Сара Драй - Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты

О существовании дисперсии света было известно на протяжении многих веков. Еще Леонардо да Винчи обратил внимание на «цвета радуги» на пузырьках воздуха в стакане воды. Исаак Ньютон впервые заявил о себе научному обществу, показав, что при прохождении через прозрачную стеклянную призму луч света превращается в многоцветную полосу, которую он назвал «спектром» – на латыни это слово ( spectrum ) имеет двойное значение: «мысленный образ» и «призрак». Именно Ньютон выделил в нем семь основных цветов, и на протяжении всего XVIII в. в науке сохранялось такое представление о спектре. Только в 1802 г. физик Уильям Волластон, наблюдая спектр через очень узкую щель, заметил, что поверх цветовой палитры наложена череда черных линий. Он предпринял попытку картировать эти линии, выделив пять наиболее заметных и обозначив их соответствующими заглавными буквами от A до E. В 1824 г. Йозеф фон Фраунгофер, немецкий оптик, специализировавшийся на изготовлении высококачественных оптических стекол, призм и объективов (и, следовательно, интересовавшийся вопросом, что спектр может сказать о чистоте стекла), значительно расширил эту карту, выделив более 500 таких линий и дав им уникальные обозначения, используемые по сей день.

Наблюдение спектра оказалось непростым делом. Никто не знал, сколько именно в нем должно быть линий. Чем пристальнее вы смотрели, тем больше, казалось, их обнаруживалось. Неясно было их происхождение. Из-за всего этого сложно было понять, насколько в данном случае можно доверять своим глазам. Серьезные затруднения вызывала и фиксация увиденного в графической форме. Пьяцци Смит, смолоду обучавшийся навыкам точного отображения астрономических явлений, в совершенстве овладел такими техниками, как изобретенный Джоном Гершелем способ изображения звезд с помощью «тончайшей кисти из верблюжьего волоса» и последовательного нанесения тонких слоев лака. Достоверно изобразить такие эфемерные явления, как полярное сияние, облако небулярного газа или хвост кометы, можно было только благодаря «точности глаза, умелости рук и должному пониманию предмета» [91] Charles Piazzi Smyth, «On Astronomical Drawing,» Memoirs of the Royal Astronomical Society 15 (1946): 75–76. . Спектр с его линиями разной толщины, то возникающими, то сходящими на нет, был в этом смысле особенно сложным объектом.

Выдающийся изобретатель Чарльз Бэббидж, бивший тревогу по поводу упадка британской науки по сравнению с французской и немецкой, считал, что умение видеть – это навык, требующий особого развития и важный для всей национальной науки. В своих «Размышлениях об упадке науки и некоторых причинах этого» он привел пример с наблюдением за спектральными линиями Солнца. Когда он впервые посмотрел через спектроскоп, то, как ни старался, ничего не увидел. Только после того, как Гершель объяснил ему, «как смотреть», Бэббидж сразу же их увидел – и удивился тому, как не разглядел прежде. С тех пор он видел спектральные линии каждый раз, когда смотрел в спектроскоп [92] Charles Babbage, Reflexions on the Decline of Science in England (London: B. Fellowes, 1830), 210–211. . Из этого Бэббидж делал вывод, что без хорошей системы подготовки наблюдателей британская астрономия не сможет конкурировать на международной арене.

Первоначально астрономы стремились к тому, чтобы составить как можно более полную карту спектральных линий. Но довольно скоро стало ясно, что количество видимых линий зависит не только от размера телескопа и качества призмы, но и от времени суток и направления, в котором повернут телескоп. В 1833 г. шотландский физик Дэвид Брюстер опубликовал результаты своего многолетнего труда. Он не только наблюдал спектр с разрешением в четыре раза выше, чем сумел добиться Фраунгофер, но и делал это в разное время года, в разных метеорологических условиях и при разных положениях Солнца на небе. Эти кропотливые наблюдения Брюстера вполне соответствовали учению Гумбольдта о разделении физических феноменов на составляющие ради их лучшего понимания. Но в 1856 г., когда Пьяцци Смит отправился на Тенерифе, происхождение черных линий на солнечном спектре было все еще не ясно.

Вот почему Пьяцци Смит работал не только по ночам, когда видны были звезды, но и днем, занимаясь спектрографическими наблюдениями за солнечным светом – именно для этой цели сам Королевский астроном одолжил ему свой спектроскоп. Британские ученые мужи, ограниченные возможностями своих городских обсерваторий, хотели знать, что станет с этими характерными линиями на солнечном спектре, если посмотреть на них с вершины горы. Изменятся ли они? Или исчезнут вовсе? А как они будут выглядеть на закате и на восходе солнца?

Гора в данном случае помогала преодолеть препятствие в виде поглощающей большую часть солнечного спектра земной атмосферы. Находясь на высоте, вооруженный самым современным научным прибором – спектроскопом, состоявшим из телескопа с узкой входной щелью (последняя растягивала спектр, что позволяло лучше видеть фраунгоферовы линии) и призмы, Пьяцци Смит имел уникальную возможность получить ответы на многие вопросы. Направляя спектроскоп на Солнце в полдень, он в этот момент находился ближе к солнечной атмосфере, чем любой другой наблюдатель на поверхности Земли. А во время наблюдений за солнцем на восходе и на закате, когда оно почти касалось горизонта, Пьяцци был отделен от светила самым толстым слоем земной атмосферы, чем кто-либо другой на планете.

Со своей наблюдательной станции Пьяцци Смит мог безо всяких усилий и с удивительной четкостью увидеть как далекие звезды, так и Солнце. Глядя на него на закате через спектроскоп, он видел, что темных линий буквально на глазах становится больше. Это свидетельствовало о том, что по крайней мере некоторые из них имели земное происхождение, будучи видимым следом какого-то невидимого вещества, количество которого увеличивалось по мере утолщения слоя земной атмосферы, отделявшего его от Солнца. Это также означало, что спектр, показываемый любым направленным в небо спектроскопическим прибором, всегда отражал содержание одновременно и солнечной, и земной атмосфер. Конечно, это существенно осложняло задачу по определению состава такого далекого небесного объекта, как Солнце, да еще фактически с помощью кусочка стекла. Но все же наблюдения Пьяцци Смита на Тенерифе показали, что спектроскоп, используемый в правильном месте правильным образом, может быть полезным инструментом как для выявления различий между содержимым солнечной и земной атмосфер, так и для исследования самого воздушного океана, омывающего нашу планету.