очно 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.