Форма и величина Земли

Круг вопросов, занимающих нас, постепенно суживается; мы начали с рассмотрения всех видимых мировых тел, с далеких от нас туманностей и солнц, затем ограничились пределами нашей планетной системы и, переходя постепенно к более близким представителям ее, достигли, наконец, Земли.

На ней мы и остановим теперь ігше внимание. Прежде всего мы представим в общих
чертах картину современного состояния нашей планеты; мы будем иметь дело с готовыми, вполне сложйвшимися свойствами ее: о том, как Земля произошла и развивалась, говорит уже геология.

По самым первым, детски наивным представлениям, Земля является плоским кругом, со всех сторон омываемым водой; но уже у классических народов, по крайней мере, среди ученых, мало-помалу складывалось убеждение о шарообразности Земли. С именами Пифагора, Парменида, Архимеда, Птолемея связывается мысль о первом его возникновении. В эпоху возрождения наук на западе эта идея воскресает, и вера в глубокую несомненность ее заставляет Колумба отправиться в далекое путешествие на неизвестный запад и искать новую дорогу в Индию; наконец, первое кругосветное путешествие Магеллана явилось несомненным и наглядным доказательством шарообразности Земли.

Но этим пытливость человека не была еще удовлетворена: он задался целью определить величину земного шара. Уже лет за 200 до Р. Хр. решением этой важной задачи занимался ученый, работы которого принадлежат к числу блестящих исследований древности и имя которого в истории науки окружено неувядаемой славой. Это—афинянин Эратосфен, библиотекарь в Александрии. Располагая самыми ничтожными средствами, исключительно руководимый своим гением, он впервые предпринял измерения, которые мы теперь называем измерением градуса меридиана.

Определить величину Земли, измерив один из больших кругов ее на всем протяжении, конечно, невозможно; необходимо найти астрономическим путем географическое положение двух мест и расстояние между нимц непосредственно измерить. На основании этих данных будет возможно вычислить величину одного градуса, т. е. 7збо земной окружности, а затем уже и величину всего меридиана. Эратосфен измерил длину тени, которую отбрасывал на землю перпендикулярный шест (гномон); измерение было произведено в Александрии в самый длинный день года около полудня; уже тогда было известно, что в это же время под тропиком у Сиены (нынешнего Ассуана) в Верхнем Египте солнце находится в зените, и потому вертикально стоящий предмет вовсе не отбрасывает тени. По этим двум данным Эратосфен нашел, что расстояние между Александрией и тропиком равняется 7° 12'. С другой стороны, тщательные измерения, предпринятые египетским правительством, привели к непосредственному определению расстояния между Александрией и Сиеной; таким образом имелись налицо все данные для нахождения величины градуса меридиана. По вычислениям Эратосфена он равен 700 стадиям; отсюда окружность Земли = 700. 360 = 252000 стадий; Александрийская стадия = 158 74 м.; выразив вычисленную Эратосфеном величину в современных мерах, мы найдем, что она = 5323 геогр. мили; это число так мало отличается от истинных размеров земного меридиана (5400 миль), что мы можем только удивляться точности, которая была достигнута столь несовершенными средствами.

Конечно, результат оказался правильным, благодаря счастливой случайности: ошибки, сделанные при определении географической широты и при измерении расстояния, взаимно уничтожались. Тем не менее, поразительная близость найденной величины к действительной заставляет невольно усомниться в справедливости сообщения Клеомеда, от которого мы и узнаем, что для определения широты Александрии Эратосфен пользовался только измерением тени, отброшенной гномоном.

113

ФОРМА И ВЕЛИЧИНА ЗЕМЛИ. ГРАДУСНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерения градуса, произведенные арабскими астрономами по приказанию халифа Мамуна в IX в. и французским врачом и математиком Фернелем между Парижем и Аменом в 1525 г., не представляли никаких успехов сравнительно с исследованиями Эратосфена; с достаточным основанием можно утверждать, что в обоих случаях данные александрийского ученого были просто переведены на современные меры. Новая эпоха в истории вопроса начинается работами голландца Снеллиуса, который в 1615 г. впервые произвел тригонометрическое определение земной дуги между Бергеном и Алькмаром в Голландии и применил для этого метод, имеющий широкое распространение и в настоящее время. Сущность его в следующем: измеряется произвольно взятая основная линия; если с концов ее визировать некоторую отдаленную точку, то получится треугольник, в котором известна сторона и два угла; по этим данным нетрудно вычислить величину неизвестных сторон и получить таким образом три линии известной величины; если с концов последних визировать опять некоторые новые точки и, вычислив полученные треугольники, повторить те же манипуляции, то можно всю местность покрыть сетью треугольников и определить, наконец, расстояние между теми точками, которые избраны для измерения градуса. Для проверки вычислений непосредственно измеряется одна из сторон треугольников. Этот прием очень прост в теории, но применение его встречает целый ряд затруднений; неправильная форма земной поверхности, влияние температуры на измерительные приборы и целый ряд других условий мешают точности измерений; все эти источники ошибок должны быть предусмотрены и устранены. При измерениях градуса, произведенных в Испании, основание равнялось 14х/2 км, ошибка же не достигала и 3 мм; отсюда понятно, что градусные измерения при современных требованиях науки принадлежат к числу труднейших задач естествознания, которые могут быть выполнены только при больших средствах. Метод Снеллиуса был усовершенствован французами, которые впервые получили с его помощью результаты первостепенной важности. Огромное значение имели измерения Пикара, произведенные в 1669—1670 гг. между Аменом и Мальвуазиной: позднее французская триангуляционная сеть значительно расширилась и охватила все пространство от Дюнкирхена на проливе Па-де-Кале до Средиземного моря.

При всех градусных измерениях первоначально предполагалось, что Земля представляет вполне правильный шар, но скоро это допущение оказалось неверным. Было замечено, что часы с маятником, совершающим в наших широтах свой размах равный секунде, у экватора отстают, и для сообщения им правильного хода необходимо несколько укоротить маятник. Для исследования этого ф^ста, французская академия отправила в Кайену экспедицию с Рише (Richer) во главе; последняя нашла, что скорость качаний секундного маятника остается неизменной, если длина его будет уменьшена на 13/4 линии.

Колебания маятника происходят вследствие земного притяжения; и если в какой- нибудь местности движение замедляется, то это показывает, что здесь величина земного притяжения меньше, чем в других точках земной поверхности. Притягательная сила Земли ослабевает по мере удаления от центра; отсюда следует, что Земля не представляет правильного шара: она растянута у экватора, сплюснута у полюсов и обладает формой так называемого эллипсоида вращения, т. е. напоминает апельсин. К этому же выводу пришли Ньютон и Гюйгенс чисто теоретическим путем, предположив, что Земля первоначально находилась в жидком или, по
крайней мере, в пластическом состоянии. Вращаясь около оси, она под влиянием центробежной силы приняла форму эллипсоида вращения. Если бы Земля на самом деле не обладала этой формой, то вода должна была бы собраться у экватора и залить материки: наоборот, полярные страны были бы совсем лишены морей.

Измерения градусов, произведенные до сих пор, не имели никакого значения для решения этого вопроса. Если Земля у полюсов сплюснута, то градусы меридиана должны становиться короче по мере приближения к экватору; французские измерения показали даже обратное: было найдено, что в южной части этой страны градус меридиана несколько длиннее, чем в северной. Это заставило французского астронома Кассини выступить энергичным противником Ньютона и Гюйгенса; он утверждал, что Земля у экватора сплюснута и у полюсов вытянута, т. е. напоминает лимон. Но способы измерений в то время были слишком далеки от совершенства, и определить точно различия в величине градусов столь близких местностей, как Северная и Южная Франция, представлялось очень трудным. Для решения возникшего спора французская академия нашла необходимым измерить меридиан в двух значительно удаленных местностях,—одно у экватора в Перу, другое— на Крайнем Севере, в Лапландии. Буге и Кондамине отправились с этой целью в 1735 г. в Квито, а Мопертюи и Клеро в 1736 г. в Лапландию. Здесь они производили свои знаменитые работы, которые хотя и не удовлетворяют современным требованиям, но для того времени дали весьма важные результаты и с несомненностью доказали, что Земля сплюснута у полюсов. Градус меридиана в Лапландии оказался равным 57,437 туазам, а в Перу 56,753 (туаз = 6 парижским футам). Еще успешнее были измерения градуса, произведенные во Франции вторично. В 1790 г. национальное собрание решило ввести новую естественную систему мер. За основную единицу приняли сорокамиллионную часть земного меридиана и назвали ее метром. Мы знаем теперь, что метр в том виде, как он был тогда определен, не воспроизводит в точности этой величины. Попытка создать новую естественную систему мер оказалась неудачной, но измерения градуса между Дюнкирхеном и Барцелоной, произведенные для этой цели улучшенным способом, имели важное значение для науки.

С тех пор градусные измерения производятся во многих странах, и триангуляционная сеть широко раскинулась от Северного Ледовитого океана до южной оконечности Европы и от берегов Атлантического океана до границ Сибири; даже в Ост-Индии измерена очень большая дуга меридиана [§§§§]. Эти работы стали осо-

СЖАТИЕ ЗЕМНОГО ЭЛЛИПСОИДА. РУССКИЕ ГРАДУСНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ              115

бенно развиваться с тех пор, как по предложению генерала Бейера в Берлине заведывание ими приняла международная геодезическая комиссия. Хотя точность измерений постоянно возрастает и области исследований с каждым днем расширяются, но полученные результаты не соответствуют ожиданиям. Вместо предполагаемых совпадений с вычисленными цифрами получаются сильные уклонения. На основании наблюдений над колебаниями маятника сжатие Земли у полюсов = 7288- Бессель же в 1841 г., исходя из 10 известных тогда и произвольно им выбранных градусных измерений, вычислил следующие величины:

Радиус Земли от центра до экватора              6,377 379 м

Радиус Земли от центра до полюса              6,356 079 м

Сжатие у обоих полюсов              21,735 м = 11299

В 1878 г. Клерк на основании всех наиболее точных измерений получил следующие цифры:

Радиус у экватора              6,378 190 м

Радиус у полюсов              6,356455 м

Сжатие              21,735 м = 1/29Ъ

На первый взгляд эти различия кажутся ничтожными, но если принять в расчет, что незначительное изменение земного радиуса на 1 м влечет за собой изменение земной поверхности почти на 3 кв. мили, то станет ясным, что полученные различия не лишены глубокого значения. Их нельзя объяснить неточностью измерений и вычислений; наоборот, все больше распространяется убеждение, что различные результаты обусловливаются свойствами самой поверхности Земли.

При всех геодезических измерениях имеет весьма важное значение положение отвесной линии. Предполагая, что внутри Земли массы распределены равномерно, долго думали, что она в каждой данной точке перпендикулярна к идеальной поверхности земного шара. Но впоследствии это оказалось неверным. Основываясь на известных вычислениях, мы можем строить только догадки о распределении масс внутри Земли, но на поверхности, как показывает непосредственное наблюдение, массы распределены далеко не равномерно: большие материки с высокими горами, плоско- гориями и низменностями располагаются рядом с глубокими морями и океанами; они состоят из твердых масс, которые в среднем в 2,6—2,8 раза плотнее воды. Принимая в расчет и местные условия, можно сказать, что отвесная линия почти никогда не совпадает с перпендикулярами к поверхности земного эллипсоида. Когда Фишер обратил внимание на действительное распределение масс, все измерения, произведенные до тех пор, были признаны неточными. При измерении градуса результаты относились к уровню моря, который рассматривался, как эллипсоид вращения; если представить ряд каналов, прорезывающих материки и всюду соединенных с морем, то предполагалось, что вода в них будет на одном уровне; к этой идеальной поверхности и относились все измерения. Однако вблизи материков вода притягивается твердыми массами. Поэтому уровень моря и всех воображаемых каналов не может соответствовать эллипсоиду вращения: у разных берегов он будет стоять на различной высоте, смотря по степени притяжения. Наблюдения над качаниями маятника, произведенные на океанических островах, по-видимому, подтверждали эти соображения; так, напр., секундный маятник на Бонинских островах делает в день 14,2 ударов больше, чем надо было бы ожидать, судя по географическому положению места; на острове Уалау число лишних ударов 12,6, на острове св. Елены 10,3, на Иль-де-Франс 9,9, на Фернандо Норонья 9,4; наоборот, нигде на берегах материков такого ускоренного качания маятника не замечается. Явление это заставило предположить, что океанические острова расположены ближе к центру Земли, чем берега материков. В этом факте видели доказательство материкового притяжения морской воды и опасались, что все измерения градуса лишены реальной основы; но в настоящее время опасения эти оказались преувеличенными и даже совсем неосновательными. Новейшие, точные нивелировки в соединении с прежними измерениями градусов несомненно доказали, что море, окружающее Европу, всюду имеет одинаковый уровень. Точные же определения силы тяжести объяснили и причины кажущейся неспособности материковых масс изменять морской уровень.

117

ПОВЕРХНОСТЬ «ГЕОИДА». ВЕС ЗЕМЛИ

Уже и прежде было известно, что отклонения вертикальной линии, установленные наблюдениями, не имеют связи с величиной видимых масс: в горных странах они по большей части ничтожны. Так, например, в Гималайских горах, в Пиринеях, на Кавказе замечались весьма малые отклонения отвеса; то же было и в Мюнхене, несмотря на близость Альп; а в Пизе и Флоренции Апеннинские горы не оказывали почти никакого действия на отвес. Точные определения земной тяжести, произведенные Шщернеком в Тироле и в других местах Альп, в Чехии и в Карпатах при помощи усовершенствованного маятника дали поразительные результаты. Вычисления же Гельмерта, сделанные на основании этих данных, показали, что действие твердых масс Земли в большей или меньшей степени уничтожается вследствие меньшей плотности земной коры под материками. По- видимому, большим скоплениям масс на поверхности, образующим горы и мате- рики соответствуют внутри Земли известные недочеты массы (Massendefecte). Дальнейшие исследования подтвердили это допущение и с другой стороны заставили предположить, что под морским дном лежат более плотные массы, которые и нарушают правильность колебаний маятника на океанических островах. Поэтому призмы с одинаковым поперечным сечением, вырезанные на известной глубине и простирающиеся до поверхности Земли, будут обладать одинаковой массой независимо от того, в каком месте они взяты. Открытие этой компенсации повысило доверие к геодезическим измерениям. Если не считать ошибок наблюдения, то на точность результата могли влиять только те уклонения, которые являются следствием несовершенной компенсации в разных точках Земли. Все исследования показали, что эти уклонения не должны быть значительными; поэтому действительная поверхность Земли, перпендикулярная ко всем наблюдаемым отвесным линиям, или, как ее называют, поверхность «геоида», не может значительно отличаться от идеального эллипсоида вращения. Что касается сплюснутости его, то в настоящее время мы можем сказать, что она лежит в пределах между V298 и 7зоо- Поверхность «геоида», в зависимости от распределения масс, в одних местах должна приподниматься над эллипсоидом, в других—опускаться, но в незначительной степени. По мере совершенствования геодезических измерений и получения более точных величин земной тяжести, форма геоида все более уясняется, но выразить ее строго математически никогда не удастся: распределение масс Земли подчиняется не одному какому-нибудь закону, а является результатом очень сложных геологических явлений, происходивших в минувшие периоды жизни Земли и совершающихся теперь.

Таким образом, новейшая наука не может определить форму и величину Земли с той точностью, какая предсказывалась несколько лет назад, но, несмотря на это, работы последнего времени имеют огромное значение, так как, изучая изменения земной тяжести в разных местах, мы получаем немногие, но вполне доказанные факты, уясняющие строение земной коры. О значении последних мы подробно поговорим впоследствии.

<< | >>
Источник: М. НЕЙМАЙР. История Земли. 1994

Еще по теме Форма и величина Земли:

  1. ВЕЛИЧИНА РАЗРУШЕНИЯ НА ВСЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
  2. § 1. Форма и размеры Земли. Географические координаты
  3. РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ О ЗАКОНАХ ДВИЖЕНИЯ И ВЕЛИЧИН
  4. РАЗДЕЛ 10 Величина здания
  5. ОПЫТ ВВЕДЕНИЯ В ФИЛОСОФИЮ ПОНЯТИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН 1763
  6. РАЗДЕЛ 24 Относительно предметов, обладающих малой величиной
  7. ОПЫТ ВВЕДЕНИЯ В ФИЛОСОФИЮ понятия ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН
  8. 2.2.2 Определение величины сопротивления вина выделению диоксида углерода
  9. РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ ОБЪЯСНЕНИЕ ПОНЯТИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН ВООБЩЕ
  10. Амфиболия понятия величины движущих сил материи
  11. § 26. Об определении величин природных вещей, которое требуется для идеи возвышенного
  12. Приложение №6. Распределение коммерческих банков по величине коэффициента достаточности капитала
  13. ПРИЛОЖЕНИЕ 8 ВЕЛИЧИНА ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОГНЯ ПРИ ПОЖАРАХ
  14. РАЗДЕЛ ВТОРОЙ, В КОТОРОМ ПРИВОДЯТСЯ ПРИМЕРЫ ИЗ ФИЛОСОФИИ, ЗАКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЕ ПОНЯТИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН
  15. Тема№11. Товар и его свойства. Величина стоимости товара
  16. Вес Земли