История изобретения метеорологических приборов

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 Македонскому.

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 питания и т. п. Общий объем трактата «Метеорологика» – около 100 современных страниц формата А4.

Темы, рассмотренные в первых трех «метеорологических» книгах трактата, включают: образование дождя, облаков, тумана и 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. п. Другим были горячие и сухие пары, которые служили исходным материалом для таких явлений, как ветер, гром и т. п.

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.

Ясно, таким образом, что не оттеснение [облака] в верхние холодные области обусловливает замерзание [капель].

А поскольку мы знаем, что тепло и холод теснят друг друга (поэтому в теплую погоду под землей холодно, а в морозную – тепло), то так же следует представлять себе и явления в верхних областях. Так что в более теплые времена года холод оттесняется внутрь [облака] окружающим [его] теплом, и случается, что из облака скоро выпадает дождь. Дождевые капли поэтому в теплые дни намного крупнее, чем зимой, и дождь становится ливнем; ливнем он называется тогда, когда это дождь сплошной, а сплошной он из-за быстроты сгущения. Происходит, таким образом, как раз обратное тому, что утверждает Анаксагор. Он говорит, что это случается, когда [облако], поднимаясь, входит в холодные слои воздуха, а по нашему [мнению] – когда [оно] опускается в теплые, и тем скорее, чем [они] теплее. И вот, когда внешнее тепло еще больше со всех сторон теснит холод внутрь [облака], он замораживает созданную им воду, и образуется град. Это происходит, когда вода замерзает быстрее, чем упадет на землю. Действительно, если падение [до земли] занимает известное время, а холод столь велик, что замораживает за меньшее [время], то ничто не препятствует замерзанию [капель] на высоте, раз уж на него уходит меньше времени, чем на падение вниз. И чем ближе к земле и чем плотнее сгущение, тем обильнее ливни, тем крупнее дождевые капли и градины, так как путь до земли короток. По этой же причине крупные капли не падают частым [дождем]. Град реже бывает летом, чем весной и осенью, хотя и чаще, чем зимой, потому что летний воздух сравнительно сух, тогда как весной он все еще влажен, а осенью уже увлажнен. Этим же объясняется то, что иногда град выпадает, как уже было сказано, в конце лета.

Быстроте замерзания способствует предварительный подогрев воды, потому что она [тогда] быстрее охлаждается. Многие поэтому, когда хотят поскорее охладить воду, ставят ее сперва на солнце, а жители Понта, когда они, готовясь к лову рыбы, строят на льду шалаши (они ловят рыбу, проделывая отверстия во льду), то обливают тростник горячей водой, дабы он быстрее обледенел. Лед служит им чем-то вроде свинца для скрепления тростника. Между тем в теплых краях и в теплое время года вода, сгущающаяся [в воздухе], быстро нагревается.

По этой же самой причине в Аравии и Эфиопии не зимой, а летом льют проливные дожди, да еще по многу раз на день: ведь [облака] тут охлаждаются быстро из-за сжатия [холода], которое обусловлено сильным зноем в этих краях.

Вот то, что мы хотели сказать о причинах и о природе дождя, росы, снега, инея и града». [2.2.].

Это объяснение иллюстрирует метод, используемый Аристотелем на протяжении всего его трактата. Он очень любил излагать свои теории, сначала представляя теории других, а затем опровергая их.

Предшественник Аристотеля материалист Анаксагор, упоминавшийся в Главе 1, считал, что град, это тот же дождь, только образующийся на больших высотах, где значительно холоднее, чем у поверхности Земли. Почему там холоднее? Потому, говорил Анаксагор, что на столь больших высотах уже не чувствуется действия солнечных лучей, отражающихся от поверхности Земли. [2.5.]. Различные мнения Анаксагора и Аристотеля об образовании града иллюстрируют основное различие между методом разработки метеорологической теории Аристотеля и методом его предшественников.

Анаксагор, и другие более ранние натурфилософы, придерживались в значительной степени индуктивного подхода к размышлениям о погодных явлениях: их теории основывались в в первую очередь на их наблюдениях. Аристотель, однако, в большей степени использовал дедуктивный подход, объясняя различные погодные явления на основе своих, зачастую предвзятых, метеорологических умственных теорий. Вместо того чтобы использовать наблюдения за погодой для разработки своих теорий, Аристотель часто интерпретировал эти наблюдения таким образом, чтобы поддержать свои ранее сложившиеся убеждения. Это, конечно, было достигнуто путем использования аргументов с помощью аналогий, где аналогии скорее предполагались, чем демонстрировались, например, в отношении температуры в подземных помещениях при обсуждении града.

Степень, с которой Аристотель применял дедуктивный метод в своих рассуждениях, сильно проявляется в его объяснении такого явления как ветер.

Как обычно, Аристотель начал с опровержения мнения Анаксимандра, [2.6.], и других о том, что ветер – это просто движущийся поток воздуха. Вспоминая свою теорию о том, что солнце вытягивает из земли два типа выдоха, Аристотель утверждал, что источником ветра был сухой, горячий выдох. Он пояснял причину возникновения ветра аналогией с реками, которые представляют собой постепенно накапливающийся поток воды с гор. Точно так же ветер возникает из-за постепенного накапливания сухого, горячего выдоха от земли.

Аристотель писал, что факты ясно показывают, что ветры образуются в результате постепенного сбора небольшого количества выдыхаемого (землей) воздуха, точно так же, как реки образуются, когда земля влажная. Ибо все они (ветры) наименее сильны в месте своего происхождения, но сильнее дуют по мере удаления от него. Кроме того, север, то есть область непосредственно около полюса, зимой спокоен и безветрен, но ветер, который дует там так мягко, что остается незамеченным, становится сильнее по мере продвижения к югу.

Аристотель объяснял, что ветры дуют горизонтально, хотя выдох из земли поднимается вертикально, потому что все воздушное пространство, окружающее землю, следует за движением небес.

Согласно Аристотелю, существует два основных ветра: с севера и с юга. Северные ветры исходят из холодных областей под Большой Медведицей, северной границей обитаемого мира, и поэтому бывают холодными. Ветры, которые дуют с юга, прилетают не с Южного полюса, а от тропика Рака – южной границы обитаемого мира, поскольку за его пределами жара слишком велика для существования жизни. Из-за условий в регионе, из которого они исходили, южные ветры бывают горячими.

Классификация ветров Аристотеля была основана на его метеорологической теории об их связи с Солнцем. У греков того времени были очень ограниченные средства выражения указаний. Как следствие, Аристотель использовал такие астрономические направления, как восход солнца в день равноденствия, зимний закат, полуденное солнце и т.д., для указания направления различных ветров.

Разделив карту-компас на двенадцать равных секторов, он перечислил различные ветры и их направления (рис. 2.1.). Это двенадцатиричное деление направлений в пространстве, вероятно, указывает на свое вавилонское происхождение. Обратимся непосредственно к Аристотелю:

«ГЛАВА ШЕСТАЯ

Поговорим теперь о расположении ветров, о том, какие из них каким противоположны, какие могут дуть одновременно, а какие нет и, кроме того, каковы [их названия] и число, а также и обо всем другом, что происходит с ветрами, но на чем у нас не было случая остановиться особо в «Проблемах».

Рассматривая расположения ветров по Аристотелю, сопроводим его рассуждения рисунком.

Рис. 2.1. Карта ветров Аристотеля. Рисунок автора.

«Для вящей ясности изображена окружность горизонта, поэтому на рисунке круг. Надо представить себе, что это один из поясов [Земли], где мы обитаем. Другой пояс можно разделить тем же способом. Пусть будет прежде всего принято, что пространственно противоположные [точки] – это [точки], более всего удаленные друг от друга пространственно, подобно тому как противоположны по виду те [вещи], которые по виду больше всего отстоят друг от друга. А дальше всего в пространственном отношении отстоят друг от друга [точки], лежащие на [противоположных] концах диаметра.

Итак, пусть [точка] А – равноденственный заход, а противоположная этой [точке] В – равноденственный восход. Другой диаметр пересекает этот под прямым углом, и пусть [точка] Н на нем будет севером, а диаметрально противоположная ей [точка] Θ – югом. Пусть [точка] Z – это летний восход, а [точка] Е – летний заход, Δ – зимний восход и Г – зимний заход. От Z проведем диаметр к [точке] Г, и от Δ – к точке Е. Поскольку же [точки], пространственно наиболее удаленные друг от друга, являются пространственно противоположными, а концы диаметра удалены более всего, то противоположными друг другу должны быть ветры по концам диаметров.

Названия ветров в соответствии с этим расположением следующие: зефир – от А, ибо это равноденственный заход; противоположен ему апелиот – из В, ибо это равноденственный восход; борей же и апарктий – из Н, ибо здесь север; противоположный ему нот дует с юга из точки Θ (Θ и Н диаметрально противоположны); из точки Z – кекий, ибо это летний восход; противоположным ему [является ветер], дующий не из Е, а из Г, [под названием] либ, который [дует] от зимнего захода; он противоположен [кекию], потому что лежит на другом конце того же диаметра. Из [точки] Δ – эвр, он дует от зимнего восхода, соседствуя с нотом, поэтому часто говорят, что дуют эвроноты. Противоположен ему не либ из Г, а [ветер] из Е, который одни называют аргестом, другие – олимпием, третьи – скироном: он дует от летнего захода, и он один диаметрально противоположен эвру.

Таковы, стало быть, расположенные по концам диаметров ветры, для которых существуют [ветры] противоположные. Но есть и другие ветры, для которых противоположных нет- Из [точки] I – это так называемый траский, который находится между аргестом и апарктием; из [точки] К – так называемый мес, который занимает место между кекием и апарктием. Линия IK почти совпадает с постоянно видимым [кругом], но все же не точно. Ветров, противоположных этим, нет: ни месу ([такой ветер] дул бы из [точки] М; эта [точка] на противоположном конце диаметра), ни траскию в [точке] I ([такой ветер] дул бы из N – [точки] на противоположном конце диаметра), [но этого не происходит], если не считать какого-то ветра, дующего на короткое расстояние и называемого туземцами финикийским.

Таковы важнейшие и отделенные [друг от друга] ветры, и в таком порядке они [расположены].

С севера ветров дует больше, чем с юга, потому, [во-первых], что обитаемая область Земли примыкает к северу, и потому, [во-вторых], что дождей и снега сюда сгоняется гораздо больше, так как другая [область] подвержена действию Солнца и его перемещения. Снег тает, [впитывается] в землю, а когда Солнце и Земля нагреют [влагу], от этого должно возникать испарение, более обильное и на более обширном пространстве.

Из названных [северных] ветров самые важные борей и апарктий, за ними траский и мес; кекий соседствует и с бореем и с апелиотом. [Южные ветры] – это нот, идущий прямо с юга, и либ. [Восточные ветры] – это апелиот, идущий от равноденственного восхода, и эвр. Финикийский соседствует [и с восточными и с южными ветрами]. [Западные] – зефир, идущий прямо с запада, и так называемый аргест. Одни ветры в целом зовутся бореями, другие нотами; западные ветры причисляют к бореям, ибо, дуя со стороны захода [Солнца], они довольно холодные, а восточные причисляют к нотам: они теплее, потому что дуют со стороны восхода. Ветры получили такие названия после того, как их поделили на холодные и горячие или теплые. [Ветры] с востока теплее, чем с запада, потому что восточные [земли] дольше [находятся] под действием Солнца, а западные [земли] Солнце и покидает скорее, и приближается [к ним] позже.

Из такого расположения ветров ясно, что противоположные друг другу ветры не могут дуть одновременно, ведь они расположены по концам диаметра, и потому один из них, оказавшись слабее, стихает. Но ветрам, расположенным друг по отношению к другу, как, например, Z и Δ, ничто не препятствует дуть одновременно. Поэтому иногда два ветра оказываются попутными и дуют в одном направлении, хотя возникли они в разных местах и вообще разные.