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).

Циркуляция воздуха

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.

Эффект Кориолиса

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.

Форма Земли

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.

Задача измерения

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.

Шкала Цельсия

Изобретенная Андерсом Цельсием шкала в большинстве стран вытеснила шкалу Фаренгейта из-за более простого устройства: за 0 °C он принял температуру замерзания воды, за 100 °C – температуру ее кипения. Шведу Андерсу Цельсию не первому пришла в голову идея такой градуировки, но он первым претворил ее в жизнь в 1742 году, спустя несколько лет после геодезической экспедиции в холодную Лапландию. Изначально он отталкивался от холодной температуры, поэтому на его шкале температура замерзания воды составляла 100°, а кипения – 0°. Вскоре после смерти ученого, известный биолог Карл Линней перевернул цифры: за 0° стали принимать температуру замерзания, а за 100° – кипения. Несмотря на возражения Линнея, за шкалой закрепилось имя Цельсия.

Для определения формы Земли ученым нужно было измерить и сравнить окружность планеты, проходящую через полюса, с окружностью по экватору. Совпадение этих величин указало бы им на идеальную сферическую форму Земли.

Но ученые подозревали, что значения будут отличаться. Если окружность экватора больше, тогда Земля сплюснута у полюсов. Если больше окружность, проходящая через полюса, тогда Земля вытянута. Разница же этих значений говорила бы о степени деформации планеты.

Градус географической широты

Широта – это координата для определения расстояния к северу или югу от Экватора. Так как поверхность Земли изогнута, измерять широту удобнее всего в градусах – единицах измерения углов (не температуры). Мореплаватели обнаружили, что можно вычислять широту по положению небесных тел. В XVIII веке они пользовались секстантом, навигационным измерительным инструментом, популяризацией которого занимался брат Джорджа Хэдли – Джон Хэдли. Приведем пример: рассчитаем широту с помощью Полярной звезды. Она называется так потому, что находится почти над самым Северным полюсом. Когда ее угловая высота равна 90°, это значит, что вы находитесь на Северном полюсе – 90° северной широты. Когда угловая высота равна 0°, другими словами, звезда почти скрывается за горизонтом, широта также равна 0°, и вы находитесь в районе Экватора. Определять широту по Солнцу было куда сложнее: во-первых, Солнце – самый большой и самый яркий объект в небе, а во-вторых, мы можем видеть его только днем. Тем не менее пионеры навигации составляли календари, в которых была указана широта для каждого положения Солнца на небе в каждый конкретный день года. Точность была критически важна: ошибка в несколько градусов могла привести к отклонению от курса на сотни километров. Более того, картографам и ученым, составляющим математическую модель поверхности планеты, нужно было знать, какому расстоянию на поверхности соответствует один градус. Если бы Земля была сплюснутой или вытянутой, значение одного градуса широты было бы непостоянным в разных точках планеты.