Тема 7. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ФИГУРЕ ЗЕМЛИ
реклама
Тема 7. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ФИГУРЕ ЗЕМЛИ 7.1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДРЕВНИХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ ОБ УСТРОЙСТВЕ МИРА Истинные сведения о Земле и еѐ форме появились у людей не сразу, не в одно время и не в одном месте. Однако, выяснить, где именно, у какого народа и когда впервые зародились географические представления уже практически невозможно. Очень мало сохранилось об этом достоверных документов и материальных памятников. Одна из древнейших культурных стран на Земле – Китай. За несколько тысяч лет до н.э. древние китайцы обладали письменностью, умели изображать местность на картах и составляли географические описания. В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, над которым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъярѐнный дракон будто бы согнул центральный столб, вследствие чего Земля наклонилась к востоку. Поэтому все реки в Китае текут на восток. Небо же наклонилось на запад, поэтому все небесные светила движутся с востока на запад. В не менее древней индийской культуре Земля представляется в виде плоскости, лежащей на спинах слонов. До нашего времени дошли письменные документы из древней Вавилонии. Они имеют давность около 6000 лет и унаследованы вавилонянами от ещѐ более древних народов. Вавилоняне представляли Землю в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилон. Они заметили, что к югу от Вавилона располагается море, а на востоке – горы, через которые вавилоняне не решались переходить. Поэтому им казалось, что их страна находится на склоне «мировой горы». Гора эта круглая и окружена морем, а на море, как опрокинутая чаша, опирается твѐрдое небо – небесный мир. На небе, как и на Земле, есть суша, вода и воздух. Небесная суша – это пояс созвездий Зодиака, как плотина, протянувшаяся среди небесного моря. По этому поясу суши движутся Солнце, Луна и пять планет. Под Землѐй находится бездна – ад, куда спускаются души умерших; ночью Солнце проходит через это подземелье от западного края Земли к восточному, чтобы утром опять начать свой дневной путь по небу. Народы, жившие в Палестине, представляли себе Землю иначе, чем вавилоняне. Древние евреи жили на равнине и Землю представляли в виде равнины, на которой кое-где возвышаются горы. Особое место в мироздании евреи отводили ветрам, которые приносят с собой то дождь, то засуху. Обиталище ветров, по их мнению, находится в нижнем поясе неба и отделяет собой Землю от небесных вод: снега, дождя и града. Под Землѐй находятся воды, от которых кверху идут каналы, питающие моря и реки. Представление о форме всей Земли у них, видимо, отсутствовало. Египтяне, финикийцы и древние греки были хорошими мореплавателями: даже на небольших кораблях они смело пускались в далѐкие плавания и открывали новые земли. Наблюдения мореплавателей за появлением из-за горизонта кораблей впервые послужило основой для предположения, что Земля имеет выгнутую форму, так как корабль показывается из-за горизонта постепенно, как будто выплывает из-за изгиба океанической поверхности. 7.2. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ЗЕМЛЕ В АНТИЧНОСТИ Очень многим география обязана эллинам или древним грекам. Самые древние известные нам представления греков о Земле встречаются в поэмах Гомера – «Одиссее» и «Иллиаде» (XII–VIII вв. до н.э.). Из этих описаний видно, что греки представляли себе Землю в виде слегка выпуклого диска, напоминающего щит воина. Сушу со всех сторон обтекает река Океан. Над Землѐй находится медный небосвод, по которому движется Солнце, поднимаясь ежедневно из вод Океана на востоке и погружаясь в них на западе. Над дискообразной Землѐй с рекой-Океаном опрокинулся подобно огромной чаше, неподвижный небесный свод. Его радиус представлялся равным радиусу Земли. На западе свод опирался на колонны, которые поддерживал титан Атлант. Первые систематизированные географические научные знания были связаны с эпохой формирования рабовладельческого строя. Особенно высокого уровня древнегреческое общество достигло в VII–VI вв. до н.э. в Милете, Фокее, Эфесе, Приене, Самосе и др. Здесь сильно развивалось мореплавание, и все берега Средиземного моря были усеяны ионийскими колониями. Среди всех ионийских городов особенно выделялся в экономическом, политическом и культурном отношении Милет, расположенный на берегу Латмийского залива недалеко от устья реки Меандр. Здесь в VII в. до н.э. возникла так называемая ионийская или милетская натурфилософская школа, давшая первых древнегреческих мыслителей – Фалеса, Анаксимандра и Анаксимена. Они создали первые естественнонаучные космогонии. Неотделимой частью этих космогоний были и физико-географические концепции – о форме и размерах Земли, еѐ положении во Вселенной, характере поверхности, процессах, протекающих на суше, в океане и в воздушной оболочке. Известно, что Фалес считал Землю плавающей на воде, подобно куску дерева. Но о том, какую форму имела эта Фалесова плавающая на поверхности океана Земля, мы не имеем точных сведений. Мы также не знаем, чем ограничена у древнего мыслителя вода, служащая еѐ опорой. По всей видимости, Океан он считал беспредельной, ничем не ограниченной плоскостью. Плавающую же Землю, подобно Гомеру и Гесиоду, Фалес видел выгнутым диском. По мнению Анаксимандра, Земля имела форму отрезка круглой колонны, высотой в три раза меньше, чем еѐ диаметр. На одной плоскости живут люди, и Земля находится в центре нашего «мира». Эта догадка Анаксимандра стала, по сути, основой для господствовавшей многие века геоцентрической модели. Открытие наклонного по отношению к горизонту движения небесных тел приводит к пересмотру картины мира, начинаются поиски объяснения этого явления. Так Анаксимен считает, что наклон – всего лишь кажущаяся иллюзия, в то время, когда родоначальники атомизма Анаксагор и Левкипп в V в. до н.э. высказывают мысль о наклоне плоскости Земли. По их мнению, вначале небесные тела двигались вокруг Земли параллельно плоскости еѐ диска, но после того, как «Земля наклонилась к югу», все светила стали «заходить под Землю и восходить над Землѐй». Причину этого они видели по-разному, однако, оба сходились в том, что в результате наклона Земли возникают «обитаемые» и «необитаемые» области в зависимости от близости к Солнцу. Эта догадка была первоосновой теории тепловых поясов и природных зон Земли. Также Анаксагор был первым мыслителем, который стал искать причину зимнего и летнего солнцестояний, считая, что Солнце движется по спирали и гонит перед собой воздух, который становится всѐ плотнее и у «тропиков» заставляет его поворачивать назад. Философ Архелай, ученик Анаксагора заметил, что «восход и заход солнца бывает не одновременно во всех частях Земли, как должно было бы быть, если бы Земля была ровной». Объяснение этому он нашел в вогнутости Земли и учил тому, что Земля имеет форму вогнутого диска. Открытие шарообразной фигуры Земли было одним из самых выдающихся достижений античной науки. До сих пор остаѐтся спорным вопрос о времени еѐ возникновения и о мыслителе, впервые выдвинувшем еѐ. Многие историки приписывают открытие шарообразности Земли философу Пифагору, другие – Пармениду или даже Фалесу. Шар представлялся им, как самая совершенная фигура, не имеющая ни начала, ни конца. Наиболее точное определение размеров земного шара сделал древнегреческий учѐный Эратосфен Киренский, живший за 200 лет до н.э. Неслучайно именно его называют основателем географии. Совершая путешествия из г. Александрия на юг в Сиену (современный Асуан), люди замечали, что там летом, в тот день, когда солнце бывает выше всего на небе, в полдень оно освещает дно глубоких колодцев, т.е. бывает как раз над головой – в зените. Предметы в этот момент не дают тени. В Александрии же и в этот день солнце в полдень не доходит до зенита, а предметы дают тень. Эратосфен измерил, на сколько полуденное солнце в Александрии отклонено от зенита, и получил величину, равную 7°12’, что составляет 1/50 окружности. Это ему удалось сделать с помощью прибора, называемого скафисом. Скафис представлял собой чашу в форме полушария. В его центре отвесно укреплялась игла. Тень от иглы падала на внутреннюю поверхность скафиса. Для измерения отклонения солнца от зенита (в градусах) на внутренней поверхности скафиса проводились окружности, помеченные цифрами. Расстояние между Александрией и Сиеной было известно и составляло 5000 стадиев. Если 1/50 окружности Земли равняется 5000 стадиев, то вся окружность составит 250 000, что в переводе равно 39 500 км. Узнав длину окружности Земли, Эратосфен вычислил и еѐ радиус, составивший 6290 км. Так Эратосфен нашѐл приблизительно верные размеры Земли, впоследствии подтверждѐнные измерениями более точных приборов. К этому времени Аристотель в своих трудах подводит итоги исследований и умозаключений древнегреческих философов, развивая их идеи. Он поддерживает идею шарообразной Земли, а также идею обитаемых и необитаемых поясов, предполагая, что в южном полушарии должна находиться такая же обитаемая ойкумена, а людей, населяющих еѐ, предлагается называть антиподами. Такого же мнения ранее придерживался Платон. 7.3. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗЕМЛЕ В СРЕДНИЕ ВЕКА В 723 г. н. э. во время правления династии Тан китайский астроном И-Синь (683 – 727 гг.) возглавил отряд по измерению длины освещаемых Солнцем теней от предметов и высот Полярной звезды. В результате он получил, что протяжѐнность одного градуса дуги составляет 132,3 км, что выше истинного приблизительно на 20%. Однако, измерения китайцев всѐ-таки значительно уступали по точности измерениям Эратосфена, несмотря на то, что он проводил их почти 900 лет назад. После уничтожения александрийской библиотеки, в смутные годы первых веков нашей эры, всякие научные работы прервались, и новая попытка градусного измерения сделана лишь в 827 году арабами, которые, достигнув политического могущества, в лице своих калифов с любовью покровительствовали развитию точных наук. Калиф Альмамум, сын Гарун–аль–Рашида, приказал своим астрономам измерить дугу меридиана в равнине Синджар, лежащей к западу от реки Тигра и нынешнего города Мосула. В избранной исходной точке, около 35° северной широты, арабские ученые разделились на две группы и направились одна на север, другая на юг, производя измерения арабскими локтями. Эти измерения продолжались до тех пор, пока каждая группа не прошла по меридиану 1°, что определялось имевшимися тогда угломерными инструментами по высотам звезд. В результате измерений длина одного градуса составила 111.088 км, что весьма близко к современным определениям. В Средние века достижения древних, китайцев и арабов европейцами «открывались» заново или долгое время вовсе не признавались, как противоречащие догмам христианской церкви. Из географических сочинений известна «Христианская география» Козьмы Индикоплова VI в. н.э., получившая широкую известность, благодаря тому, что решительно отвергала шарообразность Земли. Огромное значение имеют такие труды, как «Книга» Марко Поло или «Хождение за три моря» Афанасия Никитина, однако, они имеют скорее описательный или этнографический характер и только расширяют сведения европейцев о границах существующего мира. Лишь в 14 в. «непобедимый доктор» Оксфордского университета Уильям Оккам «посмел» считать вращение Земли возможным. В этот период начинается возрождение землеведческих идей античности, в особенности, тех из них, которые относятся к представлениям о шарообразности Земли. В этом отношении прежде всего следует назвать книгу кардинала Пьера Д’Эйи или Петра Аллиакуса «Изображение мира» 1414 года. В ней впервые в Эпоху Возрождения комментируется «География» Птолемея. Возрождается идея о возможности достичь Индии западным путѐм, делается разбор точек зрения относительно обитаемости жаркого пояса, оспаривается замкнутость Индийского океана с юга, приводятся доказательства того, что Африка с юга омывается океаном. Эти идеи вдохновляют многих правителей и мореплавателей. Так в самом конце XV века – в 1498 году Васко да Гама, вдохновлѐнный подобными идеями, обогнул Африку и достиг берегов Индии. А несколькими годами ранее – в 1492 году Христофор Колумб достиг берегов Америки. Стоит сказать, что целью мореплавателя было достижение Индии, но западным, а не восточным путѐм. Потому до самой своей смерти Колумб был уверен, что открыл Вест-Индию. А уже совсем скоро – всего через 20 лет, ещѐ один португальский мореплаватель – Фернан Магеллан совершает первое кругосветное путешествие, окончательно доказав, что Земля имеет форму шара. Правда, сам Магеллан из этого тяжѐлого путешествия не вернулся, а через два года плавания из четырѐх кораблей экспедиции в порт возвратился только один. В 1492 г. был создан первый глобус Земли современного типа. Изготовил его астроном и космограф Мартин Бехайм. Глобус Бехайма зафиксировал доколумбовы представления о земном шаре как раз накануне открытия Америки. На нем подробно представлен хорошо известный европейцам Старый Свет, но отсутствует Америка, а Атлантический океан простирается до берегов Восточной Азии. Следующей по времени вершиной в глобусном картографировании считают глобусы «короля картографов», космографа и гравера Герарда Меркатора, его достижения хорошо известны, а имя увековечено в названии проекции, используемой для морских и аэронавигационных карт. Тем не менее, преследования инакомыслящих учѐных продолжались ещѐ ни одно столетие. В 1500-е годы польский астроном Николай Коперник пишет свою работу, где излагаются идеи гелиоцентрической системы мира, называвшейся «Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям». Над редакцией своего труда он работал в течение сорока лет. Можно сказать, что Копернику повезло, потому что его труд был принят католической церковью и даже был признан полезным для грядущей редакции календаря. Но уже после смерти Коперника гелиоцентрическая система была объявлена еретическим учением и запрещена. В том числе за эту идею, а также за ряд еретических высказываний в 1600 году был сожжѐн на костре Джордано Бруно. Он предполагал, что звезды – это далѐкие солнца, а во Вселенной существует не один, а множество миров. В защиту Коперника высказывался и другой выдающийся учѐный этой эпохи – Галилео Галилей. В 1611 г. он лично отправляется в Рим, чтобы убедить римского папу в том, что коперниканство не противоречит католицизму. Галилей был изобретателем первого телескопа, благодаря которому сделал немало открытий. По поводу вопроса «не грешно ли смотреть на небо через трубу» была созвана целая комиссия, разрешившая Галилею проводить исследования. Галилею пришлось пройти через суд инквизиции и тюремное заключение, последние годы своей жизни он прожил в изгнании, от своих работ его вынудили публично отречься. Несмотря на это, он с помощью своих учеников продолжал научную деятельность до самой смерти. По легенде последней фразой, сказанной Галилеем были слова: «И всѐ-таки она вертится». Только в 17 веке гелиоцентрическая система окончательно утвердилась в научном мире. 7.4. ЗЕМЛЯ КАК ЭЛЛИПСОИД До половины XVII в. Землю считали правильным шаром, но потом были замечены факты, которые заставили усомниться в правильности подобного представления. Так, астрономические часы, перевезенные в 1672 г. из Парижа в Кайену (Гвиана), стали ежедневно отставать на 2 мин. 28 сек. Чтобы добиться правильного показания времени, пришлось укоротить маятник часов почти на 3 мм. Дальнейшие наблюдения, произведенные в других местах, показали, что скорость качания маятника по мере движения от полюсов к экватору уменьшается. Первоначально это явление пытались, объяснить центробежной силой вращения Земли. Однако более точные расчеты показали, что для подобных изменений потребовалось бы увеличить скорость вращения Земли в 17 раз. Оставалась единственная возможность допустить, что уменьшение силы тяжести от полюсов к экватору зависит от полярного сжатия Земли. Заключение о полярном сжатии Земли встретило ряд возражений. Разгоревшийся около этих вопросов спор заставил Французскую академию снарядить две экспедиции для измерения длины градуса в полярных и экваториальных широтах. Обе экспедиции, работая совершенно независимо (одна в Перу в 1735 г. и другая в Лапландии в 1736 г.), дали следующие результаты: длина градуса в Лапландии равна 57 437 туазам, длина градуса в Перу равна 56 753 туазам. Следовательно, экваториальный градус оказался короче полярного на 648 туаза. Отсюда можно было сделать совершенно определенный вывод о полярном сжатии Земли, Позже эти выводы были подтверждены и другими еще более точными измерениями. Полярный радиус Земли оказался на 21,4 км короче экваториального. Наличие полярного сжатия на Земле приводит к тому, что у ряда длинных рек, текущих в сторону экватора (Волга, Миссисипи и др.), устье отстоит от центра Земли дальше, чем исток, т. е. реки эти текут вверх (под действием центробежной силы, вызванной вращением Земли). Работы по вычислению эллипсоида показали, что Земля есть, в сущности, трехосный эллипсоид. Это означает наличие у неѐ не только полярного, но и экваториального сжатия, которое, впрочем, равно всего 1:30000. Следовательно, земной экватор – не окружность, а эллипс; наибольший и наименьший радиусы экватора отличаются на 213 м. Однако принятие трехосного эллипсоида в геодезических работах сильно усложнило бы эти работы и не принесло бы особых практических выгод. Поэтому фигуру Земли в геодезии и картографии рассматривают как двухосный эллипсоид. 7.5. ЗЕМЛЯ КАК ГЕОИД Продолжавшиеся в XIX в. градусные измерения и измерения силы тяжести в различных пунктах показали, что форма Земли сложнее, чем это предполагалось. Например, напряжение силы тяжести на многих океанических островах оказалось значительно больше, чем на материках. Исходя из этих фактов, пришлось допустить, что уровень воды в океанах неодинаков, форма Земли во многих случаях отступает от формы эллипсоида вращения. Дальнейшие измерения показали, что Земля по своей форме хотя и приближается к эллипсоиду вращения, но имеет более сложную, присущую только ей форму, которая получила название геоида. Геоид (гр. γῆ — Земля εἶδος — вид) — выпуклая замкнутая поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах в спокойном состоянии и перпендикулярная к направлению силы тяжести в любой ее точке. Эта индивидуальная форма Земли пока еще недостаточно изучена. Известно, что поверхности теоретически вычисленных эллипсоида и геоида не совпадают, однако несовпадение это не превышает 140 м. Рис. 7.1. Экваториальный профиль геоида. Горизонтальная линия – поверхность земного сфероида на экваторе, жирная кривая линия – поверхность геоида на экваторе. Цифры на кривой показывают величину (в метрах) поднятия или опускания поверхности геоида относительно поверхности сфероида на соответствующих меридианах. Практически для геодезии и картографии подобное отступление от формы эллипсоида роли не играет, а потому геодезисты при всех своих расчетах исходят из того, что Земля имеет форму эллипсоида вращения. Размеры Земли. В странах СНГ с 1946 г по настоящее время приняты размеры земного шара, вычисленные советскими учеными Ф.Н. Красовским и А.А. Изотовым. Они характеризуются следующими данными. Большая полуось Земли (экваториальный радиус) а = 6 378 245 м. Малая полуось Земли (полярный радиус) b = 6356 863 м. Длина окружности экватора а = 40 075,7 км. Длина окружности меридиана l = 40 008,550 м. a b 1 a 298.3 Сжатие Земли Поверхность Земли S = 510 млн. км2. Водная поверхность Земли Sb = 71 % поверхности Земли. Поверхность суши Sc = 29% поверхности Земли. Объем Земли V = 1083 млрд. км3. Масса Земли m = 6×1021 т, из которых около 7% приходится на воду. Длина дуги в 1° на разных географических широтах различна: Географическая широта (φ°) Длина дуги меридиана в 1° (в км) 0 110,57 30 110.85 60 111,42 90 111.70 Для вычисления размеров земного эллипсоида Ф.Н. Красовский привлек данные по градусным измерениям не только Советского Союза, но также Западной Европы и США. Кроме того, впервые для вычислений размеров Земли были использованы результаты измерений силы тяжести. Выведенные таким путем размеры эллипсоида более отвечают фигуре Земли в ее континентальной части, чем все ранее полученные. Средним радиусом Земли принято считать радиус шара, одинакового по объѐму с земным сфероидом, а именно 6371,11 км. Шарообразность Земли Отметим следствие шарообразности Земли, представляет для географа наибольший интерес. Солнце находится на таком далѐком расстоянии от нас, что все его лучи, приходящие на Землю, можно считать параллельными. Если бы эти лучи падали на плоскую поверхность, то угол падения на плоскость был бы всюду одинаковым при данном положении этой плоскости (рис. 7.2). Рис. 7.2. Параллельные солнечные лучи, падающие на плоскость, всюду встречают еѐ под одинаковыми углами Но так как солнечные лучи в действительности падают на выпуклую поверхность и притом шарообразную, они 1) встречают последнюю в один и тот же момент в разных местах под разными углами и 2) углы эти закономерно (зонально) уменьшаются по направлению к полюсам (рис. 7.3). Рис. 7.3. Параллельные солнечные лучи, падающие на шарообразную поверхность, образуют с ней в один и тот же момент в разных пунктах различные углы Оттого нагревание Земли солнечными лучами совершается с интенсивностью, убывающей в обе стороны от экватора к полюсам, что обусловливает неравномерность распределения тепла и, в конечном итоге, зональность всех явлений на земной поверхности, прямо или косвенно зависящих от теплового режима. Наиболее очевидное значение размеров Земли в том, что они, наряду с плотностью слагающего Землю вещества, определяют величину массы земного шара (равную 598 × 1019 т ). От массы планеты зависит наличие или отсутствие атмосферы. Именно вследствие своих огромных размеров Земля силой притяжения удерживает вокруг себя свою газовую оболочку. Отсутствие атмосферы повлекло бы неисчислимые последствия, ибо где нет атмосферы, там нет и жидкой воды, не может быть работы моря, проточных и подземных вод, ледников, ветра, не может быть проявлений жизни и т. п. Атмосфера преобразует солнечную энергию, химически воздействует на земную кору, регулирует распределение тепла и влаги, защищает организмы от ультрафиолетовых лучей, служит основной средой, в к которой возникают и распространяются звуки. При отсутствии атмосферы средняя температура земной поверхности была бы на 38° ниже, чем теперь.
