Физик в океане

В историю науки Эмиль Ленц вошел как один из отцов-основателей теории электромагнетизма, и мало кто сейчас помнит про его гидрографические исследования. Между тем эти работы Ленца с не меньшими основаниями позволяют его считать одним из создателей современной океанологии. 

Эмилий Ленц

В истории науки не так много ученых, которые остались в ней в названиях открытых ими законов мироздания. Один из них Эмиль Христианович (Генрих Фридрих Эмиль) Ленц, имя которого носят сразу два закона: правило Ленца (1833) и закон Джоуля—Ленца (1842). Первый гласит, что «индуцированная ЭДС всегда направлена так, чтобы создать магнитное поле, противоположное изменяющемуся магнитному полю, вызывающему эту ЭДС», или, говоря проще, при изменении магнитного поля в проводнике возникает электродвижущая сила, которая создает магнитное поле, направленное так, чтобы противодействовать изменению исходного магнитного поля. Второй закон, открытый одновременно и независимо друг от друга Джоулем в Манчестере и Ленцем в Санкт-Петербурге, гласил, что «количество выделяемого тепла пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника».

Несложно заметить их аналогию с третьим и вторым законами из знаменитой триады законов Ньютона, только применительно к электричеству, что само по себе не может не вызывать уважения к Ленцу как ученому. Современники Ленца тоже так его оценивали, считая Эмиля Ленца одним из самых ярких физиков первой половины XIX века, эпохи зарождения теории электромагнетизма, в итоге ставшей основой современной действительности. И в списке действительных членов Российской академии наук за всю историю ее существования он числится как «физик и электротехник».

Но вот что интересно: избран он был в академики в 1830 году в возрасте 26 лет еще до своих электродинамических открытий. Спрашивается, за какие заслуги?

Как стать академиком

Заслуга перед фундаментальной наукой у учителя петербургской немецкой гимназии Св. Петра (знаменитой Петришуле на Невском проспекте, 22), доктора философии (по-нынешнему — кандидата наук) Эмиля Ленца была тогда только одна — его доклад «О физических наблюдениях, сделанных во время кругосветного плавания под командованием капитана Коцебу в 1823–1826 годах». Сей доклад в 1828 году представил в Академию наук ректор Дерптского университета академик Егор Иванович (Георг Фридрих) Паррот, добрый гений Ленца с его, Ленца, студенческих дней в Дерпте.

Этот доклад послужил поводом для ходатайства академиков Паррота, Эдуарда Давыдовича Коллинса (директора Петришуле) и Николая Ивановича Фусса (самого заслуженного и уважаемого патриарха академии на тот момент) о назначении Эмиля Ленца адъюнктом академии. Осенью 1829 года Ленц делает этот свой доклад на заседании Академии наук, а на следующий год публикует его сокращенную версию «О воде различных морей с точки зрения ее температуры и содержания солей» в Annales de Chimie et de Physigue. В полном виде он выходит в Memoires de l'Academie imperiale des sciences de St.-Petersbourg в 1831 году, когда Ленц уже год как избран экстраординарным академиком Императорской академии наук.

В 1834 году, после открытия правила своего имени, он становится ординарным академиком, и дальше в истории науки вся его другая научная работа уходит в тень его работ по электродинамике и электротехнике. Между тем он до конца жизни не прекращал писать и публиковать работы по геофизике, в основном по физике океана, и, став профессором Санкт-Петербургского университета, а потом его ректором, читал студентам специальный курс, который сейчас назвали бы «введением в океанологию».

Дело даже не в том, что его не отпускали юношеские впечатления о его первой научной экспедиции в Мировом океане на шлюпе «Предприятие» под командой капитана Коцебу, а в том, что в этой области он сделал открытия того же калибра, что и в электродинамике. Только о них последующие поколения исследователей океана — нет, не забыли, а почему-то воспринимали их как само собой разумеющееся и даже кое-что потихоньку присваивали себе.

Студенческий отряд

Эмиль Ленц родился в1804 году в городе Тарту, или, как он тогда назывался, Дерпте, в семье обер-секретаря городского магистрата. По окончании гимназии по совету своего дяди, известного химика профессора Гизе, он поступил на философский факультет Дерптского университета (там изучили химию и другие естественные науки). Но после отъезда дядюшки за границу по какой-то причине перешел на теологический факультет, где учился на сельского пастора и даже выучил для этого эстонский язык. Его пасторской карьере помешал профессор физики Паррот — возможно, по просьбе Гизе. По протекции Паррота 19-летний студент Ленц получил приглашение принять участие в кругосветном плавании на шлюпе «Предприятие».

Командиру шлюпа капитан-лейтенанту Коцебу (кстати, сыну довольно известного драматурга того времени) было поручено доставить грузы на Камчатку и вести крейсерство у берегов Алеутских островов, где были русские поселения, вплоть до прихода другого корабля ему на смену. Одновременно ему разрешалось производство географических исследований, но «не в ущерб основным заданиям». Научный отряд на шлюпе был «студенческим».

Кроме физика Ленца в него входили студенты Дерптского университета Вильгельм Прейс (астрономия), Эраст Гофман (геология), а также бывший студент этого университета Иван Эшшольц (корабельный врач), который уже совершил кругосветное плавание с лейтенантом Коцебу в 1815–1818 годах на бриге «Рюрик» и в ходе его собрал такую богатую коллекцию флоры и фауны, что к моменту отплытия шлюпа «Предприятие» был уже довольно известным в Европе зоологом и ботаником. А в ходе плавания на «Предприятии» в честь Эшшольца была названа открытая в Тихом океане группа островов, которая сейчас называется атоллом Бикини. Все студенты по возвращении из плавания получили от российского правительства щедрые премии, и их дальнейшая научная и административная карьера складывалась успешно.

Вьюшка Ленца

Сейчас часто пишут, причем даже в солидных научных работах по истории науки, что для отбора воды с разных глубин Ленц (вариант — Паррот и Ленц) изобрел(и) батометр. Конечно же, нет. Батометр — сосуд для отбора забортной воды — был известен еще в XVIII веке. Паррот и Ленц лишь усовершенствовали его для отбора воды с километровых глубин и снабдили термометром. Что изобрел Ленц, так это приспособление к лебедке для опускания лота для промера глубин. Лот — конусовидный груз (обычно из свинца) — опускали на веревке за борт. Когда он касался дна, натяжение веревки ослабевало, и очередная саженная или футовая метка на ней показывала глубину.

Но для измерения больших глубин сам лот был очень тяжелым, больше центнера весом, и веревку в нем заменяли на стальную цепь. Вытравленная за борт, она могла весить больше самого лота. В итоге лот ложился на дно, а вместе с ним начинала ложиться цепь. Уловить этот момент было проблематично. Вот для этого Ленц и придумал устройство к лебедке — вьюшку, как ее назвали, которая тормозила и делала равномерной скорость разматывания цепи с барабана, что позволяло почувствовать момент, когда лот касался дна. Только спустя годы «вьюшка Ленца» вдруг стала «лотом Томсона», того самого лорда Кельвина.

Соленость морской воды в пробах Ленц определял по ее удельному весу. Упарить воду, а потом взвесить осадок соли в корабельных условиях того времени было нереально. Как показало время, измерения Ленца солености и температуры морской воды на разных горизонтах до двухкилометровой глубины стали классическими по своей точности. Полвека спустя аналогичные измерения английской океанографической экспедиции на судне «Челенджер» и измерения известного русского ученого и флотоводца Степана Макарова на корвете «Витязь» 70 лет спустя полностью подтвердили все данные Ленца, хотя и батометры, и другая аппаратура у них были намного совершеннее.

Главное океанологическое открытие

Его Ленц сделал в ходе анализа измеренных им температур океана на разных глубинах. Прежде всего под седьмым градусом с. ш., то есть в тропиках, на глубине 574 сажени (немногим больше 1 км) температура воды оказалась меньше двух градусов Реомюра (+2,2 градуса по Цельсию). На тот момент это был рекорд, самая низкая температура из когда-либо измеренных на таких глубинах. То, что с глубиной температура воды снижается, знали, наверное, еще доисторические ученые, а уж ученые Нового времени и подавно это знали. Но чтобы она снижалась до такой низкой температуры в тропиках, чего вдруг?

Более того, «в тропическом бассейне все наблюдения показали уменьшение температуры морской воды с увеличением глубины по крайней мере до 1000 саженей,— писал Ленц.— Это уменьшение бывает сначала быстрым, потом делается медленнее, и в глубине 300 футов оно бывает едва заметным, тут температура постоянно около 2 или 3 градусов Реомюра. При этом, однако, замечено, что понижение температуры в экваториальных странах идет быстрее, чем в высших широтах; так, например, на экваторе и в поясах, к нему прилегающих, температура на поверхности 23 градуса по Реомюру, а температуру 12 градусов встречают уже в глубине 400 футов, между тем как на 25 градусах сев. широты, чтобы получить ту же температуру, надо спуститься на 600 футов и более; из этого видно, что вода на экваторе как бы поднимается».

Таким образом, Ленц доказал, что помимо течений, вызываемых ветрами и наклоном ложа океана, существует более масштабная, глобальная меридиональная циркуляция океанических вод. Теплые воды тропиков поверхностными течениями выносятся в высокие широты, а холодные полярные воды с глубинными течениями проникают в низкие широты и там поднимаются вверх. Все дальнейшие исследования динамики океанических вод строились и строятся поныне исключительно в рамках этой парадигмы.

Потеря памяти

На протяжении тридцати лет известный электрофизик профессор Ленц читал лекции по морской гидрографии в Санкт-Петербургском университете и Морском корпусе. Если не считать его схемы поверхностных течений в Мировом океане и теории происхождения ветровых волн (они сейчас несколько иные), то по его учебнику «Физическая география» (1851), а точнее, по главе III «О жидкой поверхности Земли» в нем, вполне можно преподавать гидрографию и в современных университетах.

Но обо всем этом, как уже сказано, не помнят. В нашей стране не так давно был самый большой в мире научный флот, больше сотни вымпелов, и примерно треть из них неограниченной мореходности, то есть ходившие в океан. Они носили на своих высоких белых бортах имена прославленных геофизиков и океанологов прошлого, но только не Эмиля Ленца. Было лишь одно каботажное суденышко «Эмиль Ленц» (порт приписки — Таллин), которое числилось с 1959 по 1969 год за УГМС Эстонской ССР. Потом его списали и отправили на переплавку.