Владимир Кучин "История изобретения метеорологических приборов"

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.

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, 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 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 он 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. Он утверждал, что снег в северных регионах таял во время летнего солнцестояния и растекался в виде весенних вод. Затем из паров этой воды образовались облака, которые, уносились «ветрами Этесии» (ветрами с Севера) на юг, затем 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 природы для понимания 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.

Глава 2. «Метеорологика» Аристотеля

Аристотель (384—322 гг. до Р.Х.), сын Никомаха и Фестиды, родился в 384 году до Р.Х., между июлем и октябрем. Это был первый год 99-й Олимпиады. Название города Стагиры в древней Македонии, в котором родился Аристотель, по-русски можно передавать по-разному. Это название существует по-гречески как в единственном числе мужского и женского рода, так и во множественном числе среднего рода. Поэтому и по-русски можно говорить и «Стагир», и «Стагира», и «Стагиры», мы будем использовать это имя.

Для Греции тех времен, не только Стагиры, но и вся Македония была отдаленной страной, которая на северо-востоке граничила с Фракией (современной Болгарией). По некоторым источникам, город Стагиры и находился во Фракии. Но принято считать, что Стагиры находились на юге Македонии, на полуострове Халкидика, вблизи крупного (для того времени) города Фессалоники (современный греческий город Салоники). Город Стагиры был основан выходцами с греческого острова Андрос – родины отца Аристотеля. Предки Аристотеля по матери происходили из Эвбейской Халкиды, поэтому Аристотель был чистейшим греком и по отцу и по матери, хотя и родился в Македонии или во Фракии. [2.1.].

В семнадцать лет Аристотель приехал в Афины, где стал учеником философа Платона. После смерти своего учителя в 347 году до Р.Х. 37-летний Аристотель поселился на Лесбосе, острове у побережья Малой Азии. Репутация Аристотеля, как ученого, была в Греции и Македонии столь значительна, что он был назначен наставником к Александру – сыну царя Македонии Филиппа, будущему великому военачальнику Александру Македонского.

В 336 году до Р. Х. Аристотель вернулся в Афины, где стал одним из самых известных научных авторитетов, писателей и философов своего времени. Среди многочисленных работ Аристотеля важное место занимает трактат «Метеорологика», ставший первым научным трудом, который превратил метеорологию в науку.

Трактат «Метеорологика» Аристотеля [2.2.], написанный около 340 года до Р.Х., является старейшим всеобъемлющим сочинением по метеорологии. Трактат состоит из четырех книг, из которых Книги первая, вторая и третья посвящены тому, что мы сейчас считаем метеорологией, а Книга четвертая повествует о свойствах веществ, и содержит сведения по физике веществ, по химии, по металлургии, по производству продуктов и т. п. Общий объем трактата «Метеорологика» – около 100 современных страниц.

Темы, рассмотренные в первых трех «метеорологических» книгах трактата, включают: образование дождя, облаков, тумана, града, они посвящены различным ветрам, климатическим изменениям, явлениям грома и молнии, и ураганам.

Научная база в «Метеорологике» основана на двух главных теориях.

Во-первых, Аристотель считал, что Вселенная имеет сферическую форму. Он принял систему Евдокса из Книда [2.3.], которая объясняла движение звезд и планет системой концентрических сфер, объединенные движения которых производили видимое движение небесных тел. Земля была внутренним ядром этих концентрических сфер, которые были образованы орбитами небесных тел. Аристотель разделил Вселенную на две основные области: небесную область за орбитой Луны и земную или подлунную область – сферу орбиты Луны вокруг Земли. Таким образом, он провел четкое различие между астрономией и своим новым предметом – метеорологией. Первая была ограничена небесной областью, включая орбиту Луны, вторая была ограничена явлениями в земной (подлунной) области.

Во-вторых, Аристотель принял как базовую «теорию четырех элементов» Эмпедокла, которую мы обсуждали в Главе 1. Эмпедокл происходил из богатой семьи, жившей в греческой колонии Агригент на Сицилии, обстоятельства жизни Эмпедокла точно не известны, но существует множество разных мнений о них. Труды Эмпедокла сохранились в отрывках, при этом он писал свои философские концепции стихами. Один из сохранившихся куплетов так раскрывает систему устройства мира у Эмпидокла, [2.4.]:

«Сначала выслушай, что четыре корня всего существующего-

Огонь, и вода, и земля, и безграничная высь эфира;

Из них ……. все, что было, что есть, и что будет».

Аристотель переставил элементы Эмпедокла и представлял земную область как состоящую из четырех элементов в таком порядке: земля, вода, воздух, огонь, расположенных в виде концентрических сферических слоев по системе Евдокса, с Землей в центре.

Аристотель акцентирует на этом внимание и пишет:

«Из четырех, т.е. огня, воздуха, воды и земли, огонь занимает верхнее по отношению к прочим положение, а земля нижнее; два других соотносятся подобным образом, а именно воздух ближе всех к огню, а вода к земле».

Это было существенное изменение – т.к. согласно куплета Эмпедокла, Земля была третьим слоем элементов, а стала первым.

Однако у Аристотеля это расслоение элементов не было жестким, считалось, что все элементы находятся в постоянном процессе взаимопревращения, один в другой. Когда солнечное тепло (огонь) достигало поверхности земли, оно смешивалось с холодной и влажной водой, образуя новое вещество (пар), теплое и влажное, по сути, похожее на воздух (эфир). Солнечное тепло (огонь) аналогичным образом воздействовало на холодную и сухую землю, производя другое вещество, теплое и сухое, по сути, подобное эфиру и огню одновременно.

Солнце находилось вне системы «Евдокса – Эмпедокла – Аристотеля» и производило два вида «испарений». Одним из них были влажные и в целом теплые пары, которые приводили к таким явлениям, как облака, дождь и т. д. Другим были горячие и сухие пары, которые служили исходным материалом для таких явлений, как ветер, гром и т. д.

Таким образом, в атмосфере Аристотеля было два основных слоя – воздух (эфир) и огонь. Но в сфере воздуха (эфира) существовали определенные дополнительные различия. Аристотель предположил, что облака не могут образовываться над вершинами самой высокой горы, потому что воздух (эфир) над горами содержал «огонь» и не может приближаться к земле, потому что солнечное тепло, отраженное от земли, также препятствует образованию облаков. Следовательно, в атмосфере между высотой самых высоких гор и поверхностью земли существовал единственный слой, в котором могли образовываться облака.

Любопытное объяснение дал Аристотель для тепла, поступающего на Землю от Солнца. По его теории Солнце горячее потому, что оно быстро движется, и именно от этого движения сквозь пространство оно нагревается. А Луна у Аристотеля холодная – именно потому, что она неподвижна. Исходя из этой механистической идеи, Аристотель утверждал, что Солнце самое горячее из небесных тел – «кажется белым, а не огненным».

Подобным же образом Аристотель объясняет и всполохи на небе – то, что мы называем полярными сияниями. Эти краски на небе появляются, по мнению Аристотеля, от сгущения воздуха, который при сгущении воспламеняется, и светит подобно головне в печи. Сияния и переливы цвета на небе Аристотель сравнивает с видом пламени, прорывающемся сквозь дым.

Кометы у Аристотеля не есть «некое отражение» – они вещественны и состоят из огня, образующегося от сгущения воздуха. Кроме того «появление многих комет предвещает ветры и засухи». По Аристотелю – не сама комета вызывает засуху – а она может служить неким индикатором сухого сгустившегося воздуха, который и комету порождает, и ветры и засухи вызывает.

«Метеорологика» также содержит совокупность фактов, собранных многими натурфилософами, историками, поэтами и общим опытом. Ряд прогнозов погоды в работе Аристотеля заимствован у египтян, а большая часть работы имеет определенно вавилонское происхождение, особенно в классификация ветров. Таким образом, «Метеорологика» представляла собой сумму метеорологических знаний, а точнее сказать, поверий своего времени.

Прекрасным примером того, как Аристотель развил метеорологическую теорию на основе хорошо известных фактов, является его обсуждение процессов образования града. Аристотель рассуждает так («Метеорологика», Книга первая, Глава двенадцатая):

«ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ

Изучая обстоятельства, сопровождающие образование града, необходимо рассмотреть и то, что несомненно, и то, что представляется противным разуму.

Град – это лед, а вода замерзает зимою, между тем град выпадает преимущественно весною и осенью, а также в конце лета и редко зимой, причем не в сильный мороз. И вообще град выпадает в более теплых краях, а снег – в более холодных.

Странно также и то, что вода замерзает [в этом случае] вверху; ведь замерзание невозможно, прежде чем образовалась вода, а вода ни одно мгновение не может удерживаться наверху, В то же время нельзя [представлять себе дело так,] будто, как капли воды из-за своей малости могут держаться наверху и оставаться в воздухе и как земля и золото, если частицы мелкие, случается, плавают на поверхности [воды], подобно воде на воздухе, а когда многие мелкие капли сольются [в большие], большие падают на землю, [ – будто так и с градом]. [При образовании] града этого не может быть, так как замерзшие [капли] не сливаются вместе, подобно жидким. Ясно поэтому, что вверху удержались довольно крупные капли, иначе замерзшие [градины] не были бы столь [больших] размеров.

Некоторым причина этого явления и его происхождение представляются [следующим образом]: когда облако оттесняется вверх, где отраженные от земли лучи уже не имеют силы и где потому холоднее, вода, попав туда, замерзает, потому-то летом и в теплых краях град выпадает чаще, ведь тепло оттесняет облака дальше от земли. Однако на очень возвышенных местах град весьма редок. А [по их учению], должно [быть наоборот], подобно тому как мы видим, что снег особенно обилен на возвышенностях. Далее, много раз можно было наблюдать облака, проносящиеся с громким шумом над самой землей, так что слышавшим и видевшим они внушали ужас, как предвестие чего-то еще более [страшного]. Бывало, однако, и так, что град выпадал обильный, [градины] были невероятных размеров и не округлые, между тем как облака с таким градом появлялись безо всякого шума. Объясняется это тем, что падение [градины до земли] не занимает долгого времени, ибо замерзание вопреки тем [исследователям] произошло недалеко от земли, [а не наверху]. Действительно, для образования крупного града необходима чрезвычайно [сильная] причина замерзания (a что град есть лед – это ясно всякому). Крупные градины не [бывают] круглыми, а это доказывает, что они застыли недалеко от земли, ведь, падая с большой высоты, они при долгом падении обтесываются и очертания становятся круглыми, а размеры меньшими.