Форма Землі для науки
По суті сферична форма Землі така ж, як і коли б вона була цілком текучою, що, як вважалося, свідчило про епізод генезису, коли Земля була гарячою та талою.
t Земля підвішена, нічим не підтримувана, але стабільна через рівну відстань від усього. Його форма вигнута, округла, як кам'яний стовп; з одного боку ми йдемо, а з іншого - з протилежного. Так висловився Анаксімандр у 6 столітті до нашої ери.
Концепція Анаксимандра, якою б елементарною вона не здалася нам, була кардинально новою і відображала значні зусилля думки. Протягом історії люди стали все точніше розуміти форму і розміри Землі, її розташування в космосі та причини такого стану речей. Потрібна невеличка подорож у минуле, щоб пояснити різні теорії, що слідували одна за одною, і таким чином оцінити сучасні знання та гіпотези у світлі минулих концепцій.
До Анаксимандра, коли був відомий лише середземноморський світ, Земля повинна була бути плоскою, у формі диска, цілком оточеною річкою Океан. Вважалося, що він відпочивав або на уявному стовпі, або на воді (Фалес, 6 ст. До н. Е.), Або на повітрі (Анаксимед, 6 ст. До н. Е.), І був покритий напівсферичним купольним небом. Про напівсферичність неба, безперечно, свідчив рух зірок, що описував великі дуги кола вдень і вночі. Щоденне повернення подібних рухів було важко пояснити. Деякі думали, що зірки, зникнувши з горизонту, повернулися до своєї точки відліку, запозичивши річку Океан, яка оточувала Землю. Інші стверджували, що вони щодня являють собою нові тіла, що рухаються в небі, певні частини Землі мають силу їх вмикати чи вимикати ...
Розглядаючи Землю як ізольований об'єкт, позбавлений будь-якої опори, в рівновазі в центрі цілком сферичного неба, Анаксимандр зруйнував уявлення про світ свого часу і відкрив нові горизонти. Сферичне небо дозволяло зіркам проходити "під" Землею і починати знову щодня, ніколи не перериваючи свій небесний курс. Земля могла б залишатися в рівновазі без опори, оскільки вона знаходилася в центрі сфери: за однакових напрямків вона не мала підстав рухатися до одного місця, а не до іншого! Земля, з верхом, низом і
Товщина, а також місце у світі, тому сприймалася як єдине ціле, тіло, що стоїть одне ціле, форма якого ми могли б дивуватися. За Анаксимандром, він мав форму циліндра, як усічений кам'яний стовп, з якого заселена лише плоска верхня грань.
Естетична сфера
Арістотель також запропонував фізичне пояснення округлості Землі. Кожна частина земної стихії мала тенденцію рухатися до центру Землі, плутаючи її з центром світу. Це падіння спричинило агломерацію, осідання та стиснення різних частин і вимагало, щоб загальний обсяг був однаковим з кожної сторони, іншими словами, щоб Земля мала приблизно правильну форму кулі. Це була перша поява поняття рівноважної фігури.
Визнання округлості Землі було одне, все ж потрібно було визначити її радіус ... Відомо, що Ератосфен (284-192 до нашої ери), після Евдокса (в. 400-355 до нашої ери), дав спочатку точна оцінка. Він знав, що в Сієні - сьогодні в Асуані в Єгипті - в день літнього сонцестояння, опівдні сонячні промені падали вертикально відносно землі таким чином, що вони освітлювали дно колодязя. У той же час в Олександрії, місті, розташованому приблизно на тому самому меридіані, але далі на північ Сонце вже не було в зеніті. Довжина тіні обеліска дала змогу дізнатись кут, який спрямовував Сонце з вертикаллю місця, і, таким чином, визначити кут, зроблений двома містами від центру Землі. Щоб вивести значення всієї земної окружності, а отже, і земного радіуса, Ератосфену було «досить» оцінити відстань, що розділяє два міста, підрахувавши кількість кроків, зроблених, коли два міста були пов’язані з маршем! Його чудові виміри можна розглядати як вихідну точку геометричної геодезії (див. Малюнок 2).
Астроном Йоганнес Кеплер продовжив ці роздуми
у 1618 р. Він розсудливо зауважив, що найвищі гори мало височіли над морями, і тому форма твердої Землі була більш-менш такою ж, як і води. Але чому суцільна Земля була круглою і не набагато витривалішою? Або він був створений із самого початку сферичним, або був через вогонь або воду в початковому рідинному стані, що дозволило йому вільно моделюватись силою тяжіння (тут не йшлося про гравітаційне тяжіння, а просто про тенденцію тіл, що падають у напрямку до центру Землі) і набувають округлої форми. Таким чином, фігура рівноваги Землі накладає оригінальну плинність. Це було перше питання про фізичний стан земної кулі на момент її формування.
Вимірювання Землі
Протягом XVII століття винахід тріангуляції дозволив відновити і уточнити вимірювання Землі. Йшлося про визначення відстані шляхом вимірювання кутів, що ми прекрасно знали, як це робити. Метод полягав у з'єднанні двох місць меридіана, відстань якого ми хотіли знати ланцюжком трикутників. Послідовні вершини трикутників були чітко позначені і помітні крок за кроком (як правило, шпиль церков). Вимірюючи довжину однієї стартової сторони - основи - і всієї
кутів, ми могли б за допомогою тригонометрії встановити довжину всіх сторін трикутників. Орієнтуючи ланцюжок трикутників відносно меридіана, ми за проекцією визначили відстань між двома місцями. Щоб визначити окружність Землі, залишалося визначити різницю в широті між цими двома місцями завдяки астрологічним спостереженням.
номічні, такі як вимірювання зенітової відстані тієї самої зірки.
У 1615 році Віллебрордус Снеллій першим застосував триангуляцію для вимірювання довжини одного градуса меридіана в Голландії. Але перш за все отець Жан Пікар збирався розробляти його у Франції з 1669 р. Дуга, яку він взявся виміряти
простягався від Малвузіне (30 кілометрів на південь від Парижа) до Саурдона (близько двадцяти кілометрів від Ам'єна) і включав 13 основних трикутників. Завдяки інструментарію, вдосконаленому його турботою, він здійснив точні вимірювання і отримав для ступеня меридіана довжину "57 060 toises du Châtelet", тобто трохи більше 111 кілометрів.
Чи справді Земля була сферичною? Щойно вимірювання Пікарда було здійснено, сумнів увійшов у свідомість людей. Дійсно, у 1659 році Крістіан Гюйгенс виявив існування відцентрової сили і дав її вираз у v 2/r (де v - швидкість обертання, а r - радіус на осі розглянутої точки). Відцентрова сила, породжена обертанням Землі, дорівнювала нулю на полюсах і максимуму на екваторі; він діяв по-різному залежно від широти. Чи не могло це вплинути на форму Землі? Питання було тим актуальнішим, оскільки Жан-Домінік Кассіні в 1666 р. Спостерігав, що Юпітер мав сплюснуте обличчя (екваторіальний радіус більший за полярний).
Вчений Роберт Гук був першим, хто припустив у 1675 р., Що Земля - це сплощений еліпсоїд, питання, досліджене в 1687 р. Ісааком Ньютоном: “Якщо
планети не мали щоденного руху обертання навколо своєї осі, вони повинні бути сферичними через однакову вагу їх частин. Обертальний рух змушує частини, що відходять від осі, докладати зусиль, щоб піднятися до екватора. І, отже, якби речовина, з якої вони складаються, була текучою, її підйом до екватора збільшив би діаметр цього кола, а опускання до полюсів зменшило б вісь. (...) З тих самих міркувань ми побачимо, що якби наша Земля була на екваторі трохи вище, ніж на полюсах, то моря, прогинаючись до полюсів і піднімаючись до екватора, всі б затопили ці регіони. "
Ньютон прагнув обчислити сплощення Землі (відношення різниці між екваторіальним радіусом і полярним радіусом на екваторіальному радіусі), припускаючи, що воно було текучим і однорідним, і використовуючи свою теорію загального тяжіння в 1/r 2. Він застосував розумний процес: він вважав, що дві колони рідини, що починаються одна від полюса, а інша від екватора і стикаються в центрі Землі, повинні бути збалансовані. Рівність ваги двох колон означала, що стовп, що приєднується до екватора, був довшим, ніж той, що приєднував полюс. Для його обчислення він визначив притягнення еліпсоїда обертання і виявив ексцес 1/230.
У 1690 р. Гюйгенс запропонував інший розрахунок сплощення. Вперше він помітив, що сила тяжіння, сума сили тяжіння та відцентрової сили, не спрямована до центру Землі, а рухається до екватора. Потім він припустив, що Земля зберігає форму рівноваги, якщо її поверхня в кожній з її точок перпендикулярна напрямку "сили тяжіння". Зв'язок між формою Землі та напрямком тяжіння був очевидним. Куртоз, виявлений Гюйгенсом, становив 1/578. Принципова різниця між двома вченими полягала в концепції притягання. Гюйгенс відкинув гравітаційне тяжіння, це тяжіння на відстані, яке здавалося занадто таємничим, і, відносно ідей Декарта, він вважав, що гравітація є реакцією на відцентровий рух ефіру, в якому купалася Земля. Тому вивчення форми Землі та її відстані від сфери могло б дати можливість розрізнити два різні закони тяжіння. Треба було ще знати, хто правий !
Приплюснуті або витягнуті ?
Проте два теоретики погодились передбачити сплощену Землю, і протилежний висновок був, що експериментальні верифікації йшли, породжуючи одну з найкрасивіших суперечок у науках про Землю. Дійсно, порівняння вимірювань градусів меридіана, зроблених у різних широтах, дозволило дізнатися, чи була Земля ідеально сферичною, довгастою чи сплощеною. Однак робота тріангуляції Пікара продовжувалась з 1683 р. Як на північ Кассіні, так і на південь Філіппом де Ла Іре. Геодезичний ланцюг, що тягнувся від Дюнкерка до Коліура, біля підніжжя Піренеїв, був завершений між 1700 і 1718 рр. Вимірювання не залишали місця для сумнівів: довжина одного градуса меридіана була більшою на півночі Франції, ніж у південь, що вказувало на те, що Земля не сплющена, а витягнута вздовж своєї осі обертання! Цей результат був несумісний із незаперечним існуванням відцентрової сили, і сварка наростала між геодезистами та теоретиками.
Щоб усунути нерішучість, Академія вирішила надіслати за наказом короля дві геодезичні місії для вимірювання дуг меридіанів у дуже різних широтах, що повинно полегшити порівняння: одна в 1735 році в Перу та інша в 1736 році в Лапландії. Експедиція в Лапландію, яку гладко провів П'єр де Мопертюа, повідомила про свої результати вже в 1737 році: градус меридіана, виміряний на 66 ° широти, більший, ніж вимірюваний у Франції, чітко вказував на Землю, сплюснуту на полюсах. Експедиція в Перу, яка повернулася через сім років після багатьох невдач (відсутність грошей, повстання тубільців, землетрус, епідемія ...), але з урожаєм наукових результатів, підтвердила цей висновок і дозволила розрахувати сплющення 1/200, ближче до того, яке визначив Ньютон, ніж запропоноване Гюйгенсом. Геодезичні вимірювання дозволили Ньютону вийти подвійним переможцем: проти прихильників продовження Землі та проти Гюйгенса, уявлення про гравітацію якого стало незахищеним.
Отже, Земля була трохи сплющеною сферою з екваторіальним радіусом довшим за полярний радіус близько двадцяти кілометрів. У 1743 р. Алексіс Клеро, який брав участь в експедиції до Лапландії, показав, що земне сплощення можна розрахувати двома способами: або безпосередньо за допомогою вимірювань триангуляції (поле геометричної геодезії), або за допомогою вимірювань сили тяжіння (область