. Приблизительно в то же время человеческий род (включая наших сородичей неандертальцев) распространялся по планете. Неужели это мы истребили всех крупных наземных млекопитающих? Распространили болезнь, которая всех их сгубила? Или они вымерли из-за охоты на них? Причиной их исчезновения также могут быть климатические изменения, которые привели к ледниковому периоду. Эксперты предполагают, что проблемы, вызванные людьми, вкупе с изменением климата сделали выживание крупных зверей непосильной задачей. Это лишь доказывает, что во все времена люди воздействовали на планету не самым лучшим образом.
Американское исследование 2018 года показало, что 2 % опрошенных уверены, что Земля имеет форму диска, а не сферы. Они полагают, что Земля стоит на месте, в то время как Солнце и Луна движутся по кругу над диском, сменяя день и ночь. Край диска представляет собой ледяную стену, которая удерживает воды мирового океана. Существует много доводов против, большинство из них известны на протяжении многих веков, поэтому тяжело понять, с какой стороны подступиться, чтобы развенчать этот миф. Возможно, самым простым доводом является то, что свет распространяется по прямой, и если бы Земля была плоской, вы могли бы увидеть свет, исходящий из любой точки на Земле. Все верно, но горы блокируют вид, - ответят сторонники теории плоской Земли. В таком случае, в какой бы точке Земли вы не находились, вы должны видеть горы на расстоянии, но это не всегда так. Однако некоторые люди все равно придерживаются идеи плоской Земли. И это происходит не от недостатка ума (хотя недостаток знаний о Земле может быть причиной). Более вероятно, что сторонников больше привлекает идея принадлежности к особой группе людей, которые вопреки всему сопротивляются могущественной силе, которая пытается ими манипулировать. Может быть, в этой теории есть некое рациональное зерно, а может быть и нет, но науки о Земле, да и вообще все науки, призваны помочь найти истину, а не одурачить.
Некоторые страны активно строят планы отправить людей на Луну, а затем на Марс. Путь до Марса - это путешествие длиной в 55 млн км. Это не впечатляет исследователей Земли, ведь космос явно пуст по сравнению с нашей планетой. Если бы столько же внимания и денег уделялось спуску вниз, а не подъему наверх, к чему бы мы пришли? Как показал проект "Мохол" и другие, путешествие вглубь Земли такое же сложное, как и полет к другим планетам, или даже сложнее. Однако профессор Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института придумал ввести дистанционно-управляемый зонд в ядро Земли, дешевле (хотя возможно рискованнее), чем программа "Аполлон". Его план таков - с помощью ядерной бомбы сделать трещину в коре Земли и залить в нее 10 млн тонн расплавленного железа (что составляет недельный объем глобального производства).
Стоит ли раскалывать Землю, чтобы заглянуть поглубже?
Холодная кора вокруг горячего металла треснет, позволяя железу все глубже и глубже проникать в Землю. Стивенсон подсчитал, что железа будет достаточно, чтобы пробиться сквозь мантию и добраться до ядра. Все, что нужно, это зонд, который сможет выдержать жар расплавленного железа (и недр Земли). Зонд мог бы передавать данные, которые он собирает по пути вниз (спуск займет около недели), в виде сейсмических волн, которые проходят через породы.
Подсчитано, что существует много миллионов скалистых планет, подобных Земле, на которых есть вода.
Экзопланета - это планета, которая существует в другой Солнечной системе, она вращается вокруг другой звезды, подобной Солнцу. Первые экзопланеты открыли в 1990-х годах, а после успешной миссии космической обсерватории НАСА "Кеплер" астрономы обнаружили тысячи других. У большинства звезд есть минимум одна планета, получается, что в нашей галактике экзопланет больше, чем звезд (в галактике Млечный Путь несколько миллиардов звезд).
Не все звезды такие же, как наше Солнце. В то время как одни могут быть маленькими и холодными, другие - слишком яркие и склонные к взрывам.
Около 0,5 % экзопланет, открытых на сегодняшний день, имеют схожие с Землей черты: они скалистые и плотные, вращаются по орбите собственных солнечных систем, на них есть жидкая вода, а не пар или лед, хотя такое состояние воды наиболее вероятно для других мест во Вселенной. Даже такой маленький процент экзопланет является существенной прибавкой к минимуму в 500 млн землеподобных планет в нашей галактике. Эти планеты, обладая запасами воды и правильным химическим составом атмосферы, могут служить хорошим убежищем для инопланетных форм жизни. Однако считается, что инопланетные существа, скорее всего, представляют собой простейшие организмы, сравнимые с нашими бактериями. Чтобы эволюционировать в более сложные формы нужен другой набор особенностей Земли; ну а чтобы стать цивилизацией, отправившейся покорять космос, должно сойтись много взаимосвязанных факторов. Например, наше Солнце - спокойная звезда, она не выплескивает энергию, которая бы могла ликвидировать жизнь на Земле, а наша Луна огромна и находится на орбите, возможно, благодаря невероятному столкновению двух планет на заре истории Земли. Сила притяжения такой большой Луны вызывает возмущения в недрах нашей планеты, нагревая ее изнутри. Тепло усиливает напряжение магнитного поля, создаваемого железным ядром Земли. Наше сильное магнитное поле не пропускает опасную космическую радиацию, без него жизни на Земле грозила бы серьезная опасность. Кроме того, Юпитер, наш большой сосед по космосу, берет на себя большое количество хаотично движущихся комет, которые иначе могли бы врезаться в Землю с пугающей регулярностью и вызывать вымирания видов, препятствуя долгой и медленной эволюции цивилизации (которая была у нас). Вывод из гипотезы уникальной Земли предполагает, что жизнь может быть довольно распространенной, но цивилизация маловероятна, и, возможно, мы, люди, действительно самые разумные существа во Вселенной.