История изобретения метеорологических приборов

Владимир Кучин

Книга посвящена истории изобретения основных метеорологических приборов – барометра, термометра, гигрометра, анемометра. Книга предназначена для прочтения ее пытливым и любознательным читателями, не зависимо от их научных знаний, статуса и возраста.

Глава 1. Первые метеорологические знания

Как и в случае с любой естественной наукой, для метеорологии невозможно определить точную дату ее начала развития. При этом необходимо отличать метеорологию как науку, и метеорологию как отрасль знаний. И, хотя метеорология как наука сравнительно молода, метеорология как отрасль знаний восходит к ранним истокам человеческой цивилизации.

Древние люди, которые были и полеводами и охотниками, в течение всей своей жизни были очень сильно зависимы от погодных условий, что понуждало их наблюдать за атмосферными явлениями в поисках признаков, которые могли бы предсказать будущую погоду. Накапливающиеся «приметы погоды» передавалась из поколения в поколение, постепенно приобретая форму коротких пословиц, чтобы облегчить запоминание примет погоды, например, «Май холодный — год плодородный (хлебородный)» и т. п.

Некоторые из самых ранних известных рукописей содержат фрагментарные упоминания о погодных явлениях. Книга Иова, предположительно написанная в начале 5-го века до Р.Х. содержит несколько рассуждений о погоде, в частности:

«Ручьи мутнеют от талого льда и принимают в себя снег, — но в летнее время пропадают они и в жару исчезают с лица земли». [1.1.].

При этом многие из этих примет погоды, вероятно, были древними уже к моменту их записи. Большинство этих примет были основаны на таких погодных явлениях как ветер, облака, дождь, но многие другие были основаны на суевериях, мистике либо религии.

Первые цивилизации древности сложились в долинах великих рек: Нила в Африке; Тигра и Евфрата, Инда и Ганга, Хуанхэ и Янцзы в Азии. Хотя сегодня появляется новая информация о древних китайских и индийских цивилизациях, большая часть наших знаний о догреческих цивилизациях ограничена древним Египтом и древним Междуречьем — Вавилоном.

В древнем Египте та отрасль знания, которую мы сегодня называем метеорологией, носила ярко выраженный религиозный характер. Еще в 3500 году до Р.Х. у египтян была религия неба с ритуалами «вызывания дождя». Как и во всех религиях древности, в Египте считали, что все атмосферные явления находятся под полным управлением богов.

Вавилонская цивилизация существовала примерно с 3000 по 300 год до Р.Х. и развивалась в междуречье рек Тигр и Евфрат. В этой местности нет растений, подобных папирусу, который египтяне использовали для приготовления бумаги, поэтому вавилоняне для письма применяли глиняные таблички. На сырых глиняных табличках с помощью клиновидного инструмента — «стилуса» выдавливались надписи, затем таблички обжигались в печи и все записи закреплялись на табличках буквально «на века».

Вавилоняне (это обобщенное наименование, более подробно мы остановимся на этой теме в главе об изобретении анемометра) были опытными хозяйственниками, математиками и астрономами. Тексты на некоторых табличках открыли, что метеорология в вавилонской цивилизации приобрела особые черты. Пытаясь связать земные атмосферные явления с движением небесных тел, вавилонские жрецы основали своеобразную науку — астрометеорологию. Жрецы записывали на табличках такие прогнозы, как «Когда темный ореол окружает Луну, месяц принесет дождь или соберет облака» и «Когда на небе темнеет облако, подует ветер» и т.п., и это было результатом их попыток найти связь между астрономией и метеорологией. Изучение облаков, бурь, ветра и грозы служило основой для предзнаменований хороших и плохих событий, например, «Если прогремит гром в день отсутствующей Луны, то урожай будет богатым, а торговля будет устойчива» и т. п.

Расшифровка тысяч глиняных табличек, найденных при раскопках в междуречье Тигра и Ефрата, показала, что вавилоняне уже определяли розу ветров в восемь румбов. Они знали четыре стороны света: юг — суту, север — ильтану, восток — саду, запад — амурра. Еще четыре промежуточных румба назывались так: юго-восток (суту у саду) и северо-запад (ильтану у амурра), северо-восток (ильтану у саду), юго-запад (суту у амура). До 20-го века считалось, что этот способ объединения четырех основных румбов (ветров) для обозначения четырех промежуточных румбов возник в Европе гораздо позже, во времена правления Карла Великого.

Первыми людьми, которые проводили документально подтвержденные регулярные метеорологические наблюдения и разрабатывали целенаправленные метеорологические теории, были древние греки. При этом мы должны упомянуть о древних финикийцах, и минойской цивилизации на Крите. Эти морские цивилизации использовали астрономию для навигации, и, вероятно, пытались прогнозировать погоду. Но надежных источников об их достижениях не сохранилось. Некоторые сведения по данному вопросу можно почерпнуть в книге автора «Древнее мореплавание и морская торговля» [1.2.].

Греческие города были разбросаны по всему Восточному Средиземноморью, и в одном из них, в Милете в Малой Азии жил известный философ и математик Фалес (около 650 г. до Р.Х.). Традиционно Фалеса называют первым натурфилософом, и приписывают ему некоторые математические открытия и доказательства. [1.3.]. Известно, что Фалес интересовался и метеорологическими явлениями. Древнегреческий историк Геродот [1.4.] сообщает, что около 585 года до Р. Х. Фалес предсказал солнечное затмение, вполне вероятно, что это было затмение 28 мая 585 года до Р. Х.:

«Так с переменным успехом продолжалась эта затяжная война, и на шестой год во время одной битвы внезапно день превратился в ночь. Это солнечное затмение предсказал ионянам Фалес Милетский и даже точно определил заранее год, в котором оно и наступило. Когда лидийцы и мидяне увидели, что день обратился в ночь, то прекратили битву и поспешно заключили мир».

Следуя примеру вавилонян, чьи труды он, по-видимому, изучил, Фалес пытался связать погодные явления с движением небесных тел. Сообщается, что он писал о равноденствии и солнцестоянии и изучал группу звезд, известных как Гиады (звездное скопление в созвездии Тельца). Гиады, как предполагали древние, указывали на приближение дождя, когда они восходили вместе с Солнцем. Начиная с начала записанной истории, человек размышлял об основных элементах, из которых состоит наш мир. Фалес также размышлял об этом, и утверждал, что мир состоит из одного основного элемента — воды, которая лежит в основе всего сущего и своей подвижностью образует жизненный цикл, в ходе которого проходит с неба на землю, через все живые существа, а затем снова на небо. По мнению Фалеса, Земля была плоской и плавала на воде. [1.5.].

Таким образом, Фалес знал о циклическом движении воды, падающей с неба в виде дождя и конденсирующейся обратно на небе. Хотя Фалес, несомненно, знал, что облака состоят из воды, не было никаких свидетельств того, что он точно понимал процессы образования облаков.

Фалес был заядлым путешественником, и совершил, по крайней мере, одно путешествие в Египет, где узнал о проблеме, которая веками ставила египтян в тупик. Каждый год летом воды Нила поднимались выше своего нормального уровня и затапливали всю окружающую местность. Египтяне, страдавшие от разливов Нила, считали, что вода в Нил поступает буквально из-под земли, просачиваясь через речное дно. Как сообщает Сенека в трактате «О природе» [1.6.], Фалес нашел явлению катастрофических разливов Нила свое научное объяснение: северные ветры — «этесии» или «бореи» — дуют в этой части Средиземноморья каждое лето 40 дней с начала июля до середины августа и мешают водам реки Нил, поэтому именно ветры сдерживают речное течение, прижимая морские воды к речному устью. Таким образом, именно напор (нагон) морской воды препятствует течению Нила. Подъем Нила, по мнению Фалеса, не являлся результатом увеличения количества его вод, «просачивающихся из-под земли», — Нил просто останавливается из-за того, что его водам мешает напор морской воды, и это приводит к тому, что, когда это возможно, Нил вырывается из своих берегов и затапливает окружающие земли.

Как мы увидим, эта важнейшая для Египта погодная проблема продолжала занимать внимание натурфилософов в течение примерно трехсот лет после Фалеса, и мы вернемся к этой проблеме и ее решению в Главе 3.

На протяжении всей ранней истории метеорологии погодные явления, такие как гром и молния, были важной темой для размышлений натурфилософов. У двух последователей Фалеса, Анаксимандра (ок. гг. 611—547 до Р.Х.) и Анаксимена (ок. 585—528 гг. до Р.Х.), были схожие теории о причине грома и молнии. Они утверждали, что гром происходит от столкновения воздуха с облаками, и пробиваясь сквозь облака, гром разжигает пламя молнии. [1.7.]. Эта теория подразумевала, что в атмосфере присутствует огнеподобное вещество, и это убеждение преобладало в метеорологических теориях еще более 2000 лет.

Анаксимандр был земляком и сподвижником Фалеса. В конце своей жизни Анаксимандр написал трактат «Peri physeos» («De natura rerum»), первое в истории человечества сочинение по натурфилософии. Однако до нас дошло лишь несколько строк из этого трактата. Анаксимандр был проницательным наблюдателем атмосферных явлений, и, вероятно, именно эта проницательность привела его к определению ветра как «потока воздуха». Он был первым, кто дал такое научное определение ветра, определение, которое, как ни удивительно, не было общепринятым среди последующих натурфилософов на протяжении многих веков.

Анаксимен, другой милетянин, принял теорию Фалеса о «базовом элементе», лежащем в основе мира, но считал, что это воздух, а не вода, ввиду того, что в результате наблюдений он пришел к выводу о необходимости воздуха для поддержания жизни на Земле. Анаксимен предположил, что воздух содержит сущность, которую он назвал «пневма», и верил, что эта сущность поддерживает Вселенную таким же образом, как воздух поддерживает человеческое существование. Несмотря на то, что воздух был основным веществом, он мог принимать всевозможные обличия в результате конденсации или сгущения, а также в результате разрежения или разжижения. Изменения в температуре воздуха были связаны с этими качественными изменениями. Обнаружив, что воздух, выдыхаемый человеком через открытый рот, теплый, в то время как воздух, выдуваемый через почти сомкнутые губы, холодный, Анаксимен ошибочно заключил, что разрежение повышает температуру, в то время как сжатие снижает ее.

Последним из знаменитых древних философов Ионийской школы был Анаксагор (ок. 499—427 гг. до Р.Х.), который преподавал в Афинах и прославился как блестящий натурфилософ. Достижения Анаксагора, которого часто называют «Первым ученым», сделали его большим авторитетом в области натуральной философии. Метеорология входила в круг многочисленных интересов Анаксагора. Его научная система, пожалуй, лучше всего проявилась именно в исследованиях метеорологических явлений. Основной научный подход Анаксагора состоял в первоначальном внимательном наблюдении за природой, а затем в проведении экспериментов для проверки гипотез там, где простое наблюдение не давало результатов. Одним из метеорологических явлений, которое Анаксагор попытался объяснить, был летний град, который ставил в тупик тех натурфилософов, которые думали, что вода не может замерзнуть в теплую погоду.

Обнаружив в ходе наблюдений то, что теплота (температура) воздуха вероятно снижается с увеличением высоты от земли, и что облака содержат влагу, Анаксагор пришел к выводу, что вода замерзает на очень больших высотах даже летом. Но как можно было заставить облака подняться на такие большие высоты? На этот вопрос Анаксагор легко ответил, потому что он знал, что тепло заставляет объекты подниматься и создает, как бы мы сегодня сказали, конвекционные потоки в атмосфере. Таким образом, жара летнего дня была способна поднять облака, насыщенные влагой, на такую высоту, что влага могла бы замерзнуть там, а затем упасть обратно на землю в виде града. [1.7.].

Чтобы объяснить снижение теплоты (температуры) с увеличением высоты, Анаксагор утверждал, что увеличение высоты вызывает постепенное уменьшение интенсивности солнечного света, отраженного от поверхности земли, что, в свою очередь, и вызывает понижение температуры воздуха. Этот тепловой (температурный) эффект, однако, наблюдается только до определенной высоты. Выше некоторой точки атмосфера начинает принимать иную форму — форму огнеподобной субстанции, которую Анаксагор называл «эфиром». Следовательно, где-то в верхних слоях атмосферы температура должна была повышаться, и становилась очень высокой. Это изменение, однако, происходило за пределами высот, которые были значимыми для метеорологических процессов на поверхности земли. Таким образом, на основе неверной физической модели Анаксагор удивительным образом пришел к истинной картине взаимосвязи температуры воздуха и высоты. Интересно, что такая зависимость температуры воздуха от высоты, предложенная Анаксагором, не была общепринятой в научных кругах до 19-го века, т. е. Анаксагор заглянул вперед на 2400 лет!

Анаксагор также использовал свою теорию наличия эфира в верхних слоях атмосферы, чтобы объяснить причину возникновения грома и молнии.

Как сообщал Аристотель, Анаксагор предположил, что в облаках есть огонь. Этот огонь был частью эфира, который опустился в нижние слои атмосферы. Молния вызывалась именно этим огнем, сверкающим сквозь облака, а гром был шумом огня, шипящего, когда влага в облаках его гасила. Почему горячая субстанция в атмосфере (эфир) могла опускаться, а не подниматься, как указывала его теория о летнем граде, Анаксагор так и не ответил.

Идеи Фалеса и Анаксагора о первичном, универсальном элементе вдохновляли многочисленных исследователей природы и философов. [1.7.]. Наиболее общепринятая теория, которая доминировала в метеорологии в течение 2000 лет, и которой придерживался Аристотель, была предложена сицилийцем Эмпедоклом из Аргигента (ок. 492—430 гг. до Р.Х.). Эмпедокл утверждал, что во Вселенной есть четыре основных элемента: воздух, земля, огонь и вода, которые ассоциируются с четырьмя основными свойствами природных веществ: теплом, холодом, влажностью и сухостью. Поскольку вода гасит огонь, Эмпедокл пришел к выводу, что эти два элемента находятся в оппозиции.

Рис. 1.1. Концепция Эмпедокла о природе Вселенной. Рисунок автора.

Вода и воздух, однако, сочетались друг с другом или обладали сродством друг к другу. Таким образом, Вселенная состояла из четырех основных элементов, связанных с четырьмя первичными качествами и обладавшими парными свойствами сродства и противоположности (Рис. 1.1.).

Эмпедокл заинтересовался причинами проявления метеорологических явлений, в частности он размышлял о причинах появления грома и молнии. Его теория была по существу такой же, как у Анаксагора, за исключением того, что Эмпедокл утверждал, что огонь в облаках был вызван лучами солнца, которые оказались в облачной ловушке. Он, по-видимому, был первым, кто предположил, что молния была порождена именно облаками.

Применяя свою четырехэлементную концепцию Вселенной, Эмпедокл попытался использовать противопоставление огня и воды, чтобы объяснить причину различия климатических условий летом и зимой. Основные элементы — огонь и вода — постоянно противостояли друг другу в атмосфере. Когда горячий и сухой огонь одерживал верх, — наступало лето. Когда одерживала верх влажная и холодная вода, — наступала зима. [1.7.]. То, что эти два основных элемента всегда перемещались случайным образом, не объясняло, однако, почему летние и зимние сезоны на Земле появлялись так регулярно, никогда не изменяя своей строго календарной последовательности возникновения.

Другим известным натурфилософом 5-го века до Р.Х., интересовавшимся погодными явлениями, был Демокрит (ок. 460—370 гг. до Р.Х.), атомист и геометр. Он был, по его собственному признанию, великим путешественником, известна его фраза:

«Я объехал часть земли, наибольшую по сравнению с любым другим человеком моего времени, я исследовал самые отдаленные уголки; я наблюдал очень много климатов и земель и слушал очень многих ученых людей.»

Вероятно, именно во время пребывания в Египте Демокрит задумался о проблеме ежегодного огромного разлива Нила. Подобно Фалесу, он указал на этесианские ветры как на виновника этой природной аномалии. Объяснение Демокрита, при этом, сильно отличалось от объяснения Фалеса и указывало на его большую осведомленность об атмосферной деятельности. Демокрит утверждал, что снег в северных регионах таял во время летнего солнцестояния и растекался в виде весенних вод. Затем из паров этой воды образовывались облака, которые, уносились «ветрами Этесии» (ветрами с Севера) на юг, в результате у берегов Египта начинались сильные штормы, и именно эти штормовые воды заполняли прибрежные озера и останавливали Нил.

Хотя это указывает на то, что Демокрит признавал определение ветра Анаксимандром как потока воздуха, но он, возможно, частично понял природный сценарий формирования и сезонного движения штормов, который не был признан и оценен учеными вплоть до 18-го века. До Демокрита считалось, что конкретный шторм не может перемещаться по морскому пространству с одного места на другое. Однако не было найдено никаких доказательств того, что Демокрит действительно пришел к такому важнейшему климатическому выводу.

Демокрит использовал свою атомистическую теорию в определении ветра, утверждая, что, когда в маленьком пустом пространстве присутствует много частиц («атомов»), то результатом будет ветер, с другой стороны, когда пространство большое, а частиц в нем мало, наблюдается «тихое, спокойное состояние атмосферы».

Эта теория была немедленно раскритикована и отвергнута, поскольку часто наблюдалось, что ветер не всегда сопровождает облачную атмосферу.

Явление грома и молнии также интересовало Демокрита. На основе своей атомистической теории он объяснил гром и молнию как неравномерную смесь частиц, вызывающих бурные движения облаков. Он верил, что гром и молния происходят одновременно, а воспринимаются по отдельности, потому что зрение быстрее слуха — это было правильное понимание одновременности грома и молнии, проигнорированное последующими натурфилософами и не появлявшееся примерно в течение 2000 лет.

Следует также упомянуть метеорологические объяснения Гиппократа из Коса (ок. 460—375 гг. до Р.Х.), которого часто называют «Отцом медицины». Важной частью его медицинской доктрины была необходимость понимания явлений природы для понимания состояния тела и души человека. Гиппократ считал, что знание метеорологии необходимо для того, чтобы стать успешным врачом. В своем трактате «О воздухе, водах и местах» Гиппократ обсуждал различные климатические условия, влияние этих климатических условий на здоровье жителей и их болезни, распространенные в местностях, характеризующихся воздействием определенных ветров. Гиппократ, однако, по-видимому, не предпринимал никаких попыток рассуждать о причинах из метеорологических явлений, которые он изучал. Его исследования были сосредоточены только на влиянии погоды на здоровье человека. [1.8.].

Последним натурфилософом до аристотелевского периода, который, как известно, интересовался метеорологией, был Евдокс из Книда (ок. 408—355 гг. до р.Х.), ученик Платона. Считается, что Евдокс был автором трактата «Ceimonos Prognostica» о предсказаниях плохой погоды, который, вероятно, имел вавилонскую предисторию. Также у Евдокса была интересная теория о периодичности погодных явлений. Плиний в своей «Естественной истории» сообщает, что Евдокс утверждал, что все метеорологические явления регулярно повторяются. Эта периодичность наблюдается не только при ветрах, но и при других формах плохой погоды. По мнению Евдокса это повторение происходило в течение четырехлетних периодов, и период всегда начинается в високосный год с восходом звезды Сириус. [1.9.].

Как мы увидели, на ранней стадии развития метеорологии многие натурфилософы посвятили свое внимание изучению погоды. Их исследования, однако, проводились без использования метеорологических приборов, которые не были изобретены до 15-17-го веков. Следовательно, изучение метеорологических явлений учеными древности было в основном качественным, а не количественным. Предложенные теории, за возможными исключениями по наблюдению движения облаков, не были проверены измерениями явлений, которых они касались. Эти теории можно было принять или отвергнуть, только умозрительно соотнеся их с более общими теориями природы, такими как теория четырех элементов. Тем не менее, подобные теории легли в основу трактата «Метеорологика» Аристотеля [1.7.], который, в свою очередь, стал авторитетом в области теории погоды на последующие 2000 лет. Трактату Аристотеля «Метеорологика» мы посвятим Главу 2.

Литература к Главе 1.

1.1 С. Аверинцев. Собрание сочинений. Переводы: Евангелие. Книга Иова. Псалмы. М.: «Дух и Литера», 2004.

1.2. В. Кучин «Древнее мореплавание и морская торговля», Екатеринбург: «Ридеро», 2019.

1.3. Г. Г. Цейтен, «История математики в древности и в средние века», М.-Л.: ГГТИ, 1932.

1.4. Геродот, «История в 9-ти книгах», М.: АСТ, 2001.

1.5. А. Паннекук, «История астрономии», М.: «Наука», 1966.

1.6. Луций Анней Сенека, «Философские трактаты», СПб.: «Алетейя», 2001.

1.7. Аристотель. Собрание сочинений в 4-х томах. М.: «Мысль», 1981.

1.8. Гиппократ. Сочинения, в 3-х томах, М.: Медгиз, 1944.

1.9. Caius Plinius, Naturalis Historia. Libri I — XV, lat, Berolini: APUD WEIDMANNOS, MDCCCLXVI.

Рисунки к Главе 1

Рис. 1.1. Концепция Эмпедокла о природе Вселенной. Рисунок автора.