Взламывая планету Земля

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.

Стары как мир

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.

Калейдоскоп наук

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.

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.

Многослойная планета

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.

Линии на глобусах и картах

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.

Смена времен года

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.

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.

Измерение продолжительности дня

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.

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.

Силы стихии

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.

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»).

Новые науки

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.