Взламывая планету Земля - Том Джексон

Экспедиция на корабле «Южный Крест», длившаяся с 1898 по 1900 год, была первой миссией по изучению земель Антарктиды. С 1956 года на материке существовало постоянное поселение для людей, а в 1978 году на антарктической станции «Эсперанса» родился первый ребенок.

Метеорологические зонды

Похождения Коксвелла и Глейшера дали ученым понять, что невозможно собирать данные на большой высоте. Поэтому на воздушном шаре были отправлены автоматические устройства для сбора информации.

Атмосферные слои

Атмосфера Земли имеет пять слоев. Тропосфера – ближайший к поверхности Земли слой, где расположены метеосистемы. Стратосфера состоит из воздушных масс, которые с высотой становятся теплее. Температура снова падает в мезосфере, и это самая холодная часть земной системы, где температура опускается до –113°. Термосфера постепенно истощается с рассеиванием воздуха в космическом пространстве (здесь вращаются космические аппараты), в то время как в экзосфере содержатся следы газов, удерживаемых в гравитационном поле Земли.

Для изучения атмосферы на большой высоте необходимо было понять, как запустить удаленные устройства в воздух. Подобное делали океанографы, использующие приборы измерения глубины и регистрации глубоководных условий. Сначала «аэрологи», изучающие атмосферу, запускали воздушных змеев с метеорографами, чтобы измерить температуру и атмосферное давление. Змей был привязан к земле, поэтому при приземлении можно было извлечь данные из прибора. Но запустить его на серьезную высоту – дело не из легких.

Радиозонд

Для метеорологов метеозонды до сих пор являются дешевым и эффективным инструментом. Сегодня они оснащены радиозондом (на иллюстрации образец 1936 года), устройством, питающимся от аккумулятора, которое в режиме реального времени передает на Землю по радио все собранные данные. Наряду с температурой, атмосферным давлением и высотой, радиозонды определяют химический состав ветра и воздуха. Дропзонд – похожее устройство, его кидают с самолета, и он работает, пока летит к земле.

В 1892 году французы Гюстав Эрмит и Жорж Безансон разработали беспилотную систему аэростатов, которая решила проблему высоты. Они использовали бумажные водородные шары, способные поднять около 10 кг на высоту более 10 км. Позже они заменили бумажные шары на резиновые, которые расширялись при подъеме и достигали больших высот. Но шары могли взорваться, если разница между давлением газа внутри и разреженным воздухом снаружи становилась слишком существенной. Как тогда добраться до собранных данных? В качестве решения к метеорографам прикрепили парашюты, и они возвращались на землю в целости и сохранности.

Скопление шаров в небе

В 1896 году французский метеоролог Леон Филипп Тейсеран де Бор начал проводить эксперименты c водородными шарами-зондами, поднятыми на уровень облаков и в верхние слои атмосферы. Он обнаружил, что с набором высоты температура воздуха стабильно падает, но на высоте 11 000 м она выравнивается и остается постоянной несмотря на то, что давление продолжает падать (возможно, он просто не мог поднять шары на достаточную высоту, чтобы выявить дальнейшие изменения температуры). Примерно за 5 лет Тейсеран де Бор запустил в небо более 200 шаров, часто он делал это ночью, чтобы избежать последствий солнечного излучения. Наконец, он убедился в правильности своего открытия – атмосфера состоит из двух слоев. Он назвал нижний слой тропосферой, название указывает на постоянно меняющиеся условия: все погодные явления и процессы образуются в этом слое. Следующий слой – стратосфера – назван так в связи с образующими его слоями с постоянной температурой. Сегодня мы знаем, что над ними существует еще три слоя.

Жар Земли

В древности Землю считали источником холода. Доказательство? Земная твердь холодна на ощупь. Однако было больше доказательств обратного: извержения вулканов и горячие источники указывали на то, что Земля внутри горячая. Но откуда взялся этот жар?

Джордж Дарвин, сын Чарлза, одним из первых предположил, что Земля подогревается изнутри за счет радиоактивного распада.

В 1862 году Уильям Томсон, сегодня больше известный как Лорд Кельвин, решил последовать примеру графа де Бюффона. Будучи авторитетом в области термодинамики – именно он вычислил абсолютный ноль, – Кельвин рассчитал, сколько времени понадобится шарику расплавленной породы, чтобы остыть до состояния твердой поверхности и средней температуры Земли. Он получил цифру в 400 млн лет, которую ученые моментально сочли противоречивой. Геологи, следующие принципу актуализма («настоящее – ключ к прошлому»), изучали формирование горных пород из слоев и частиц, покрывающих поверхность Земли. Одно было очевидно – это был медленный процесс и 400 млн лет для нашей планеты было просто недостаточно, чтобы горные породы успели сформироваться, обрести изгибы и разрушиться. Биологи их поддержали. Животному миру требовалось гораздо больше времени на эволюцию видов путем естественного отбора (новая горячая тема), чтобы разнообразить жизнь на планете. Возмущение противников выводами выдающегося физика росло. Все говорило о неверности его предположений.

Медленное охлаждение, или дополнительное тепло

Было сделано одно очевидное предположение – наша планета неоднородна. Возможно, поток тепла изнутри сдерживался каким-то еще неизвестным образованием. (Во всяком случае, исходя из нашего понимания внутреннего строения Земли, она содержит многочисленные конвективные течения, рассеивающие тепло быстрее, чем теоретическая система, которую использовал Кельвин в своих вычислениях.) Другая и единственная возможность состоит в том, что Земля, наряду с первоначальным жаром, оставшимся с момента ее образования, имеет собственные запасы тепла, которое генерируется за счет распада радиоактивных элементов в ее недрах. Радиоактивность открыли только в 1895 году, но за 10 лет до открытия Джордж Дарвин (сын Чарлза) продвигал ее как решение проблемы теплового баланса Земли. Радиоактивное поле в конце концов помогло бы избежать путаницы и определить истинный возраст Земли с помощью радиометрического датирования.

Луна и приливы

Изначально астроном Джордж Дарвин подтвердил оценку возраста Земли, данную лордом Кельвином. Дарвин предположил, что Луна образовалась под действием центробежных сил внутри молодой Земли (все еще расплавленной) – произошел выброс части материи на орбиту. По словам Дарвина, материя остыла и стала Луной. Вращение Луны ограничено приливными силами вращения Земли (поэтому мы всегда видим лишь одну ее сторону). Дарвин подсчитал, что для возникновения этой замкнутой системы понадобилось 56 млн лет.