Хотя создателями системы наблюдения за погодой считаются Медичи, первым метеорологом — человеком, систематически записывающим метеоданные — был Уильям Мерл. Он работал в Оксфорде в начале XIV века и вел ежедневный учет погоды на протяжении 15 лет. Его записи — старейшая информация такого рода, дошедшая до наших дней.
Фердинандо, один из самых богатых людей во всем мире (хотя богатство династии Медичи уже начинало таять), отправлял свои измерительные приборы в разные города Италии, а также современной Австрии, Франции и Польши, создавая таким образом первые метеостанции. Измерения, собранные в десяти географических точках, отправляли обратно во Флоренцию для анализа в Академии дель Чименто, которую основал брат Фердинандо — Леопольдо. Ее название приблизительно переводится как «академия испытаний» (а вернее, «экспериментов»). Академия могла бы стать первым в мире научным институтом, но Медичи видели в ней скорее клуб, к которому постепенно и вовсе потеряли интерес. Это привело к утрате собранных метеорологических измерений и сделанных на их основе выводов.
Несмотря на то, что начинание Медичи потерпело неудачу, их пример помог создать целую сеть пунктов наблюдения за погодой в другой стране. Очередной прорыв в этой области произошел в 1849 году, когда в Смитсоновском Институте (в Вашингтоне, столице США) для сопоставления метеоданных стали использовать телеграф. Институт был основан в 1846 году, и первым его руководителем был Джозеф Генри, пионер в области электромагнитных технологий и один из изобретателей телеграфа. Ежедневно 150 станций по всей стране передавали сводки, из которых составлялась суточная карта погоды. Она вывешивалась в здании Смитсоновского института, и желающие могли с ней ознакомиться.
В 1669 году датчанин Нильс Стенсен, известный также как Николас Стено, сформулировал четыре основных принципа напластования горных пород, тем самым заложив основу современной геологии.
Интерес Стено к истории Земли и горным породам возник, когда он изучал окаменелости. Спустя несколько лет он создал всеобъемлющую теорию стратиграфии, науки, изучающей земную толщу — пласты горных пород, которые можно увидеть в любом каньоне или местности, подвергшейся сильной эрозии. Он представил теорию в 1669 году в эссе «О твердом, естественно содержащемся в твердом» (De solido intra solidum naturaliter contento). В его труде были изложены основные принципы физической геологии, науки, которая рассматривает горные породы, полезные ископаемые и крупные объекты рельефа планеты.
Первым изучать окаменелости под микроскопом начал естествоиспытатель Роберт Гук. В 1665 году он опубликовал свои наблюдения в книге «Микрография». В те времена микроскоп был совсем новым инструментом, и с его помощью Гук увидел сходство структуры живой и окаменелой древесины. Он предположил, что органический материал, погруженный в воду, богатую минеральными веществами, со временем превращается в камень.
В 1666 году Стено препарировал акулу и с удивлением обнаружил сходство акульих зубов и каменистых образований треугольной формы, так называемых камней-языков. Стено заявил, что камни-языки в действительности были зубами живших в древности акул и что ткань тела акулы с течением времени постепенно замещалась минералами. Другими словами, окаменелости были образцами жизни разных исторических эпох.
Первый принцип Стено — принцип суперпозиции: «Во время образования какого-либо слоя под ним находилось другое твердое тело, которое препятствовало дальнейшему опусканию порошкообразного вещества…». Второй — принцип первичной горизонтальности слоев: «Во время образования одного из верхних слоев нижний слой уже приобрел твердую консистенцию…». Следующий — принцип непрерывности слоев по горизонтали: «Во время образования какого-либо слоя он был ограничен сбоку другим твердым телом или же покрывал весь земной шар. Отсюда следует также, что всюду, где заметны обнаженные куски слоев, можно найти их продолжение или открыть другое твердое тело». И наконец, последний — принцип первичных пространственных соотношений: «Во время образования какого-либо слоя лежащее наверху его вещество было целиком жидким и, следовательно, при образовании самого нижнего слоя ни одного из верхних слоев еще не существовало».
Научные интересы Стено были весьма разнообразны. Он исследовал не только процессы напластования горных пород и формирование окаменелостей, но и микроструктуру кристаллов, составляющих основу горных пород.
Температура
Понемногу человечество научилось измерять влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра. Но есть еще одна важная составляющая погодных измерений — температура. Путь к созданию надежного термометра оказался длинным.
Попыток измерить температуру воздуха было много, но создать точный прибор, который можно было бы изготавливать в больших количествах, было крайне трудно. Такой прибор, независимо от места и времени использования, должен показывать достоверные значения, которые можно было бы сравнить с показаниями такого же прибора в другом месте или в другое время. Для температурной шкалы нужны всего лишь верхняя и нижняя точки с равными делениями между ними — градусами. Сначала температуру пытались измерять с помощью термоскопов, но они оказались бесполезными: несмотря на то, что трубки, наполненные подкрашенным спиртом, работали исправно, показания были противоречивыми. Требовалось усовершенствовать прибор и создать более точную градуировку.
Среди записей Даниеля Фаренгейта от 1736 года можно увидеть сделанный от руки эскиз ртутной лампы.
В 1702 году датский астроном Оле Рёмер сломал ногу и какое-то время был прикован к постели, и чтобы не терять времени даром, он решил заняться улучшением термометра. Сперва Рёмер нашел стеклянную трубку с постоянным диаметром, в чем убедился, следя за шириной залитой в трубку капли ртути. Потом он припаял трубку к небольшому шарику, служившему резервуаром, и наполнил его спиртом, окрашенным шафраном в желтый цвет. По задумке спирт должен подниматься на высоту, равную ширине резервуара, когда температура поднималась на 10 градусов по шкале.
При ближайшем рассмотрении видно, что термоскоп не слишком отличался от вечного двигателя Дреббеля начала XVII века. Чтобы отмечать повышение и понижение температуры, использовали свойства расширения и сжатия воздуха, заключенного в стеклянном шаре на верхнем конце трубки. При понижении температуры воздух сжимался, и жидкость (обычно вода) поднималась вверх по трубке. Повышение температуры приводило к расширению воздуха, и уровень воды падал. В термометре же все происходило наоборот. На некоторых термоскопах были указаны градусы, но ни одна градуировка не подходила для создания универсальной шкалы, которую можно было бы воспроизвести на другом устройстве.
Что за метод использовал Рёмер — неизвестно. В те времена изготовители термометров держали разработки в тайне, чтобы только они могли создавать и продавать устройства надлежащего качества. Считается, что он отметил на трубке две точки — точку замерзания и точку кипения воды — и нанес между ними семь делений, добавив еще одно, восьмое, ниже нулевой отметки. Верхней точке он присвоил значение 60, что означало, что вода замерзала при 7,5°Rø. Температура замерзания солевого раствора равнялась 0°Rø. На основе этого термометра Рёмер сделал еще несколько устройств для измерения температуры воздуха, воды и человеческого тела. А в 1708 году к нему в гости пожаловал молодой немецкий приборостроитель.
Гостем Рёмера был Даниель Фаренгейт, которому тогда едва исполнилось двадцать лет. Вдохновившись шкалой Рёмера, он создал собственную, которая значительно лучше прошла проверку временем. Фаренгейту понадобилось еще 16 лет, чтобы довести шкалу и устройство термометра до совершенства.
Преимуществом Фаренгейта были навыки стеклодува, которые позволили ему в 1714 году создать первые функциональные ртутные термометры. К 1724 году он переделал шкалу Рёмера, избавившись от бесполезных делений в полградуса, и установил три фиксированных точки на шкале, от которых можно было отталкиваться при градуировке. Нулевой точкой была температура смеси из воды, льда и соли (соединение нашатыря и морской соли) — самая холодная смесь, которую он мог приготовить независимо от времени года. Однако Фаренгейт старался выполнять большую часть работы с низкими температурами зимой, чтобы лед не таял слишком быстро.
Ирландский ученый XVII века Роберт Бойль, один из первых исследователей природы холода, использовал множество различных термоскопов и термометров, но не смог добиться точности в своих измерениях.
Второй отметкой была температура замерзания воды — 32°F — почти в четыре раза больше значения Рёмера. Третьей точкой была температура ротовой полости — 96°F — чуть ниже температуры тела здорового человека. Верхняя отметка, обозначающая точку кипения воды, была установлена на 212°F.
Фаренгейту не удалось заработать на продаже своих точных, но дорогих термометров, и в 1736 году он умер в нищете. Считается, что Фаренгейт слишком рьяно охранял свое изобретение, поэтому покупатели не могли оценить всех его достоинств. Не прошло и десяти лет, как научное сообщество приняло шкалу Фаренгейта за эталон, ею пользовались вплоть до XX века, пока ее не заменила десятичная шкала Цельсия. Однако в США до сих пор используют шкалу Фаренгейта.
Температурная шкала была побочным изобретением Оле Рёмера. Он уже вошел в историю в 1676 году, измерив скорость света. В то время он работал в Парижской обсерватории (на рисунке), изучал Ио — один из четырех крупных спутников Юпитера, открытых Галилеем в 1609 году. Когда Ио находится за Юпитером, его не видно с Земли, но Рёмер рассчитал траекторию движения спутника и т