Схематичное изображение Александрии, Сиены и солнечных лучей, освещающих эти города в день летнего солнцестояния. Эратосфен при измерении размеров Земли использовал похожую схему.
Чтобы измерить угол, определяемый дугой меридиана, Эратосфен также использовал гномон - простой инструмент, представляющий собой вертикальный столб, перпендикулярный горизонтальному основанию. Рассказывают, что в качестве гномона ученый использовал большой обелиск.
С помощью гномона Эратосфен измерил угол наклона Солнца относительно вертикали в полдень в день летнего равноденствия. По его подсчетам, этот угол составил 1/50 окружности, то есть 360°/50 = 7,2°. А поскольку в полдень этого же дня лучи Солнца падают на Сиену вертикально, угол дуги меридиана между Александрией и Сиеной равен α, то есть 7,2°.
* * *
ПОЛЕЗНЫЕ СВОЙСТВА ГНОМОНА
Зафиксировав гномон в одном положении, мы можем наблюдать движение его тени по мере того, как солнце движется по небу. Так, можно определить, когда наступает полдень - в этот момент Солнце находится в наивысшей точке над горизонтом, а тень гномона будет самой короткой. Гномон можно использовать и в качестве простого компаса, так как в полдень его тень указывает направление "север - юг".
В полдень, когда длина тени гномона наименьшая, он указывает направление "север - юг". В течение дня тень гномона описывает гиперболу, симметричную относительно направления "север - юг", за исключением 20 марта и 22 сентября, - в эти дни тень гномона движется по прямой, указывающей направление "запад - восток".
Если мы будем наблюдать за гномоном, расположенным на одном и том же месте, в течение года, то сможем также определить дни летнего и зимнего солнцестояния. Если в каждый день года мы будем отмечать конец тени в полдень, то увидим, что зимой, когда Солнце находится ниже всего над горизонтом, тени будут длиннее, чем в остальные времена года. День зимнего солнцестояния - это день, когда тень гномона будет самой длинной. День года, когда тень гномона будет самой короткой, - это день летнего солнцестояния.
Гномон также можно использовать для определения угловой высоты Солнца. Чтобы измерить угол, определяющий высоту Солнца (см. рисунок ниже), нужно всего лишь измерить длину гномона и его тени. Говоря современным языком, соотношение между длиной гномона и его тени будет равно тангенсу искомого угла. Аналогично можно определить угол между гномоном и лучами Солнца, указывающий, насколько Солнце отстоит от вертикали. Этот угол будет дополнительным к первому, то есть сумма этих углов будет равна 90°.
Гномон и его тень позволяют определить угловую высоту Солнца.
* * *
Путем несложных рассуждений можно прийти к выводу: если дуга меридиана имеет длину в 5000 стадиев и ей соответствует угол в 7,2°, то длина полной окружности, то есть 360°, будет равна
В полдень, в день летнего солнцестояния, лучи Солнца освещают Сиену вертикально, достигая дна самых глубоких колодцев. В этот же день и час лучи Солнца освещают Александрию под углом 7,2° относительно вертикали.
По-видимому, Эратосфен провел несколько измерений и в итоге получил окончательный результат в 252 тысячи стадиев. Его метод, который можно использовать и в наши дни, очень прост и эффективен. К сожалению, мы не можем точно перевести стадии в привычные нам метры: во времена Эратосфена не существовало единой системы мер, поэтому в точности неизвестно, какой была длина стадия, использованного ученым. Если мы рассмотрим египетский стадий, равный 157,5 м, то результат Эратосфена составит 39690 км. Эта цифра очень близка к 40030,2 км - именно столько составляет длина окружности Земли в сферической модели (полученной на основе эллипсоида WGS 84).
Хотя почти все оценки, которые привел Эратосфен, были слегка неточными, ошибки наблюдений и измерений компенсировали друг друга, и полученный результат был очень близок к реальному. Александрия и Сиена не располагаются в точности на одном меридиане, определить точное расстояние между ними в то время было невозможно, а гномон позволял лишь приближенно измерить угол между лучами Солнца и вертикалью.
Измерения Посидония и ошибка Колумба
Еще один важный результат, связанный с измерением земной окружности в древнем мире, принадлежит греческому философу-стоику Посидонию (ок. 130 года до н. э. - 30 год до н. э.), одному из великих географов своего времени. Его результаты также дошли до нас благодаря трудам различных классических авторов. Как и Эратосфен, Посидоний измерил дугу меридиана, на этот раз - между Родосом и Александрией. В своей обсерватории на Родосе философ обнаружил, что звезда Канопус, вторая по яркости на звездном небе, находится в точности над горизонтом, а при наблюдении из Александрии угловая высота этой звезды равна 1/48 земной окружности (см. следующую иллюстрацию). Согласно Клеомеду, Посидоний посчитал, что длина дуги меридиана между Родосом и Александрией равна 5 тысячам стадиев, таким образом, длина окружности Земли составляет 48·5000 = 240000 стадиев. Однако греческий географ и историк Страбон (63 год до н. э. - 24 год н. э.) приводит более позднюю оценку Посидония: 180 тысяч стадиев, то есть 28350 км (если использовать египетские стадии). Этот результат ученый получил, уточнив расстояние между Родосом и Александрией: оно составило 3750 стадиев. Таким образом, Земля стала меньше.
Схема измерений размеров Земли, проведенных Посидонием. Если при наблюдении из Родоса звезда Канопус находится точно над горизонтом, то для наблюдателя в Александрии она располагается на небосводе под углом θ к горизонту, равным углу между Родосом и Александрией.
Метод Посидония для оценки размеров Земли также был остроумным, простым и геометрически безупречным, однако философ не учел преломление света в земной атмосфере, из-за которого при наблюдении небесных тел вблизи горизонта мы видим их выше, чем они располагаются на самом деле. Если бы лучи света не преломлялись, Канопус находился бы ближе к горизонту и, как следствие, реальная величина угла была бы меньше вычисленной Посидонием.
Клавдий Птолемей, как и Страбон, и другие, считал результат Посидония корректным и привел его в своей "Географии". Таким образом, представление о малых размерах Земли было популярным среди географов и картографов до XV века. Именно поэтому итальянский математик и картограф Паоло Тосканелли (1397–1482), составивший мореходную карту Атлантического океана, считал, что можно проплыть из Европы в Азию, а Христофор Колумб верил, что существует неизвестный путь доставки специй в Европу через Атлантический океан.
Реконструкция карты Тосканелли, на которой изображены более или менее реалистичные очертания Американского континента.
Метод триангуляции
Позднее для измерения меридианов Земли, а следовательно, для вычисления ее размеров использовалась триангуляция. Этот метод заключается в разделении местности на треугольники, максимально точном измерении углов триангуляции и длины одной из сторон исходного треугольника, называемого базовым, и последующем вычислении длин остальных сторон с помощью тригонометрии. Измерить длины сторон треугольников напрямую из-за неровностей рельефа довольно сложно, особенно если речь идет о больших расстояниях. Однако измерить с большой точностью углы вполне возможно.