Текст книги "Взламывая планету Земля"

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.

Задача измерения

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.

Шкала Цельсия

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.

Градус географической широты

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.

Подробности

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.

Причины и наблюдения

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).

Принцип актуализма

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.

Рассыпаясь в пыль

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.

Цикл преобразования горных пород

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».

Из чего состоит облако?

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.