Хаттон следовал принципу «настоящее — это ключ к будущему». В 1785 году он объединил свои идеи в теорию, которую назвал «принцип актуализма». Согласно его теории, процессы формирования горных пород в далеком прошлом и в настоящем ничем не отличаются.
В 1787 году Джеймс Хаттон обнаружил в слоях породы или пласте значительный сдвиг, который он назвал несогласным залеганием. Такой сдвиг — который теперь называется «несогласным напластованием Хаттона» — он наблюдал в разных точках Шотландии. Этот рисунок сделан в шотландском городе Джедборо. На нем показано, что старые слои породы сдвинуты и расположены почти вертикально, а новые горизонтальные образовались поверх них.
Хаттон утверждал, что камни формируются, когда рыхлые слои, например, ила или песка, оказываются погребенными под новыми осадочными отложениями. За долгое время они спрессовываются в твердый каменный массив. Мы называем такие породы осадочными, к ним относятся песчаники и известняки.
Даже камни не вечны. Отложения образуются разными способами, но чаще всего это осколки старых разрушающихся камней. Процесс разрушения, называемый эрозией, включает в себя сочетание химических и биологических процессов и физического воздействия ветра и дождя. Смываемые и сдуваемые пыль и песчинки образуют новые отложения. Процессы, описанные Хаттоном, происходили очень медленно, и это означало, что Земля уже далеко не молода.
Принцип актуализма Джеймса Хаттона подтверждается и современными представлениями о том, как породы формируются, изменяются и разрушаются. Этот цикл включает в себя не только магматические и осадочные породы, но и метаморфические, которые трансформируются под влиянием тепла и давления.
Нептунизм
По горячим следам «Теории Земли» Хаттона появилась альтернативная теория. Немецкий ученый Абраам Готлоб Вернер предположил, что земная твердь образовалась на дне моря.
Прежде чем работа Хаттона распространилась в научных кругах (широко не публиковалась до 1795 года), существовало два конкурирующих взгляда на образование земной толщи. Плутонисты (назвавшиеся так в честь римского бога подземного мира Плутона, который правил горячим царством вулканов) придерживались идеи, что она образовалась благодаря вулканической активности, при остывании лавы и магмы. Нептунисты, возглавляемые Вернером, почитали бога океана. Они утверждали, что земная твердь сформировалась постепенно на морском дне в результате выпадения в осадок и кристаллизации химических веществ, растворенных в морской воде. Этот процесс можно наблюдать как в лабораторных условиях, так и на примере скальных образований в подземных пещерах. Разве не могло то же самое происходить и на дне океана? Доказательств ни у кого не было. Споры продолжались и в XIX веке, пока не победили идеи плутонистов, ставшие частью более широкой теории Хаттона.
Абраам Готлоб Вернер предполагал, что изначально Земля представляла собой водяной шар с земной твердью в центре, которая постепенно разрасталась, пока планета не приобрела современный вид.
Вымирание
Хотя уже ни у кого не возникало сомнений, что окаменелости — это останки животных, населявших Землю в далеком прошлом, считалось, что они принадлежали тем же видам, которые живут сейчас. В 1796 году Жорж Кювье доказал обратное.
Кювье делал зарисовки, чтобы сравнить строение челюсти индийского слона (верхнее правое изображение) с челюстью вымершего вида мамонтов (нижнее правое изображение).
Кювье был экспертом в анатомии позвоночных и изучал ископаемые костные останки животных, похожих на носорогов и слонов. (Эти окаменелости были выкопаны недалеко от Парижа, что свидетельствовало о том, что в далеком прошлом дикая природа Франции значительно отличалась от современной.) Кювье смог доказать, что скелеты не принадлежали ни одному из видов животных, обитавших на планете в то время. Это было первым доказательством того, что виды животных могут вымирать. Кювье считал, что животные появлялись на Земле в несколько этапов, каждый из которых заканчивался катастрофой (он использовал слово «революция»), приводящей к их вымиранию. Другие считали это свидетельством, что жизнь на Земле может постепенно меняться, то есть эволюционировать.
Классификация облаков
Люк Говард был фармацевтом по профессии, но проявлял живой интерес ко многим другим научным областям, и в конце концов его мысли унеслись в облака.
Говард был англичанином, и потому имел предостаточно возможностей наблюдать за облаками всех видов и форм — спасибо переменчивому британскому климату. В 1802 году он впервые опубликовал «Эссе о видоизменениях облаков», которое в дальнейшем несколько раз переиздавалось.
На пейзаже Эдварда Кеньона изображен облачный день в Англии. Слоисто-кучевые облака нарисованы по эскизам Говарда, предоставленным художнику.
В эссе были описаны физические процессы, приводящие к формированию облаков, — испарение, насыщение и конденсация, с которыми Говард, работая в химической лаборатории, был хорошо знаком. Классификация облаков, составленная Говардом, имела большое влияние: он ввел названия облаков, которыми мы пользуемся до сих пор, хотя их классификация была расширена.
Оригинальные изображения из эссе Говарда об облаках 1849 года издания. Слева направо: облака собираются перед грозой; перистые облака над слоисто-кучевыми; когда слоистые облака достигают земли, образуется туман.
Говард выделил три основных типа облаков: перистые, кучевые и слоистые. Перистые облака легкие, тонкие и нитевидные. Говард утверждал, что перистые облака первыми появляются на ясном небе. Как правило, они находятся на большой высоте и кажутся неподвижными. Далее идут кучевые облака — они пышные и находятся низко, поэтому мы видим, как ветер гонит их по небу. И наконец слоистые облака, плотность которых Говард описал, как среднюю между перистыми и кучевыми. Слоистые облака находятся ниже всего. Говард дал им загадочное имя «облака ночи».
Облако состоит из крошечных капель воды, рассеянных в воздухе. Капельки формируются вокруг твердого ядра — это может быть пылинка или кристаллик льда, парящие в воздухе. Когда влажность воздуха повышается — или температура падает, — водяной пар конденсируется и капли становятся больше. Со временем они становятся слишком тяжелыми, чтобы плыть по небу, поэтому проливаются на нас дождем.
Облако — это так называемая коллоидная смесь, в которой компоненты распределены равномерно, но один из компонентов (молекулы воды) гораздо больше другого (молекул воздуха). Эта структура рассеивает свет таким образом, что мы видим однородный белый цвет. Дождевые облака кажутся нам темными и серыми, потому что солнечный свет отражается от них вверх, в противоположную от наших глаз сторону.
В эссе рассматривался также и смешанный тип облаков, например, когда перистые облака опускаются вниз, появляются перисто-кучевые и перисто-слоистые. Говард писал, что слоисто-кучевые облака похожи на грибы. Облака, состоящие из всех трех типов, получили более простое название — дождевые. Дождевые облака интересуют людей больше всего, потому что, по словам Говарда, только они несут осадки.
Скорость ветра и ураганы
К началу XIX века путешествия через океан стали обычным делом. Тем не менее они по-прежнему были опасными. В 1805 году ирландский моряк Фрэнсис Бофорт разработал систему оценки погодных условий, чтобы мореплаватели знали, когда можно продолжать путь, а когда пора искать убежище.
Сверху: Фрэнсис Бофорт произвел на британское Адмиралтейство настолько сильное впечатление, что после отставки из флота его назначили гидрографом ВМФ.
Снизу: оригинал документа, в котором описана шкала силы ветра Бофорта.
Фрэнсис Бофорт не только продвигался по карьерной лестнице Королевского флота, но и был специалистом в новой научной области — гидрографии. В 1795 году британское правительство впервые учредило должность гидрографа, на которую был назначен Александер Далримпл. Его задачей было измерить и изучить океан — очертания береговых линий, глубину морского дна — и собрать сведения, которые помогут сделать судоходство безопасным. В начале XIX века Бофорт командовал военным кораблем, сопровождавшим торговые суда, которые возвращались в Британию из Индии после долгого плавания. Во время этого похода Бофорт изобрел шкалу ветров, которая теперь называется также шкалой Бофорта. Ей пользуются до сих пор, особенно в экстремальных погодных условиях, например, чтобы быстро определить силу шторма — штормовой ветер (9 баллов) или ураган (12 баллов). Однако разумеется, в распоряжении современных моряков есть более подробная метеорологическая информация.
Шкала делит силу ветра на 13 «сил», в зависимости от его скорости и наблюдаемых условий. Например, 0 баллов — это полное безветрие, 3 балла — легкий бриз скоростью до 19 км/ч, который создает белые барашки на поверхности океана. При силе в 7 баллов скорость ветра достигает 50–61 км/ч, море волнуется, гребни волн разбиваются в брызги. На суше в такую погоду человеку трудно ходить. У большинства людей 7 баллов на море вызовут беспокойство, тогда как для бывалого моряка это всего лишь ветер средней силы. 8 и 9 баллов — штормовой ветер со скоростью до 88 км/ч, 10 баллов — сильный шторм, ветер достигает скорости 102 км/ч. На суше такие ветры — редкое явление, они вырывают деревья с корнем, а море от них становится белым от пены. Шкала заканчивается 12 баллами — ураганом со скоростью ветра 118 км/ч и более, когда море полностью покрывается пеной.
Принцип работы шкалы Бофорта преимущественно основан на силе ветра и погодных явлениях, но все же точный анемометр тоже очень важный инструмент. В 1846 году ирландский изобретатель Томас Ромни Робинсон разработал новую версию анемометра с четырьмя чашками и счетчиком, который подсчитывал количество вращений. Изогнутая поверхность чашек создавала аэродинамическую силу, обеспечивающую ровное вращение устройства и точные показания прибора.