Форма и размеры земли

Мы живём на огромном шаре. Лучшие умы человечества начали об этом догадываться, отказываясь от представлений о «плоском, как блин», мире, очень давно. Ещё древнегреческий математик Пифагор (VI в. до н.э.) высказывал мысль о шарообразности нашей планеты.

Внутреннее строение Земли

Он же довольно робко предположил, что Земля делает «вокруг себя» оборот между восходом и заходом светила один раз (т.е. за сутки), а за 365 дней огибает Солнце, — теперь мы называем это годом. Сегодня всё это доказано наукой, а 2500 лет назад подобное мог предположить только гениальный учёный.

Но подтвердить эту смелую гипотезу тогда ещё было невозможно: слишком мало фактических сведений накопили люди к тому времени. Первые подлинно научные свидетельства шарообразности Земли представил великий древнегреческий философ Аристотель (IV в. до н.э.). Наблюдая лунные затмения (а они происходят потому, что Земля на время оказывается между Солнцем и Луной), он следил за тенью, отбрасываемой Землёй на Луну. Какой бы стороной ни была повёрнута к Луне Земля, эта тень всегда круглая. А какое тело в любом положении отбрасывает круглую тень? Шар. Значит, планета наша имеет шарообразную форму — к такому заключению пришёл Аристотель. (Необходимо отметить, что до Аристотеля халдеи — племена, обитавшие в Южной Месопотамии, — наблюдали лунные затмения и обращали внимание на форму тени, которую при этом Земля отбрасывает на Луну.)

Аристотель приводил и другие доказательства шарообразности Земли. Одно из них — то, что при движении на север или на юг мы видим в небе над собой уже другие созвездия.

За 250 лет до нашей эры древнегреческий учёный Эратосфен Киренский, хранитель крупнейшей в античном мире Александрийской библиотеки в Египте, уже решился измерить Землю.

Он знал, что в городке Сиена (ныне он называется Асуан), расположенном точно к югу от Александрии, у первых порогов Нила, в день летнего солнцестояния Солнце, находясь в зените, освещает дно одного очень глубокого колодца. А на севере Египта, в его столице, в тот же момент оно отстоит от зенита на 1/50 (запомним эту дробь) долю окружности. Следовательно, расстояние между этими городами составляет 1/50 долю земной окружности, или 7°12' долготы. А в мерах длины эту дистанцию он приблизительно определил по тому, за сколько времени её преодолевает... верблюжий караван — других «измерительных приборов» в то время ещё не было. Оказалось, что расстояние равно 5 тыс. египетских стадий, а одна стадия — немного меньше 160 м. Значит, от Александрии до Сиены около 800 км, окружность же всей планеты в 50 раз больше — около 40 тыс. км. А любой, знакомый с геометрией, по длине окружности может вычислить её радиус. Он в данном случае равен 6311 км.

Можно возразить, что это неправильно, — окружность Земли по экватору составляет почти 40 100 км. А средний её радиус, как известно, 6371 км. Знаменитый Эратосфен километров на шестьдесят ошибся... Однако если учесть, какими «приборами» (колодец + верблюд) он пользовался, то надо признать, что для своего времени вывод древнегреческого учёного был довольно точным.

Этот момент можно считать днём рождения теоретической геодезии — науки о форме Земли. А немного позднее появилась и геофизика — наука о её строении, развитии, физических процессах, происходящих в теле планеты (ведь не зная размеры Земли, нельзя судить о её плотности, массе и других характеристиках). Результаты, полученные Эратосфеном, «продержались» целое тысячелетие... Лишь в 827 г. н.э. астрономы, трудившиеся в Багдадской обсерватории халифа аль-Мамуна (он был сыном Гаруна аль-Рашида, известного по арабским сказкам «Тысяча и одна ночь», и сам занимался науками), немного подправили величину радиуса планеты, давным-давно определённую библиотекарем из Александрии.

...Шар-то шар, но не совсем правильный. Понимал это ещё знаменитый математик Архимед (III в. до н.э.), друг Эратосфена. Он учитывал, что есть на Земле высокие горы, есть равнины и глубокие провалы; значит, идеальным шаром она быть не может. Он первым предложил термин «сфероид» — фигура, близкая к сфере, но не совсем идеальный шар...

Идея «непогрешимой» шарообразности планеты не была полностью отвергнута ещё очень долго. Даже не принимая на веру догадки античных мыслителей, европейские учёные считали, что Земля — правильный шар. Так было до самого конца XVII столетия, когда англичанин Исаак Ньютон и голландец Христиан Гюйгенс нашли физические опровержения того, что Земля имеет форму правильного шара: раз тело долго и быстро вращается, значит, оно должно быть сплющено сверху и снизу. Ведь центробежные силы на экваторе действуют сильнее, чем у полюсов. И расстояние от полюса до полюса (полярный диаметр) будет короче, чем диаметр Земли в плоскости экватора. Это следует из законов физики, а им подчиняется весь материальный мир.

В 1680 г. Ньютон подсчитал, что наша планета сплющена вдоль оси вращения на 1/230 долю этой оси. Как ни велик был авторитет знаменитого учёного, следовало проверить его вычисления на практике. И в 1734 г. французские исследователи во главе с астрономом Жаком Кассини отправились измерять длину земного меридиана на север — от Парижа до Дюнкерка, города у пролива Па-де-Кале, и на юг — от Парижа до Перпиньяна на берегу Средиземного моря. Это расстояние побольше, чем между Александрийской библиотекой и Сиенским  колодцем  в Египте,  и точность измерений была уже выше. И всё-таки ошибок оказалось тоже немало.

Караван верблюдов, пересекающий пустыню, «помог» знаменитому Эратосфену измерить Землю

Сплющена ли Земля с полюсов, оставалось неясным (а если да, то насколько?). В век Просвещения так обстоять дело не могло, и Парижская академия наук послала ещё две экспедиции. Одну возглавил астроном Шарль Кондамин; она работала в Южной Америке. А другую — Пьер Луи Мопертюи; ей «достался» север Европы — скандинавская Лапландия.

После нескольких лет странствий в тяжёлых условиях Андского высокогорья и скандинавской тундры учёные привезли свои ценнейшие данные в Париж (Мопертюи в 1737 г., а Кондамин в 1742 г.). Здесь их обработал Кассини, и был сделан окончательный вывод: Ньютон прав, расстояние от центра Земли до экватора больше, чем до полюса!

...Итак, сегодня очевидно: наша планета немного сплющена с полюсов, поэтому её экваториальный радиус больше, чем у идеального шара, а вдоль оси вращения радиус Земли на 5 км меньше, чем у правильной геометрической сферы.

Но до сих пор мы всё время говорили только о том, что специалисты называют фигурой Земли, т.е. о форме планеты. Пора заглянуть себе «под ноги»...