Текст книги "100 великих научных достижений России"

Геология, геофизика

Климатология Воейкова

Метеоролог-климатолог, географ, путешественник, популяризатор науки; доктор философии Геттингенского университета, почетный доктор физической географии Московского и профессор Петербургского университетов; член-корреспондент Петербургской АН, член многих русских и зарубежных научных обществ; организатор и председатель Метеорологической комиссии Русского географического общества (РГО); основатель и главный редактор первого метеорологического журнала «Метеорологический вестник»; организатор 12 специальных станций с расширенной программой сельскохозяйственных метеорологических наблюдений; редактор отдела географии Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, один из инициаторов и организаторов специального географического высшего образования, первый директор Высших географических курсов; глава Петербургского вегетарианского общества; обладатель большой золотой медали РГО и золотой медали Всемирной выставки в Париже 1878 г., Александр Иванович Воейков (1842–1916) является основоположником климатологии в России.

Если бы потребовалось назвать из великих русских ученых самого доброго и отзывчивого, кандидатом № 1 наверняка бы стал Александр Иванович Воейков. Это был скромный вечный труженик-бессребреник и потому, наверное, свободный человек.

А.И. Воейков – из когорты русских ученых-естественников (Н.И. Вавилов, В.А. Обручев), которые не только исходили мир, но и оставили миру свои фундаментальные научные исследования, составившие гордость России.

«Долго ль мне гулять на свете / То в коляске, то верхом, / То в кибитке, то в карете, / То в телеге, то пешком?» – эти строки явно о Воейкове. Легче назвать, где не «погулял» путешественник, чем перечислить места, которые Александр Иванович видел собственными глазами. Во всяком случае, на корабле он обогнул земной шар и посетил Западную и Восточную Европу, Ближний Восток, Северную, Центральную и Южную Америку, Южную, Переднюю и Юго-Восточную Азию, Европейскую часть России, Кавказ, Южный Урал, Крым, Среднюю Азию… В некоторых регионах он побывал не раз и не два, и не в одном, а в десятках мест.

Могила А.И. Воейкова в Санкт-Петербурге

Ученого гнала по миру жажда исследователя. С 8 лет Воейков записывал сведения о температуре воздуха, направлении и скорости ветра, о дождях, снежных буранах, грозах и иных явлениях природы, стараясь увязать их в стройную систему.

Грандиозные путешествия дали ученому материал к не менее грандиозному научному и научно-популярному наследию: 1700 публикаций вышло из-под его пера – книг, статей, рефератов, рецензий, заметок самого разного свойства (перечень их занимает более 60 страниц машинописного текста). Из них как минимум четыре сотни (есть данные – 517) классических научных трудов по климатам.

Труды метеоролога венчает монография «Климаты земного шара, в особенности России». Эта книга, изданная в 1884 г. Санкт-Петербургским картографическим заведением А. Ильина, в твердом переплете мраморного цвета, с приложением 14 графических таблиц и 10 карт давно стала библиографической редкостью. Энциклопедия климатологии земного шара была переведена на основные европейские языки. За этот труд РГО удостоило ученого высшей своей наградой – золотой Константиновской медалью.

За время, прошедшее с той поры, о климате в мире накоплено столько информации, что для ее обобщения вновь требуется климатолог ранга Воейкова. Тем не менее до сих пор труды русского ученого (прежде всего «Климаты земного шара») используются как учебное пособие, и главные его выводы «не полиняли и перышком». Что же это за положения?

До Воейкова в науке не имелось классификации климатов Земли, отсутствовали описания отдельных климатических зон, не было систематизации рек по гидрологическому режиму, неясна была взаимосвязь климата с основными компонентами природы – почвой, воздухом, водами, растительным и животным миром. Никто из ученых не занимался атмосферой, снегом, обледенением, не изучал культурного (и бескультурного) воздействия человека на природу. И т. д.

Все это Воейкову пришлось осваивать и систематизировать впервые. Он был не только пионером многих земель, часто продираясь по ним сквозь заросли с топором в руке, но и пионером науки. Все, о чем говорится далее, он сделал впервые, потому мы это слово опустим.

По большому счету, Воейков дал описание системы климатов и поставил задачу выяснения сущности метеорологических явлений и структуры климатических процессов. Ученого не пугало отсутствие многолетних метеорологических данных. В обобщениях ему помогали эрудиция, интуиция и убежденность во взаимосвязанности всех природных явлений. Исследователь использовал любой косвенный признак – от типа жилища до структуры почв.

При изучении климатических и географических явлений Воейков применил т. н. метод балансов – количественно характеризующий динамические явления по перемещению вещества и энергии в ландшафтных комплексах. Этот метод нашел широкое приложение в физической географии (радиационный баланс, тепловой, водный, баланс снежного покрова, баланс биомассы и т. д.), а также стал основой работы физико-географических станций и вообще геофизики ландшафта.

Учитывая целый комплекс климатических факторов (многолетних, сезонных и суточных колебаний уровня воды, температуры и расходов воды, ледовых явлений, наносов и т. п.), Воейков сгруппировал реки по гидрологическому режиму. Классификация Воейкова стала основой всех последующих классификаций.

Воейков рассмотрел климатическое взаимодействие различных территорий при переносе воздушных масс, исследовал циркуляцию атмосферы, установил роль муссонов на Дальнем Востоке и вообще во внетропической зоне. Нашел отрог высокого давления, простирающийся от сибирского антициклона через степи России в Западную Европу, – т. н. «ось большого материка Воейкова» – и выяснил его роль в распределении ветров на Русской равнине. Для понимания процессов приземного климата стал изучать высокие слои атмосферы.

Начав осваивать историю изменений климата Земли, ученый создал палеоклиматологию. Приведя в систему знания о сезонных явлениях природы, сроках их наступления и причинах, определяющих эти сроки, основал фенологию. Обработав громадный массив данных, заложил основы сельскохозяйственной метеорологии. Эти науки помогли ему «внедрить» в Закавказье чай, бамбук и цитрусовые; на юге России начать выращивать кукурузу и табак, а на севере – лен и зерновые; Средней Азии предложить египетский и американский хлопок.

А еще Воейков заложил основы учения о снеге, снежном покрове, его влиянии на почву, климат и погоду и способах исследования; изучал оледенение и вечную мерзлоту; занимался вопросами осушения заболоченных и орошения засушливых районов; в борьбе с засухой предложил полезащитное лесоразведение; разработал методы повышения урожайности сельхозкультур; занимаясь курортологией («Климат Боржома и Боржомского имения» и другие работы), нашел несколько новых районов для организации климатических лечебных мест…

Поддадимся естественному искушению сказать о Воейкове доброе слово. Дадим его племяннице Александра Ивановича – Н.И. Ильиной.

«А.И. Воейков, так же как и друг его Д.И. Менделеев, не был академиком… И вообще в царской России “дядюшка профессор” пользовался куда меньшей известностью, чем наш дальний родственник В.Н. Воейков, ничем не отличившийся, кроме своей близости ко двору Николая II.

Все почести, вся слава – памятник, село и обсерватория, названные именем Воейкова, и пролив в архипелаге Курильских островов, и ледник на Северном Урале, тоже его имя носящие, – все это пришло к Александру Ивановичу лишь после смерти, что, видимо, обычно для наших широт, где, по слову Пушкина, любить умеют только мертвых.

Как бы, вероятно, изумился своим посмертным почестям этот скромнейший, деликатнейший человек, при жизни своей даже академиком не ставший и избранный в члены-корреспонденты лишь на шестьдесят девятом году жизни. Писал, изобретал, делал открытия, путешествовал, учился, учил других, помогал всем, кому мог, взвалил на свои плечи огромную семью брата, а сам жениться не успел…»

Геохимия Вернадского

Естествоиспытатель, мыслитель, общественный деятель, историк и организатор науки, профессор Московского университета, академик Петербургской АН и АН СССР, первый президент АН Украины, член-корреспондент Парижской АН, иностранный член Чешской и Югославской АН, Британской ассоциации наук, Немецкого химического общества, Геологического общества Франции, Минералогических обществ США и Германии, основатель и директор Биогеохимической лаборатории, Радиевого института и других научных учреждений, организатор и председатель Комиссии по изучению естественных производительных сил России, лауреат Сталинской премии. Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) является автором многочисленных трудов (около 700) по геологии, минералогии, философии естествознания, науковедению, биосфере и ноосфере. Важнейшим достижением ученого стало создание им комплекса современных наук о Земле – геохимии, биогеохимии, генетической минералогии, радиогеологии, гидрогеологии, а также организация соответствующих научных школ.

Нередко Вернадского называют Ломоносовым XX века. Уж очень многообразна была деятельность ученого – естествоиспытателя-энциклопедиста, философа, историка и организатора науки. Он оставил свой след в самых разных областях человеческого знания и создал много новых. В последнее время чаще упоминают о Владимире Ивановиче как о мыслителе, занятом проблемами биосферы и ноосферы. Сам Вернадский считал науку и философию двумя различными, хотя и взаимосвязанными способами познания мира, причем философию называл «жизненной атмосферой, питательным бульоном для науки». Оставим ноосферу философам и займемся землей – геологией, минералогией, геохимией. Постоянным предметом исследований Вернадского была история минералов и химических элементов Земли. Начав с разработки вопросов минералогии и кристаллографии, ученый большую часть жизни создавал и развивал геохимию, а последние 15 лет жизни занимался проблемами биохимии. «Под занавес» Вернадский выдвинул идею перерастания биосферы (области жизни) в ноосферу (область разума), тем самым наделив стихийный разум направляющей силой сознательной эволюции.

В.И. Вернадский

60 лет отдал ученый «камню», которым заложил фундамент «могущества российского». Нашу страну считают мировой кладовой полезных ископаемых, причем не потенциальных, а открытых и изученных – во многом благодаря инициативам Вернадского.

После защиты магистерской диссертации по минералогии (1891) и докторской по кристаллографии (1897) ученый активно участвовал в геологических экспедициях по горнорудным районам Восточной и Центральной Европы, Крыма, Кавказа, Забайкалья, Урала, Ферганы. В 1909 г. Вернадский на съезде русских естествоиспытателей и врачей в Москве сделал доклад «Парагенезис химических элементов в земной коре», положивший официальное начало этой новой науке. Геохимик успешно занимался количественными оценками распределения химических элементов в земной коре и развивал представление о природных изоморфных рядах, открывшее путь к формулированию законов распределения. Новый метод исследования истории химических элементов с применением явления радиоактивности, которое Вернадский начал изучать первым в России, базировался на существовании генетической связи химических элементов. Результаты своих исследований ученый публиковал в выпусках «Опытов описательной минералогии».

В начале XX в. Вернадский уже был научным светилом мировой величины, создавшим новую естественно-научную дисциплину – геохимию, «описывающую судьбу и превращения атомов Земли и космоса». Вместе с другими выдающимися геохимиками – А.Е. Ферсманом, Ф.У. Кларком (США) и В.М. Гольдшмидтом (Норвегия) – он сформулировал основные задачи новой науки: исследование распространенности химических элементов и их распределения (вместе с изотопами) в Земле в целом; изучение закономерностей поведения (миграции элементов) химических элементов в геологических и техногенных процессах, ведущих к концентрации или рассеянию элементов, формированию горных пород и минералов, месторождений полезных ископаемых.

Ученый стал основоположником нескольких разделов геохимии:

– историю, условия накопления и геохимическую роль неживого органического вещества изучает органическая геохимия;

– геохимическое влияние техногенных процессов, связанных с деятельностью промышленных предприятий и техники исследует геохимия техногенеза;

– закономерности разделения изотопов элементов в геологических процессах и разработку критериев использования этих данных для решения теоретических и прикладных задач геологии постигает геохимия изотопов;

– космическими объектами (планетами, их спутниками, астероидами, метеоритами, космической пылью и др.) занимается геохимия космоса.

Логическим продолжением геохимии стала биогеохимия Вернадского (1916), содержавшая новый взгляд на окружающую природу и природу человека, – наука о роли организмов в истории химических элементов Земли и о взаимосвязи организмов с земной корой.

Значительный вклад в разработку всех этих направлений геохимии сделан коллегами и учениками Вернадского – Я.В. Самойловым, А.Е. Ферсманом, А.П. Виноградовым, Б.Б. Полыновым, А.И. Перельманом.

В 1927 г. Вернадский предложил Геохимическую классификацию элементов по признаку их геохимического сходства, то есть по признаку их совместной концентрации в определенных природных системах. В классификации он выделил шесть геохимических групп: благородные газы, благородные металлы, циклические элементы, рассеянные элементы, элементы сильнорадиоактивные и элементы редких земель.

Не забывал ученый и о комплектовании минералогической части музея АН, ставшего благодаря его стараниям Геологическим и минералогическим музеем мирового уровня. Первым директором его был сам Вернадский. Из каждой поездки за рубеж, из каждой экспедиции он привозил коллекции камней и метеоритов. Ежегодно со всех частей света присылали в музей по сотне и более коллекций. Есть в музее и минерал из Италии, названный именем ученого – вернадскит.

Проблему радиоактивности Вернадский изучал много лет. Осознав, какую огромную энергию можно извлечь из ядер урана, геолог поначалу занимался картированием месторождений радиоактивных минералов и сбором образцов, затем в 1909 г. создал специальное радиологическое отделение при Петербургской геохимической лаборатории, еще через несколько лет разработал атомную программу, одобренную и профинансированную правительством и частными лицами, организовал несколько экспедиций по поиску месторождений урана. Дойдя до идеи цепной реакции и ядерного синтеза, ученый не смог продолжить работы в этом направлении из-за социальных перемен, прервавших его научные исследования. И хотя в 1921 г. учеником Вернадского В.Г. Хлопиным был получен первый русский радий из ферганской руды, а по инициативе самого Вернадского в 1922 г. в Петербурге был создан Радиевый институт, Владимир Иванович остановился буквально на пороге создания атомной бомбы. И только через 10 лет, в 1930-е гг., Вернадский инициировал продолжение работ по поиску урана, а в июне 1940 г. создание Комиссии по урану, чем фактически положил начало ядерному проекту в СССР.

Связанной с этой проблемой и одной из самых молодых геологических наук, получившей на протяжении прошлого века развитие во многих странах мира, стала радиогеология Вернадского.

Состоя в трех (из восьми) отделений АН СССР – геологогео-графическом, физико-математическом и химических наук, ученый до последних дней был не «свадебным генералом», а полководцем науки.

В 1940 г., когда Владимиру Ивановичу было 77 лет, вышли в свет его «Биогеохимические очерки», в 1944 г. – «Несколько слов о ноосфере». Последние годы Вернадский возглавлял Комитет по метеоритам и космической пыли, Комиссию по изотопам, участвовал в работе Международного комитета по геологическому времени и др.

На сегодня геохимия заняла ведущее место среди наук о Земле, подтвердив предсказание Вернадского о ее центральной роли среди наук о веществе.

Геохимия Ферсмана

Геолог, минералог, геохимик; государственный и общественный деятель; пропагандист и популяризатор наук о Земле; профессор, заведующий кафедрами Московского городского народного университета им. А.Л. Шанявского, Высших женских Бестужевских курсов, Петроградского (Ленинградского) университета, ректор Географического института; академик, вице-президент АН СССР, организатор и председатель Уральского филиала АН СССР; член многих зарубежных академий и научных обществ; ученый секретарь Комиссии по изучению естественных производительных сил России при АН; председатель специальной Комиссии сырья и химических материалов Комитета военно-технической помощи; старший хранитель минералогического отделения Геологического и минералогического музея Санкт-Петербургской АН; директор Минералогического музея АН СССР; руководитель многочисленных геологических экспедиций; организатор и директор Минералогического, Геохимического институтов АН СССР, Института геохимии, минералогии и кристаллографии им. М.В. Ломоносова, Института геологических наук АН СССР; основатель и редактор журнала «Природа»; лауреат Премии им. В.И. Ленина, Сталинской премии I степени и других премий, кавалер ордена Трудового Красного Знамени, обладатель медали Волластона и др. отечественных и иностранных наград, Александр Евгеньевич Ферсман (1883–1945) является одним из основоположников геохимии.

А.Е. Ферсман, внесший вклад в развитие наук о Земле не меньший, чем В.И. Вернадский, создал вместе со своим учителем современную геохимию, изучающую историю атомов и элементов в земной коре. Этих ученых, посвятивших свою жизнь новой науке, подарившей им мировую известность, можно назвать «поэтами камня» (А.Н. Толстой).

А.Е. Ферсман

Александр Евгеньевич часто говорил, что его «жизнь – это история любви к камню», и эта любовь воплотилась у Ферсмана в целую пирамиду трудов. Ученый создал два десятка фундаментальных монографий по геохимии. Написал 1500 статей по минералогии и кристаллографии, по химии и геологии, по астрономии и географии, по археологии и аэрофотосъемке, по биологии и почвоведению, по философии и искусству. Издал ряд научно-популярных книг, ставших классикой жанра. Составил и прочитал несколько учебных курсов по геохимии. Открыл промышленные месторождения полезных природных ископаемых – апатиты, серу, медь, никель, редкоземельные элементы и т. д. Организовал и руководил множеством геологических экспедиций, университетских кафедр, академических и отраслевых институтов. Возглавил десятки государственных и иных комиссий. Внес неоценимую лепту в создание минерально-сырьевой базы государства. Ну и наконец, огранил геохимию как алмаз.

Что же главное в работах Ферсмана?

Пожалуй, идея единства и тесной связи всех наук о Земле – геологии, географии, геофизики, геохимии, петрографии, теории рудных месторождений и т. д.

Еще – мысли и теории, относящиеся к энергетике геохимических процессов. До Ферсмана редко кто рассматривал взаимосвязь природных процессов с законами термодинамики. Геохимик впервые проследил зарождение, дифференциацию и кристаллизацию химических элементов при остывании природных растворов (расплавов, магм). Обобщив огромный фактический материал, накопленный предшественниками, Ферсман дал исчерпывающее толкование этого механизма. Ученый объяснил закономерности совместного нахождения в земной коре минералов и химических элементов, связанных общими условиями образования (парагенезис), впервые представил распределение элементов по различным оболочкам, или геосферам, Земли, истолковал образование различных типов рудных месторождений.

Считая геохимию частью химии космоса, Ферсман выделил несколько фундаментальных проблем этой науки. Прежде всего, это влияние изменений температуры и давления на химическую жизнь Земли и на образование концентрических оболочек планеты (геосфер) со своей геологической начинкой. К этому ученый добавил участие в геохимических процессах на поверхности Земли микроскопических коллоидных частиц, видоизменяющихся и проникающих на значительные глубины в почву осадков, и, наконец, деятельность живых организмов и человека.

Свое учение Ферсман изложил в фундаментальных трудах, создаваемых на протяжении более чем 30 лет.

Первым минералокристаллографическим исследованием ученого (совместно с норвежским геохимиком В.М. Гольдшмидтом) стало «Der Diamant» («Алмаз», 1911), изданное на немецком, а затем и на русском языках. В нем описаны разновидности кристаллов алмаза различных морфологических типов, условия их образования, процесс кристаллизации алмаза, различия между формами роста и формами растворения. В частности, указано, что округлые алмазы образуются в результате растворения плоскогранных кристаллов.

В работе «Исследования в области магнезиальных силикатов» (1913) представлены результаты исследований минералов зоны гипергенеза (поверхностных изменений пород и минералов в коре выветривания и биосфере). Выделив группу водного алюмосиликата магния – палыгорскита (т. н. горная кожа), до того не исследованную минералогами, ученый дал систематику этой группы минералов и их генезис. Эти работы стали пионерными в коллоидной химии и привлекли внимание многих ученых.

В монографии «Геохимия России» (1922) представлен первый опыт геохимического районирования европейской части России, основанный на анализе геологической истории района. В каждом районе рассмотрены основные геохимические процессы и типичные химические элементы, основные рудные месторождения.

В сочинении «Химические элементы Земли и Космоса» (1923) для численного выражения распространенности химических элементов в геохимической системе Ферсман ввел понятие «кларк», установил связь распределения элементов с периодической системой и строением атома, поставил вопрос о расширении задач науки, изучающей химическую жизнь природы, и предложил создать новую науку – космохимию (астрохимию) – химию Вселенной. Основы космохимии можно найти и у самого Ферсмана – в его исследованиях метеоритов и в теории о миграции атомов в мировом пространстве. Ученый дал объяснение неравномерному распространению различных элементов в мироздании, обусловленному строением их атомов, а также предложил связанный с этим метод обнаружения месторождений рудных и нерудных ископаемых.

Четверть века Ферсман отдал исследованиям пегматитовых (изверженных) жил, имеющих большое практическое значение, поскольку с ними связаны месторождения драгоценных камней, разнообразных слюд, полевых шпатов, оловянного камня, радиоактивных и редких минералов и др. Пегматит называют еще письменным гранитом. В 1931 г. был опубликован классический труд геохимика, один из крупнейших в минералогии вообще, – «Пегматиты. Их научное и практическое значение», в котором ученый изложил открытые им законы распределения этих пород в различных по типу пегматитовых жилах, а также структуру изучения процессов минералообразования, благодаря чему эта монография стала настольной книгой каждого минералога и геохимика. Суть этой работы состоит в том, что автор показал, как выделяются при остывании магмы минералы и как они сочетаются друг с другом. Это дает верный ориентир при поиске редкоземельных минералов, связанных с пегматитами.

Итогом многолетних исследований Ферсмана стала четырехтомная монография «Геохимия» (1933–1939), получившая мировое признание. За сей труд в 1943 г. Лондонское геологическое общество наградило русского ученого своей высшей почетной наградой – Палладиевой медалью им. Волластона. (В свое время эту награду получил Ч. Дарвин.)

Исключительный интерес представляют две работы геохимика: «Геохимические и минералогические методы поисков и разведок полезных ископаемых» (1940) и «Полезные ископаемые Кольского полуострова» (1941). Последняя удостоена Сталинской премии I степени. В этих трудах помимо глубокого геохимического анализа минеральных комплексов и прочих теоретических проработок, объяснялись процессы скопления отдельных химических элементов в определенных местах Кольского полуострова и давались прогнозы новых поисков, увенчавшихся в скором времени успехом.

Эти монографии явились обобщением геологоразведочных работ Ферсмана в Хибинах на протяжении 20 лет. На Кольском полуострове ученый открыл крупнейшие в мире апатитовые месторождения, залежи меди, титана, никеля, железа и др. Александр Евгеньевич не только открыл, но и смог побороть государственных чиновников, сомневавшихся в целесообразности промышленной разработки апатитов, а также дать свою технологию переработки апатитовой руды.