1. Земля — космическое тело

Небеса - человеку

Земля — родной дом человека. На протяжении многих тысячелетий люди рождались, жили и умирали, оставаясь на поверхности нашей планеты.

Существует древнее предание о сказочном богатыре Антее, который черпал свою могучую силу из Земли и которого удалось победить, лишь оторвав от земной поверхности. Эта легенда родилась не случайно. На протяжении многих веков Земля обеспечивала человечество всем необходимым для жизни и прогресса. Она дала ему материал для строительства зданий, металл — для заводов и фабрик, уголь и нефть — для топок и двигателей, дала одежду и пищу. Но не только это. Живя на Земле и наблюдая происходящие вокруг явления, люди изучили многие закономерности, управляющие природными процессами, и научились использовать их в своих интересах. Человек был жителем Земли, и человека в первую очередь интересовало то, что происходило у него под ногами. Но ведь под ногами у человека находилось небесное тело — Земля. И поэтому рано или поздно должно было наступить такое время, когда человеку стало «тесно» на Земле. Нет, совсем не в том смысле, какой вкладывают в это слово некоторые писатели-фантасты, повествующие о грядущих переселениях землян на другие миры в поисках жизненного пространства. Просто люди все чаще и чаще стали сталкиваться с тем, что за ответом на многие, казалось бы, чисто земные вопросы им приходилось обращаться к… небу.

Столетие за столетием к небесам возносились бесконечные молитвы верующих. Сколько разнообразных, бесчисленных просьб содержали они… И все напрасно, все бесплодно.

Но если небеса оставались безучастными к молитвам, ученые научились добиваться у них ответа…

Прежде всего выяснилось, что звезды могут служить необычайно точными и надёжными маяками — указателями направления. Знаменитая Полярная звезда в нашем Северном полушарии и поэтический Южный Крест на южном небе сослужили немалую службу морякам всех времен.

Оказалось также, что, измеряя положения небесных светил, можно точно определять местонахождение наблюдателя на поверхности Земли.

Так небеса начали рассказывать человеку о Земле. Кто-то из ученых древности предположил, что наше ночное светило — Луна обладает зеркальной поверхностью, в которой будто бы отражаются земные материки и океаны. Этим ученый пытался объяснить неизменность очертаний таинственных темных пятен на лунной поверхности. Со временем выяснилось, что эта гипотеза весьма далека от действительности. Оказалось, что поверхность Луны отражает менее десятой части падающего на нее солнечного света. Так что до зеркала ей далеко; скорее можно назвать ее черной или уж в крайнем случае темно-серой. И все же в какой-то степени древний ученый был прав: Луна действительно служит своеобразным зеркалом, отражающим если не очертания океанов и континентов, то очертания всей нашей планеты.

И Аристотель, и Птолемей, и многие другие ученые древности считали Землю гигантским шаром. Но доказательства, которыми они располагали, были весьма несовершенными. Уже тогда было замечено, что корабль, удаляясь в открытое море, исчезает за горизонтом постепенно, как бы «тонет». Но ведь то же самое должно происходить не только на шаре, но и на теле, имеющем, к примеру, форму дыни.

За решением проблем – в космос

Вот если бы можно было посмотреть на нашу планету со стороны, из мирового пространства, охватить ее сразу всю единым взором, тогда вопрос решился бы сразу. Сегодня человек уже наблюдал нашу планету с космических высот. И он подтвердил: да, Земля — шар. Ученые древности не располагали подобными возможностями. Но все же и им иногда представлялся случай посмотреть на Землю как бы со стороны, издалека.

Как и любое непрозрачное тело, наша планета, освещенная Солнцем, отбрасывает гигантскую тень в мировое пространство. По форме тени можно судить и о самом предмете, но для этого, разумеется, ее надо увидеть. В безвоздушном мировом пространстве земная тень не видна. Чтобы сделать заметными ее очертания, пришлось бы поместить в космос гигантский экран. Подобный эксперимент не под силу человеку, но иногда его ставит сама природа. Экраном, который она помещает на пути солнечных лучей, как раз и служит Луна. Во время лунных затмений, когда наш естественный спутник погружается в земную тень, на ее поверхности становится отчетливо видна форма Земли. Десятки и сотни лунных затмений наблюдали люди и заметили, что тень Земли на Луне всегда имеет форму круга.

— И что же из этого? — спросите вы. — Ведь цилиндр и конус тоже могут отбрасывать круглую тень.

Могут, но лишь в определенных положениях. И только у шара при любых его положениях тень всегда круглая.

Так лунное зеркало показало человеку форму его планеты.

Людям необходимо было знать не только, что Земля шарообразна, но и определить ее точную фигуру. Без этого нельзя ни составить географическую карту, ни проложить трассу железной дороги, ни начертить план будущего города.

Как решить подобную задачу? Самый простой способ — измерить длину различных окружностей Земли, по экватору и меридианам.

Человек измеряет планету

Методика подобных исследований была разработана еще астрономами и математиками древности, которые создали для этой цели замечательный метод — метод градусных измерений. Для того чтобы определить длину земной окружности, вовсе не обязательно мерить ее шаг за шагом, пока измеряющий не возвратится в исходную точку. Представьте себе, что земной шар разрезан по меридиану или по экватору и получился круг, длину окружности которого надо измерить. Проще всего поступить так: определить длину дуги, соответствующей одному градусу, а полученный результат умножить на 360, так как полная окружность содержит как раз 360 градусов. А если длина окружности известна, то можно легко вычислить величину соответствующего земного радиуса. Что же касается начальной и конечной точек дуги, соответствующей одному градусу, то первую можно выбрать произвольно, а вторую — определить с помощью астрономических наблюдений.

Именно таким образом и поступили арабские ученые в VIII — IX веках, измерив длину одного градуса дуги меридиана в Синджарской долине на широте около 35 градусов. Она составила 111,8 километра, что соответствует радиусу Земли в 6406 километров. Для того времени это было весьма точным результатом, и получить его было весьма нелегко. Для этого надо было измерить длину одного градуса с очень высокой точностью. Стоит немного ошибиться, и при умножении ошибка сейчас же возрастет в 360 раз.

Когда одному из великих математиков древности, александрийскому ученому Эратосфену, понадобилось измерить расстояние между Александрией и Сиеной, он воспользовался для этой цели весьма необычным землемером — верблюдом.

Из Сиены в Александрию и обратно, сквозь горячие пески, упрямо шли верблюжьи караваны. Мерно покачиваясь на длинных упругих ногах, живые корабли пустыни двигались столь плавно и равномерно, что по времени их движения можно было довольно точно определять расстояние.

Но задача Эратосфена облегчалась тем, что измерения происходили на ровной местности, в пустыне. А что, если дуга интересующего нас меридиана проходит через горы, леса, реки, озера, морские заливы? Тут уж не помогут ни верблюды, ни даже мерная лента…

Поэтому градусное измерение арабов долгое время оставалось единственным в своем роде.

И только на рубеже XVI и XVII столетий голландский географ и исследователь Снеллиус придумал новый остроумный метод измерения расстояний — так называемую триангуляцию.

Представим себе, что нам нужно определить расстояние между двумя пунктами, очень далеко отстоящими друг от друга. Нельзя ли решить эту задачу не прямыми измерениями, а косвенным путем?

Где-нибудь, в подходящей местности, выберем произвольный отрезок — базис и как можно точнее определим его длину. Затем на базисе, как на основании, начнем строить треугольники с таким расчетом, чтобы в конце концов интересующие нас пункты оказались вершинами одного из них. Теперь задачу можно решить путем расчета, если известна длина базиса и углы построенных нами треугольников. Таким образом, задача измерения больших расстояний на местности свелась к построению базиса и определению соответствующих углов. Быстрое совершенствование измерительных приборов, и в частности создание специальных инструментов для угловых измерений, снабженных оптическими приспособлениями, сделало триангуляцию основным методом, позволяющим определять дуги меридианов и параллелей с высокой точностью. Впоследствии триангуляция стала основным методом составления географических карт. С ее помощью ученые определяют местоположение рек, озер, населенных пунктов и наносят их на координатную сетку. И здесь не обходится без помощи астрономии. Кто из вас не видел на местности характерные вышки, отдаленно напоминающие нефтяные? Это так называемые тригонометрические пункты — опорные точки триангуляционной сети. Координаты этих пунктов определяются с высокой степенью точности с помощью специальных астрономических наблюдений.

Но вернемся к фигуре нашей планеты.

Еще Исаак Ньютон в одном из своих сочинений теоретически обосновал сплющенность Земли у полюсов вследствие ее вращения вокруг собственной оси. Так началось изучение земного сфероида, фигуры, которая в сечении по параллелям дает окружности, а в сечении по меридианам — эллипсы.

Многочисленные исследования, осуществленные специальными экспедициями в различных районах земного шара, подтвердили справедливость ньютоновского предвидения: Земля представляет собой сфероид. Так было получено второе приближение к истинной форме нашей планеты. Второе, но далеко не последнее…

Еще в первой половине XIX столетия известные математики Гаусс и Бессель пришли к выводу, что вследствие неравномерного распределения масс в недрах Земли ее форма должна несколько отличаться от правильного сфероида. Правда, в то время никто не обратил на эти соображения серьезного внимания.

Однако прошло всего несколько лет, и обнаружилась странная вещь: градусных измерений, выполненных в различных частях Земли, накапливалось все больше и больше. На основе каждого из них можно было определить земной сфероид. Но, удивительное дело, результаты таких определений не совпадали между собой. Причина могла быть только одна: наша планета действительно не является правильным сфероидом.

Предстояло сделать новый шаг: обобщить результаты отдельных измерений и уточнить форму нашей планеты.

Эту задачу выполнил русский военный геодезист Шуберт. В 1859 году он опубликовал работу, в которой доказывал, что Земля представляет собой трехосный эллипсоид, то есть такое тело, которое дает эллипсы в сечении как по меридианам, так и по параллелям.

Так было получено третье, еще более точное, приближение к истинной форме Земли.

Третье, по опять-таки не последнее. Уже давно стало ясно, что Земля, если учитывать все неровности ее поверхности, имеет столь сложную форму, что ее не выразить никакими, даже самыми сложными, математическими уравнениями. Поэтому решено было считать поверхностью Земли ее водную поверхность, мысленно продолженную под материками. Фигура, ограниченная такой поверхностью, получила название земного геоида.

К 1940 году в результате работ советских геодезистов, покрывших градусными измерениями около половины территории СССР, было произведено наиболее точное определение земного трехосного эллипсоида. По имени ученого, руководившего всеми работами, он получил название «эллипсоида Красовского».

Возможны ли дальнейшие уточнения? Конечно. Но для этого необходимо знать распределение масс в недрах Земли.

Но каким же образом проникнуть в земные недра? Оказывается, и эта задача решается «через» космос. Чтобы получить ответ на интересующий их вопрос, ученым не только не нужно «вгрызаться» в земные недра, но, совсем наоборот, необходимо подняться как можно выше. Речь идет об искусственных спутниках Земли. Именно они приходят нам на помощь.

Искусственный спутник представляет собой самостоятельное небесное тело, движение которого может быть рассчитано с большой точностью по законам небесной механики.

Однако вследствие неравномерного распределения масс в земных недрах спутник должен испытывать соответствующие отклонения от расчетной орбиты. Изучение, этих отклонений позволяет решить интересующую нас задачу.

Искусственные спутники должны послужить также превосходными «геодезическими вышками». Засекая положение этих космических ориентиров из различных географических пунктов, можно с большой точностью определять расстояние между точками земной поверхности. Таким путем наконец удастся измерить точное расстояние между материками и выяснить, изменяется ли оно с течением времени.

Точное время

Далекие звезды помогли человеку решить еще одну, казалось бы, чисто земную задачу — измерять и хранить точное время. Единицы времени даны нам самой природой: сутки — время одного полного оборота Земли вокруг оси, год — время, в течение которого наша планета обегает вокруг Солнца. На основе этих единиц и их различных долей люди установили определенную систему счета времени. Но чтобы ею пользоваться, необходимо уметь с большой точностью измерять промежутки времени.

Точное время играет чрезвычайно важную роль в жизни людей, в науке и технике. Без точного времени нельзя было бы определить моменты начала и окончания работы предприятий и учреждений, составить графики движения самолетов, пароходов и поездов, осуществлять сложные технологические и другие производственные процессы, ставить научные эксперименты.

Наблюдая за суточным движением звезд, можно с очень большой точностью измерять промежутки времени и определять необходимые поправки хода часов. Для получения отметок точного времени по звездам в последние годы стали применяться особые автоматические приборы, обеспечивающие высокую точность измерений.

В целях определения точного времени и его хранения во многих обсерваториях различных стран созданы специальные службы времени. В их числе ведущее место по точности своей работы занимает сейчас обсерватория Советского Союза.

И хотя в настоящее время созданы особые «радиотехнические», «атомные» и «молекулярные» стандарты времени, точность работы которых значительно превышает «точность» вращения Земли, астрономическая служба времени сохраняет свое важное значение и по сей день.

Вероятно, в недалеком будущем переход к новым атомным и молекулярным эталонам времени, не зависящим от астрономических наблюдений, все же будет совершен. Однако и такой переход потребует тщательных сопоставлений нового эталона с продолжительностью секунды, определенной астрономическими методами и составляющей часть суток.

Кроме того, высказывается предположение, что течение процессов, происходящих внутри атомов, происходит в несколько ином темпе, чем внутри молекул. Это непосредственно связано с выводами Фридмана о расширении нашей области вселенной, расширении, которое охватывает не только галактики, но и микрообъекты. Различные масштабы молекул и атомов могут в связи с этим предопределить различный характер временных процессов, происходящих внутри этих образований. Перед учеными встает чрезвычайно важная во всех отношениях задача физического исследования времени. Ее решение потребует длительного и весьма скрупулезного сравнения хода «атомных», «молекулярных» и «астрономических» часов.

Важное значение для познания нашей планеты имеет исследование других космических тел, и в первую очередь нашего естественного спутника — Луны. Хотя Луна и расположена на огромном расстоянии от Земли, изучая ее, мы можем получить ответ на целый ряд вопросов, непосредственно связанных со строением и происхождением нашей планеты. Но, если вдуматься, в этом и нет ничего удивительного. Ведь Луна и Земля — это сходные по своей природе небесные тела, возникшие в едином процессе образования солнечной системы.

Давно известно, например, что Земля представляет собой гигантский магнит. Но какова природа земного магнетизма? Ученые давно бьются над решением этой удивительной загадки.

Создано немало различных теорий, но какая из них ближе всего к истине, еще не ясно. Некоторые ученые полагают, что магнитные свойства Земли связаны с ее вращением вокруг оси, другие считают, что источником земного магнетизма служит внутреннее ядро нашей планеты. Как проверить, кто из них прав? Вот тут-то на помощь и должна прийти Луна. У нее заведомо нет внутреннего ядра, так как им обладают лишь достаточно массивные небесные тела, и вращается она гораздо медленнее, чем Земля. Если, несмотря на это, оказалось бы, что Луна все же обладает магнитными свойствами, то для объяснения природы земного магнетизма пришлось бы искать другие аргументы.

Однако магнитометр, установленный на второй советской космической ракете, магнитного поля Луны не обнаружил, хотя чувствительность прибора была весьма велика: если бы даже магнитное поле Луны было в тысячи раз слабее земного, оно было бы обнаружено. В свете этого результата объяснение земного магнетизма электрическими токами во внутреннем ядре становится весьма правдоподобным.

В 1958 году советскому астроному профессору Н. А. Козыреву удалось наблюдать на Луне проявление вулканической деятельности. Было установлено, что примерно в течение получаса из центральной горки одного из крупных лунных кратеров, «Альфонс», выделялись раскаленные газы. Последующий анализ материалов наблюдений убедил ученых в том, что среди этих газов имелись соединения углерода, характерные для вулканических явлений.

Открытие вулканической деятельности на Луне делает весьма вероятным наличие на лунной поверхности выходов природного газа, в непосредственной близости от которых обычно располагаются месторождения нефти. В свое время Д. И. Менделеевым была высказана смелая гипотеза о неорганическом происхождении части нефтяных запасов, гипотеза, в наши дни приобретающая все больше сторонников. Если эта гипотеза правильна, то в недрах нашей планеты, возможно, таятся неисчерпаемые запасы нефти, возникшие на самой заре существования Земли. Выяснить обоснованность подобных предположений поможет дальнейшее исследование нашего спутника.

Земля — небесное тело

Так, решение многих земных проблем небесное тело приходит к человеку в результате астрономических исследований, приходит из космоса. Случайно ли это? Разумеется, нет. Наша Земля — небесное тело, частица мироздания, одна из планет солнечной системы. Она связана с другими небесными телами, с космосом многообразными связями, без учета которых нельзя разобраться в явлениях природы, происходящих на нашей планете.

Особенно важную роль в жизни Земли играет Солнце. Великий русский ученый К. А. Тимирязев говорил, что «человек вправе величать себя сыном Солнца». И действительно, наше дневное светило — главный источник жизни на Земле. Его лучи приносят на поверхность нашей планеты огромное количество света и тепла.

Всего за несколько суток на Землю поступает от Солнца примерно такое же количество энергии, какое содержится во всех известных и предполагаемых запасах каменного угля, а за несколько месяцев — такое, какое содержится во всех разведанных запасах ядерных горючих — урана и тория. Эту колоссальную энергию человек использует в своей практической жизни буквально на каждом шагу. Ведь вся та энергия, которая заключена в угле, нефти, торфе, природном газе и других видах природного топлива, представляет собой не что иное, как преобразованную энергию Солнца, так как все эти виды топлива образовались под действием солнечных лучей. Своеобразным аккумулятором солнечной энергии является и земная растительность. Эту энергию человек использует, применяя растения в качестве топлива или пищи.

Нагревая поверхность земного шара, солнечные лучи вызывают испарение воды, образование облачности, перемещение воздушных масс, то есть все те явления, которые мы называем погодой. Но Солнце является источником не только света и тепла, но и различного рода невидимых излучений. Оно посылает в окружающее мировое пространство световые, тепловые, ультрафиолетовые лучи, радиоволны, а также потоки корпускул — частиц вещества. Проникая в земную атмосферу, эти излучения вызывают целый ряд геофизических явлений, имеющих важное значение для жизни Земли.

В те дни, когда на Солнце наблюдается большое число пятен, на Земле происходят магнитные бури, возмущения магнитного поля Земли, наблюдаются также интенсивные полярные сияния, нарушаются условия прохождения радиоволн вокруг Земли.

Особенно большой интерес представляют собой так называемые вспышки, происходящие в одном из верхних слоев солнечной атмосферы — хромосфере. При вспышках происходит внезапное усиление яркости отдельных участков солнечной поверхности продолжительностью в несколько десятков минут. Поперечник вспышек составляет около 10 тысяч километров. Площадь, занимаемая ими, в исключительных случаях может достигать 1500 миллиардов квадратных километров.

Советские астрономы, изучая вспышки, пришли к выводу о том, что они представляют собой грандиозные ядерные взрывы, сопровождающиеся возникновением взрывной волны и выбросом частиц высоких скоростей и энергий. Одну из самых мощных хромосферных вспышек удалось зарегистрировать 23 февраля 1956 года. На этот раз сила взрыва оказалась эквивалентной одновременному взрыву миллиона водородных бомб.

Однако даже такая вспышка в масштабах Солнца представляет собой всего лишь местное явление. Не следует забывать, что наше дневное светило превышает Землю по объему в миллион триста тысяч раз.

Очень часто вспышки сопровождаются сильным ультрафиолетовым излучением. Это излучение тоже оказывает заметное влияние на состояние атмосферы и условия прохождения коротких радиоволн.

Существует также целый ряд данных, свидетельствующих о том, что состояние солнечной активности оказывает непосредственное воздействие на течение многих биологических процессов, в том числе и процессов, происходящих в организме человека. В частности, наблюдения ряда ученых обнаруживают несомненную связь между уровнем активности Солнца и деятельностью сердечной мышцы. Так, предварительные статистические подсчеты показывают, что наибольшее количество инфарктов приходится на максимумы солнечной активности.

Все это говорит о том, что изучение солнечной деятельности и ее влияния на Землю представляет собой задачу первостепенной важности. Недаром даже проведение международных геофизических исследований, известных под названием Международного геофизического года, было приурочено к периоду наибольшей солнечной активности, когда влияние Солнца на различные земные процессы было наиболее ярко выражено. С аналогичными целями в 1964 году будет проведен Международный год «спокойного Солнца», совпадающий по времени с минимумом солнечной активности. Наблюдения, которые будут проведены в этот период, дадут важный материал для сравнений.

Есть еще одна «земная» проблема, связанная с изучением Солнца: осуществление управляемых термоядерных реакций. Решению этой задачи номер один современной физики может содействовать тщательное изучение Солнца, этого гигантского термоядерного реактора, созданного самой природой.

В этой связи следует напомнить, что атомная энергия впервые была обнаружена в космосе при изучении Солнца и звезд. А сколько еще неразгаданных тайн хранит вселенная! Ведь космос — это созданная природой, бесконечно разнообразная лаборатория, в которой происходят бесчисленные преобразования вещества, излучения энергии. Здесь человек может встретить и изучить такие явления и процессы, такие состояния материи и источники энергии, которые пока еще не могут быть получены искусственным путем, в земных лабораториях. Их изучение позволило бы человеку овладеть новыми силами природы, научиться управлять новыми природными процессами и поставить их на службу людям.

Огромное значение для прогресса науки и техники, для развития наших знаний будет иметь дальнейшее освоение космического пространства, осуществление межпланетных перелетов.

Все то новое, что будет открываться людям в просторах вселенной, не только послужит расширению наших знаний об окружающем мире, о природе, но и поможет человечеству у себя на Земле решать многие важнейшие практические задачи.

Было время, когда астрономия занималась главным образом изучением положений и перемещений небесных тел. Затем она перешла к изучению их природы… В настоящее время она уже не ограничивается ни этими проблемами, ни даже самими небесными телами в собственном смысле этого слова: объектом ее исследования является, по существу, все космическое пространство, со всеми теми сложнейшими физическими процессами, которые в нем происходят. И поэтому трудно найти сейчас такую область естествознания, без которой можно было бы обойтись при изучении космоса. С другой стороны, современные науки, помогая раскрывать тайны вселенной, в результате этого сами непрерывно обогащаются.