§ 9. Учимся с «Полярной звездой». Проводим наблюдения и опыты

Система базовых научных способов и приёмов познания окружающего мира, возникшая в глубокой древности и лежащая в основе современной физической географии.

• 1. Наблюдение — метод целенаправленного восприятия природных объектов и явлений без прямого вмешательства в естественный ход событий, позволяющий накапливать и систематизировать первичные эмпирические данные.
• 2. Опыт (эксперимент) — воспроизведение природного явления в специально созданных контролируемых или моделируемых условиях для установления его причин и механизмов действия.
• 3. Измерение — процедура количественного сопоставления изучаемой физической или пространственной характеристики объекта (длины тени, высоты Солнца, температуры, координат) с общепринятым эталоном единицы величины.

Древнейший астрономический и геодезический угломерный инструмент для определения полуденной высоты Солнца над горизонтом и астрономического времени.

• 1. Конструктивное устройство — состоит из вертикального стержня (шеста) известной длины, жёстко и перпендикулярно укреплённого на строго горизонтальной размеченной площадке.
• 2. Физический принцип действия — длина отбрасываемой стержнем тени обратно пропорциональна высоте Солнца: от восхода до полудня тень непрерывно укорачивается, достигая минимума в истинный полдень, а к закату вновь равномерно удлиняется.
• 3. Историческое развитие — в Древнем Египте гигантскими гномонами служили монументальные каменные обелиски; наблюдения за тенью обелисков позволили Эратосфену Киренскому в III в. до н. э. впервые с поразительной точностью вычислить длину земной окружности.

Воображаемая прямая на земной поверхности, совпадающая с направлением тени вертикального гномона в момент истинного солнечного полудня.

• 1. Связь с меридианом — полуденная линия строго совпадает с направлением географического меридиана данной местности и указывает базовое направление «север—юг».
• 2. Практическое определение — фиксируется в момент, когда тень от гномона достигает минимальной длины за весь световой день, что соответствует максимальной высоте Солнца над горизонтом (кульминации светила).

Прибор для измерения истинного солнечного времени по перемещению тени от гномона (стрелки-нодоса) по специальному размеченному циферблату.

• 1. Принцип функционирования — поворот тени обусловлен вращением земного шара вокруг собственной оси; за один час тень смещается на угол около 15°.
• 2. Ориентация прибора — для правильного хода стрелка солнечных часов должна быть направлена строго параллельно земной оси в сторону Полярной звезды в Северном полушарии.

Метод наглядного воспроизведения вращения планеты вокруг своей оси и её обращения вокруг Солнца с помощью лабораторных опытов и макетов.

• 1. Опыт с шаром — вращение подвешенного на нити шара демонстрирует суточное осевое движение планеты, возникновение воображаемой оси вращения и смену положений точек поверхности относительно наблюдателя.
• 2. Опыт с глобусом и источником света — перемещение наклонного глобуса по круговой плоскости вокруг лампы («Солнца») наглядно подтверждает неизменность угла наклона земной оси к плоскости орбиты и циклическую разницу в освещённости Северного и Южного полушарий, объясняющую смену времён года.

Выдающийся древнегреческий учёный-энциклопедист, математик, астроном и географ, глава Александрийской библиотеки, впервые с высокой точностью рассчитавший размеры земного шара с помощью наблюдений за полуденной тенью.

• Используя результаты наблюдений за длиной полуденной тени от обелисков и колонн в Александрии и Сиене, с поразительной точностью вычислил окружность Земли, ориентируясь на высоту Солнца над горизонтом.
• Возглавляя Александрийскую библиотеку, кропотливо обобщал свидетельства греческих купцов, моряков и воинов Александра Македонского о расстояниях между городами, а также астрономические замеры углов падения солнечных лучей.
• Предложил «накрыть» земной шар воображаемой координатной сеткой из «линий, идущих рядом», и «полуденных линий», заложив основы современной системы параллелей и меридианов в географии.

Человек изучает природные геосферы тремя взаимосвязанными научными методами:

• Наблюдение: длительное внимательное отслеживание естественных процессов без вмешательства в их ход (например, слежение за суточным движением Солнца по небосводу или сезонными изменениями в растительности);
• Опыт (эксперимент): искусственное создание модели явления в управляемых условиях для выявления причинно-следственных связей (например, опыт с вращением шара или подсветкой глобуса лампой в полумраке);
• Измерение: точная фиксация численных параметров природных объектов с помощью приборов (замер длины тени гномона линейкой, фиксация времени по часам, замер углов). Наблюдение отвечает на вопрос «что происходит?», опыт — «почему это происходит?», а измерение — «каковы точные размеры и величины?».

• Устройство гномона: это простейший древний астрономический инструмент, состоящий из строго вертикального шеста (или простого карандаша, стержня), закреплённого в центре горизонтального размеченного основания (диска или площадки);
• Определение высоты Солнца: в солнечный день шест отбрасывает тень. Чем ниже Солнце находится над линией горизонта (утром после восхода или вечером перед закатом), тем более длинную тень отбрасывает гномон. По мере подъёма Солнца тень непрерывно укорачивается. По величине угла между лучом света, падающим с вершины шеста на конец тени, и горизонтальной плоскостью определяется точная угловая высота Солнца над горизонтом в градусах.

• Полуденная линия — это прямая, вдоль которой ложится тень вертикального стержня (гномона) в истинный полдень; она строго совпадает с линией географического меридиана и указывает направление «север—юг»;
• Опытный алгоритм определения (рис. 21 учебника):
• Утром отмечают положение конца тени гномона (точка А) и проводят через неё окружность с центром у основания гномона (точка О);
• После полудня ждут момента, когда удлиняющаяся тень вновь коснётся этой же окружности, и отмечают точку касания (точка B);
• Отрезок AB соединяют прямой линией и делят строго пополам, отмечая середину точкой E;
• Линия, проведённая через центр гномона O и точку E, является полуденной линией: в Северном полушарии тень в полдень указывает строго на север, а противоположный конец — на юг.

В III веке до нашей эры Эратосфен Киренский, руководивший Александрийской библиотекой, сопоставил полуденную тень от обелисков в двух египетских городах — Сиене (современный Асуан) и Александрии:

• В полдень дня летнего солнцестояния (21–22 июня) в Сиене Солнце стояло точно в зените — лучи падали вертикально на дно глубоких колодцев, а вертикальные обелиски не отбрасывали тени;
• В тот же самый день и час в Александрии, расположенной севернее, обелиски отбрасывали короткую тень, составлявшую угол около 7,2° (1/50 часть полной окружности в 360°);
• Зная расстояние между городами вдоль меридиана (около 5000 египетских стадиев), Эратосфен умножил его на 50 и рассчитал длину земной окружности (~40 000 км), получив результат, поразительно близкий к современным спутниковым измерениям.

Лабораторные опыты параграфа 9 наглядно подтверждают ключевые законы кинематики Земли:

• Опыт с шаром (рис. 23): вращение шара на нити доказывает, что при суточном осевом вращении все точки поверхности последовательно скрываются в тени и вновь выходят на свет, совершая полный оборот вокруг воображаемой оси, проходящей через полюсы;
• Опыт с наклонным глобусом и настольной лампой (рис. 24):
• Земная ось сохраняет строго постоянный угол наклона к плоскости орбиты на всём протяжении орбитального пути;
• В положении А земная ось северным концом направлена к лампе («Солнцу») — Северное полушарие и Северный полюс целиком освещены (лето и полярный день), а Южный полюс остаётся в тени (зима и полярная ночь);
• При перемещении в противоположную точку орбиты Б наклон оси сохраняется в пространстве, но теперь к светилу обращено Южное полушарие (там наступает лето), а Северное полушарие погружается в тень (наступает зима).