Том Джексон - Взламывая планету Земля

В период великих географических открытий мореплаватели совершили много успешных экспедиций. Но морские путешествия были бы невозможны без ветров, дующих над океанами. В 1735 году загадку направления ветров объяснил не кто иной, как… адвокат.

Теорию циркулирующих ячеек воздуха, сформулированную Джорджем Хэдли в XVIII веке, до сих пор используют при описании механизма возникновения ветров.

В конце 1670-х годов ученый Эдмунд Галлей — известный тем, что предсказал возвращение кометы, которая теперь носит его имя, — отправился на крошечный остров Святой Елены в Южной Атлантике. Помимо отчетов о путешествии, Галлей составил подробную карту пассатов и предложил теорию возникновения ветров. В ней говорилось, что основным источником движения воздуха является солнечное тепло. Он предположил, что теплый воздух поднимается и распространяется в атмосфере, создавая таким образом ветры. По мнению Галлея, пассаты дули на запад, следуя за движением Солнца в небе. Такое представление было созвучно древнекитайским идеям, которые вызывали недовольство Ван Чуна за 1600 лет до этого, — и теория Галлея тоже была признана несостоятельной.

Европейские путешественники, желавшие пересечь Атлантику на парусном судне и достичь экзотических стран, должны были поймать пассаты, дующие с северо-востока в направлении Карибского бассейна и Южной Америки. Чтобы вернуться домой, они разворачивали корабль на север, чтобы поймать западные ветры. Если путь лежал на восток, в Индию, корабль должен был плыть на юго-запад почти до Бразилии, пересечь экватор и поймать западные ветры у мыса Доброй Надежды, чтобы обогнуть Африку и попасть в Индийский океан. Штурманы научились быть осторожными в тропических морях (около 30° от экватора), где ветры часто ослабевали и корабли не могли продолжить плавание. Эти районы носили название «Конские широты» — когда во время штиля запасы пресной воды истощались, лошади были первым грузом, который отправляли за борт (хотя существуют и другие объяснения).

Гипотезы о том, почему ветры дуют определенным образом, предлагали несколько ученых, и одним из них был Эдмунд Галлей. Спустя 50 лет Джордж Хэдли, адвокат и метеоролог-любитель, опроверг гипотезу Галлея. Он считал, что пассаты представляют собой нижний слой циркулирующего в атмосфере воздуха. Нагретый Солнцем воздух на экваторе поднимается вверх и распространяется на север на несколько километров над поверхностью Земли. Над тропиками воздух остывает, снова опускается к поверхности и возвращается к экватору в виде ветра. Такая модель циркуляции воздуха называется ячейкой Хэдли. Их всего две: к северу и к югу от экватора, и они опоясывают земной шар.

Почему ветры дуют не строго с севера на юг или с юга на север? Почему курс господствующих ветров меняется? Джордж Хэдли понял, что это происходит из-за вращения Земли с запада на восток, но объяснить, как это происходит, он не смог. Французский математик Гаспар-Гюстав де Кориолис сделал это веком позже. Эффект Кориолиса можно наблюдать на поверхности вращающихся сфер. Ветры (или другие объекты), движущиеся по прямой, описывают дугу по поверхности. К северу от экватора ветры поворачивают направо, поэтому южные потоки пассатов отклоняются к юго-западу, а северные потоки — к востоку (и становятся западными). К югу от экватора ветры отклоняются влево. Теоретически это означает, что водовороты — в том числе те, которые возникают в сливе бытовой раковины для умывания, — должны вращаться в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном — против нее. Путешественники, проверяя это, часто бывают разочарованы. Даже небольшое возмущение воды, например всплеск или брызги, может пересилить воздействие вращения Земли.

Рядом с ячейкой Хэдли формируются похожие ячейки, с той лишь разницей, что поверхностные ветры дуют в направлении полюсов и отклоняются от курса из-за вращения Земли, становясь западными ветрами. В полярных районах еще один вид ячеек производит слабые, но очень холодные восточные ветры.

Вершиной кораблестроения в XIX веке были клиперы. Даже когда корабли стали металлическими и у них появились двигатели, в дальние плавания в Индию и Австралию ходили на клиперах — маневренных судах, созданных, чтобы ловить сильные юго-западные ветры.

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.

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.