«Воздухоплавание: Популярный трактат о развитии летательных аппаратов и авиационной метеорологии»

Для привода маленьких аэропланов, разработанных к тому времени, особенно гоночных, существовало общее предпочтение одновинтового пропеллера, установленного непосредственно на валу двигателя, хотя, несомненно, для машин весом во много тонн использовалось бы множество таких пропеллеров. Теоретически преимущество двух винтов признавалось, но на практике они использовались очень немногими конструкторами. Деревянный пропеллер «Шовьер» был фаворитом во Франции и был одобрен конструкторами пропеллеров в других местах, по крайней мере, в своих общих чертах. Фирма Вуазен, действительно, все еще придерживалась металлического пропеллера, и иногда некоторые экспериментаторы использовали более почтенный французский винт, состоящий из радиальных палок, покрытых тканью. Но великие рекорды в спортивном мире были достигнуты с помощью цельных деревянных пропеллеров.

Потребовалась бы специальная глава, чтобы описать различные двигатели, даже бегло. Их относительные значения, однако, могут быть суммированы в следующих кратких словах Рене Гаснье в журнале «Aërophile» за ноябрь 1910 года:

«В прошлом году у нас было мало легких типов; в этом году их предостаточно, и во главе их стоит тот восхитительный двигатель «Гном», который позволил авиаторам совершить все их прекрасные выступления. Сначала многие люди не верили в будущее ротативного двигателя. Нужно склониться перед фактами; при рассмотрении природы этого двигателя видно, что он обладает восхитительной простотой. Это, очевидно, типичный авиационный двигатель и приближение к настоящему ротативному двигателю, которым позже будет турбина. Многочисленные двигатели с четырьмя-восемью цилиндрами очень хорошо отзываются, но ни один не достигает легкости «Гнома». Среди двигателей с воздушным охлаждением «Эсно-Пельтри» замечателен серией испытаний, которые он выдержал, а среди двигателей с водяным охлаждением мы можем привести великолепное выступление «Антуанетт» — 2100 километров за одну неделю на встрече в Бордо. Это был бы довольно хороший пробег даже для автомобиля. Заметно, что авиационный двигатель имеет отчетливую тенденцию дифференцироваться от своего старшего брата, автомобильного двигателя, и принимать тип, абсолютно адаптированный к своей специальной работе. В дополнение к максимально возможной легкости, теперь возникает требование малого расхода топлива и диапазона скоростей, который необходим для посадки. Опасно быстро снижаться с двигателем на полной скорости; с другой стороны, при отключении зажигания для планирования вниз рискуешь не иметь возможности перезапустить двигатель, если потребуется, в то время как если двигатель достаточно расслабится, спуск происходит в полной безопасности. Достаточно ускориться в нужный момент».

Практическая полезность авиации теперь начала подвергаться сомнению. Аэроплан прошел первичную эпоху экспериментального развития и становился стандартным предметом производства, представляющим значительную отрасль промышленности. Но чего это стоило? Авиаторы летали быстрее орла, выше облаков, дальше, чем обычное расстояние от мегаполиса до мегаполиса. Школы выдавали лицензии новым пилотам изо дня в день. Но какая карьера была у них впереди и какую существенную функцию в делах человечества они могли выполнять? Некоторые, конечно, могли приспособиться к воздушной службе в военное время, некоторые — к приятной профессии развлечения человечества; но в серьезном деле жизни какую важную роль могли надеяться играть авиаторы? Это был уместный вопрос, и он в значительной степени касался надежности и экономичности аэроплана. Улучшение в этих двух элементах могло, следовательно, получить внимательное рассмотрение в ближайшем будущем.

Надежность аэроплана зависит частично от его среды, частично от его плана и структуры, частично от мастерства его пилота. Мастерство пилота было восхитительно развито на турнирах и публичных выставках. Аэродинамический дизайн, способствующий устойчивости и стабильности, структурный дизайн, способствующий максимальной прочности и упругости, равномерно соразмерный с нагрузкой и работой каждой части сложной машины; и, прежде всего, дизайн двигателя, чтобы обеспечить его от тысячи слабостей — все это могло быть улучшено терпеливыми методами теоретической и экспериментальной науки. Среду, конечно, можно было выбирать. Сначала нужно было пробовать только самые благоприятные регионы для регулярных перевозок, регионы равнин и сельскохозяйственных земель, или озер и рек, окруженных местностью, не слишком грубой и обрывистой.

Общая стоимость аэроплана для человечества зависит от его плана и структуры, от методов производства, от материальных текущих расходов; но его конкретная стоимость для пассажира определяется в значительной степени алчностью или деловой хваткой тех, кто предоставляет машину, и тех, кто ею управляет. Естественно, когда мир впервые проснулся утром практической спортивной авиации, с внезапным и сильным вкусом к полетам, цены были баснословными, если не сказать смехотворными. В течение этого часа никакие коммерческие перевозки не могли рассматриваться. Но без монополии цены должны быстро снижаться; ибо ни производство, ни управление аэропланом не требуют редких способностей или подготовки. Стоимость производства будет быстро снижена с помощью специализированных инструментов и рабочих, сразу после обеспечения больших и постоянных заказов. Стоимость пилотирования станет незначительной, когда один шофер сможет взять дюжину пассажиров на один аэроплан.

Столько о человеческих и внешних элементах в стоимости авиации. Внутренняя и материальная стоимость аэроплана также могла быть снижена, хотя, возможно, менее легко. Было маловероятно, что машина будет построена из гораздо более дешевых материалов или сделана гораздо легче на фунт груза. Не были такие улучшения и столь важными, поскольку они повлияли бы только на первоначальную стоимость летательного аппарата. Но увеличение аэродинамической эффективности пропеллера и самого аэроплана, вместе с увеличением термодинамической эффективности двигателя, существенно снизило бы текущую стоимость перевозки при любой заданной скорости. Эти улучшения потребовали бы тщательных исследований в лаборатории и терпеливых испытаний в мастерской и поле. Улучшение и совершенствование аэроплана можно, следовательно, ожидать в тех сообществах, где люди имеют достаточно дальновидности, предприимчивости и либеральности, чтобы финансировать исследования и поощрять науку и искусство авиации дополнять друг друга.

ЧАСТЬ III АЭРОНАВТИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ

ГЛАВА XIII

GENERAL PROPERTIES OF FREE AIR

Для аэронавигационных целей атмосферу можно рассматривать как смесь двух веществ: сухого воздуха и воды. Первое всегда остается в газообразном состоянии; второе беспорядочно перемещается через все возможные состояния. Дождевые капли замерзают или испаряются; мокрый снег, снег и град испаряются или тают; водяной пар конденсируется или замерзает. Таким образом, мир окутан двойным морем, одна часть которого естественно безмятежна, другая — капризна, изменчива и турбулентна. Сухой воздух, действительно, является композитом многих газов, имеющих огромное значение в химии и биологии; но в отношении аэронавтики это практически один постоянный газ. Этот спокойный элемент и его непостоянный спутник, так любопытно смешанные, составляют среду, чьи потоки и превратности воздушный моряк должен должным образом изучить, прежде чем он сможет навигировать с мастерством или безопасностью. [56]

Но эти воздушные океаны, влажный и сухой, имеют очень разную глубину. Они смешиваются только в нижних слоях атмосферы, качества которых варьируются соответственно, как физические, так и транспортные. В то время как сухой воздух может достигать более ста миль, достаточно существенный, чтобы опалить метеорит, море водяного пара практически ограничено неглубоким регионом видимых облаков. За перистыми облаками, похожими на перья, которые едва возвышаются над самыми высокими горными вершинами, влаги почти нет, если она вообще есть. Там никогда не бывает ни дождя, ни облаков, ни бури, ни каких-либо больших возмущений. За пределами самых высоких экскурсий перистых облаков, на высоте около десяти миль, простирается глубокий океан вечного солнечного света, с равномерной и почти постоянной температурой. В эту зону вечного безмятежия не может проникнуть никакой шум нижних слоев атмосферы; о дно изотермического слоя циклонические токи разбиваются и рассеиваются. Верхние слои воздуха, конечно, имеют значительный дрейф, подобно величественной реке или потоку в море, но никогда суматоха или буря не нарушают их величественного марша.

В некоторых отношениях, следовательно, этот высокий океан является идеальным для быстрой перевозки. Но в настоящее время он находится за пределами досягаемости любого навигационного аппарата человеческого изобретения. Иногда, действительно, воздушный шар из рук какого-нибудь любопытного мудреца погоды проникает немного в возвышенную глубину рядом с космической пустотой, неся свои деликатные регистраторы тепла и давления; но он блуждает в одиночестве в тихой и огромной пустыне, превосходящей все обитаемое пространство, отведенное птицам, зверям и рыбам; затем, наконец, опускается, чтобы рассказать историю своего странного путешествия в этой безжизненной внешней сфере. Вулканическая и небесная пыль может процветать там, окрашивая сумерки розовым румянцем, но никакие биологические формы из кишащего подземного мира не могут найти там убежища или пропитания. Это непокоренное владение, кто знает, каких метеорных аппаратов будущего, проносящихся по земному шару с континента на континент, с теперь невообразимой быстротой, грацией и точностью.

Попутно и помимо своего аэронавигационного интереса, состав атмосферы может быть представлен в более подробных деталях, показывая широкие вариации от уровня к уровню и многогранную сложность жидкости, которой мы дышим ежедневно, не говоря уже о мириадах пылинок и микробов, обитающих в каждом ее дюйме. Газообразные компоненты и их распределение хорошо показаны в следующей таблице [57], которая представляет среднее состояние:

TABLE I

Процентное распределение газов в атмосфере

Height in Kilo-

meters. Gases. Total Pressure in Millimeters.

Argon. Nitro-

gen. Water

Vapor. Oxygen. Carbon

Dioxide. Hydro-

gen. He-

lium.

150

99.73

0.27

0.0043

140

99.70

0.30

0.0048

130

0.02

99.64

0.34

0.0054

120

0.10

99.52

0.38

0.0060

110

0.40

0.02

99.16

0.42

0.0067

100

1.63

0.07

97.84

0.46

0.0076

90

6.57

0.32

92.62

0.49

0.0090

80

22.70

1.38

75.47

0.45

0.0123

70

0.02

53.73

4.0

41.95

0.27

0.0248

60

0.04

78.16

7.32

14.33

0.15

0.0810

50

0.08

86.16

10.01

3.72

0.03

0.466

40

0.16

86.51

12.45

0.88

1.65

30

0.22

84.48

15.10

0.20

8.04

20

0.55

81.34

18.05

0.01

0.05

39.6

15

0.74

79.56

19.66

0.02

0.02

88.2

11

0.94

78.02

0.01

20.99

0.03

0.01

168

5

0.94

77.89

0.18

20.95

0.03

0.01

405

0

0.93

77.08

1.20

20.75

0.03

0.01

760

Сосредоточив внимание сначала на газах, отличных от воды, можно сразу заметить из таблицы, что эти газы показывают очень равномерную смесь во влажном и турбулентном регионе, в то время как выше более легкие из них имеют тенденцию преобладать в относительном соотношении. Эта равномерность состава на нижних уровнях, которая согласуется с опытом, обусловлена постоянной циркуляцией и суматохой в этом регионе. Если бы не это постоянное движение, равномерность смеси не могла бы длиться. Если бы атмосфера была постоянно в покое повсюду или двигалась только в горизонтальном потоке, каждый составляющий газ принял бы тот же статус и распределение, как если бы другие отсутствовали. Каждый, следовательно, подчиняясь закону диффузии Дальтона, сформировал бы атмосферу сам по себе, независимо от других и не подвергаясь влиянию их плотности. Такое состояние предполагается для более высоких уровней. Процентное распределение на более высоких уровнях рассчитывается исходя из известной упругости и плотности газов, предполагаемых как находящихся в вечном покое при постоянной температуре 0,55° C. за пределами одиннадцати километров, или выше самого высокого подъема человека, и, кроме того, как имеющих на поверхности земли 1,2 процента влаги и температуру 11° C.

Но лишь в спокойной внешней сфере эта динамическая градация может быть установлена или сохранена. Ниже этой возвышенной области находится море водяного пара, тесно смешанного с сухим воздухом и перемешанного с ним, однако не обладающего такой же равномерностью распределения. Почему происходит это быстрое уменьшение влажности с высотой, как показано в таблице? Потому что во всей влажной области температура быстро падает — примерно на 6° C на каждый километр подъема над землей, — тем самым охлаждая и конденсируя пар, чье сопротивление сжижению под давлением уменьшается по мере падения температуры. Объяснение очевидно; но почему оно не применяется в равной степени к другим элементам атмосферы: почему другие присутствующие газы не сжижаются при падении температуры так же, как водяной пар, который является лишь водой в газообразном состоянии? На этот вопрос нельзя ответить очень глубоко, но необходимое условие сжижения любого газа может быть сформулировано в ученых терминах после предварительного изложения некоторых общих свойств материи.

Мы можем сначала изложить эти общие физические свойства, а затем применить их для ответа на вышеуказанный вопрос. Любое известное вещество может существовать в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном. Для каждого вещества существует критическая температура, выше которой оно может существовать только как газ и не может быть сжижено никаким давлением, но ниже которой соответствующее давление вызовет сжижение. Ниже своей критической температуры газ называется паром, выше нее — постоянным газом. В свободной атмосфере некоторые газы никогда не опускаются ниже своих критических температур и, следовательно, не могут быть сжижены никаким давлением без специального охлаждения; другие иногда находятся ниже своих критических температур и тогда способны к сжижению при достаточном давлении, которое, однако, не всегда встречается в свободном пространстве, но может быть создано компрессионным насосом; еще один газ, а именно водяной пар, в свободной атмосфере всегда находится ниже своей критической температуры и поэтому всегда может быть превращен в воду при достаточном давлении при его фактической атмосферной температуре. Такое достаточное давление водяного пара действительно возникает время от времени во всех частях атмосферы от поверхности земли до самой высокой области перистых облаков, но чаще всего на уровнях слоистых облаков, в миле или двух над землей. Таким образом, во всех частях нижней атмосферы иногда наблюдается сжижение водяного пара в виде тумана или дождя, снега или ледяных частиц, а на земле — в виде росы или инея. Чтобы проиллюстрировать вышеприведенные идеи числовыми данными, приводится прилагаемая таблица, показывающая критическую температуру и давление основных газообразных составляющих атмосферы.

TABLE II

Критическая температура и соответствующее давление сжижения для основных газообразных составляющих атмосферы.

Substance Critical

Temperature

C. Critical

Pressure

Atmospheres.

Dry Air −140

39

Nitrogen −146

34

Oxygen −118

50

Carbonic Acid − 31

75

Argon −120

51

Hydrogen −242

20

Ammonia 130

115

Water +365

200

Взгляд на эту таблицу показывает, что при давлениях и температурах, преобладающих в нашей атмосфере, большинство составляющих являются постоянными газами. Заметным исключением является вода, которая в газообразном состоянии всегда существует как пар, а никогда как постоянный газ, поскольку она даже не приближается к критической температуре. К счастью для всей жизни на Земле, водяной пар конденсируется при самых обычных температурах и давлениях, иначе не было бы осадков для орошения и питья. К счастью также, что другие газы не выпадают в осадок таким образом, иначе мир мог бы быть затоплен жидким азотом и кислородом, что повлекло бы за собой, кто знает, какие катастрофические последствия.

После этого отступления о составе атмосферы мы можем впредь рассматривать воздушный океан как смесь двух веществ: сухого воздуха и воды; первое — постоянный газ, второе — переменный элемент, существующий временами в твердом, жидком или парообразном состоянии. Для удобства мы можем сначала изучить сухую атмосферу, а затем влажную. Динамические свойства сухой атмосферы могут быть в значительной степени выведены путем применения двух хорошо установленных законов физики. Они будут рассмотрены по порядку.

Тщательными исследованиями было доказано, что в значительном диапазоне давлений и температур постоянные газы весьма приближенно подчиняются следующему закону: объем постоянного газа прямо пропорционален его абсолютной температуре и обратно пропорционален его давлению. Другими словами, произведение его давления и объема равно абсолютной температуре, умноженной на числовую константу. Это может быть выражено алгебраически следующей формулой:

PV = RT (1)

в которой P — давление, а V — объем данной порции газа при абсолютной температуре T, и R — числовая константа для рассматриваемого газа.

Значение R в вышеприведенном уравнении было определено экспериментально для компонентов атмосферы и для сухого воздуха в целом. Для сухого воздуха, который в условиях, окружающих аэронавта, может рассматриваться как единый однородный газ, уравнение, примененное к одному килограмму, дает R = PoVo/To = 29,27, где Po, Vo, To — соответственно давление, объем и температура в метрической системе для одного килограмма воздуха при стандартных условиях; т. е. Po = 10 330 килограммов на квадратный метр, что является нормальным атмосферным давлением; Vo = 1/1,293 кубического метра, что является объемом одного килограмма сухого воздуха при нормальном давлении и температуре замерзания; To = 273° C, что является абсолютной температурой замерзания. К слову, абсолютная температура — это температура, измеряемая от абсолютного нуля, который по шкале Цельсия составляет 273° ниже точки замерзания, а по шкале Фаренгейта — 460,6° ниже точки замерзания.

Второй упомянутый закон прямо следует из принципа сохранения массы. В физике общеизвестно, что данная порция материи имеет постоянную массу, как бы ни менялись ее давление, объем, температура и другие условия. В частности, масса данной порции материи всегда равна произведению ее средней плотности и объема, поскольку плотность определяется как количество массы в единице объема. Выражение этого физического закона или соотношения алгебраически дает ρV = масса = ρoVo, в котором ρ, V — общие символы для плотности и объема данной порции материи при любых условиях, тогда как ρo, Vo — удельные значения ρ и V, наблюдаемые для некоторого одного состояния и обстоятельства рассматриваемого вещества. В частности, если масса воздуха равна единице, мы можем написать:

ρV = 1 (2)

Это соотношение вместе с тем, что выражено в уравнении (1), позволит нам вывести многие свойства сухого воздуха и сухой атмосферы.

Сначала давайте пронаблюдаем из уравнения (1) эффект поочередного сохранения постоянной одной из величин P, V, T, в то время как две другие меняются. Уравнение показывает, что если температура газа поддерживается постоянной, объем обратно пропорционален давлению. Это называется законом Бойля-Мариотта по именам двух независимых первооткрывателей, из которых Бойль, по-видимому, был первым. В качестве примера закона Бойля: если пустой стакан или водолазный колокол перевернуть в воде, а затем погружать все глубже и глубже, воздух внутри него будет сжиматься с увеличением давления, его объем станет вдвое меньше при удвоении давления, втрое меньше при утроении давления и т. д. В частности, если давление изменяется на одну единицу, соответствующее изменение объема составляет 1/P часть этого объема. Например, если привязной аэростат закреплен в воздухе при постоянной температуре, а барометрическое давление меняется с 30,0 дюймов до 30,1 дюйма, объем аэростата сократится на 1/300 часть самого себя.

Далее, уравнение (1) показывает, что если давление газа поддерживается постоянным, объем пропорционален абсолютной температуре. Это закон Шарля и Гей-Люссака, названный так по именам его первооткрывателей, из которых Шарль считается первым. В качестве примера этого закона: если привязной тонкий резиновый аэростат нагревается или охлаждается, его объем будет меняться прямо пропорционально его абсолютной температуре. В частности, если температура изменяется на один градус, объем изменяется на 1/T часть самого себя. Например, если температура аэростата в воздухе при постоянном барометрическом давлении повышается с 300° C до 301° C, его объем увеличится на 1/300 часть самого себя. Исторически, следует сказать, этот закон Шарля и закон Бойля были открыты отдельно, а затем объединены, что дало уравнение (1).

Еще третье, хотя и не независимое соотношение, может быть прочитано из уравнения (1), а именно: когда объем газа поддерживается постоянным, давление пропорционально абсолютной температуре. В частности, если температура изменяется на один градус, давление соответственно изменяется на 1/T часть самого себя. Например, если температура воздуха или газа в резервуаре в помещении при 500° F изменится на один градус, его давление изменится на 1/500 часть.

С мельчайшими подробностями эти три вывода из общего уравнения (1) были изложены и проиллюстрированы из-за их практической важности. Другие ценные результаты могут быть получены путем аналогичных рассуждений. Таким образом, уравнение (2) можно прочитать так: объем единицы массы любого вещества есть величина, обратная его плотности. Следовательно, если в трех вышеприведенных выводах везде вместо объема написать величину, обратную плотности, будут получены три новых соотношения, которые часто находят практическое применение. Два из них могут быть выражены в следующем важном законе: плотность газа прямо пропорциональна его давлению и обратно пропорциональна его температуре. Полезные применения этого закона в аэронавтике напрашиваются сами собой.

С помощью различных вышеприведенных уравнений значение любой из четырех величин P, V, T, ρ, представляющих соответственно давление, объем, абсолютную температуру и плотность, может быть получено через любые две из остальных. Если затем наблюдаются любые две из величин, остальные могут быть немедленно вычислены. Если, например, наблюдаются давление и температура сухого воздуха в любой точке, его плотность может быть вычислена по формулам, также его объем на килограмм веса, а отсюда его объем для любого другого веса. Поэтому важно уметь удовлетворительно измерять по крайней мере две из четырех величин. В обычных исследованиях атмосферы давление и температура наблюдаются непосредственно. Метод и инструменты, используемые для этой цели, слишком хорошо известны, чтобы требовать описания здесь.

В некоторых предположениях давление и температура атмосферы принимаются как заданные, и делаются определенные интересные выводы. Например, если предположить, что температура постоянна во всей сухой атмосфере, жидкость будет подчиняться закону Бойля, и легко показать, что высота такой среды одинакова, независимо от того, содержит ли она много газа или мало. Опять же, предполагая температуру и давление постоянными, высоту нормальной однородной атмосферы можно вычислить, разделив давление на единицу площади на его вес на единицу объема. Таким образом, высота нормальной однородной атмосферы была определена примерно в пять миль. Но это гипотетические случаи, представляющие чисто теоретический интерес. На практике можно предположить, что температура в среднем падает на 6° C на каждый километр подъема, а давления затем могут быть вычислены для различных высот с использованием закона Бойля, как это сделано для Таблицы I.

Это подводит нас к изучению газообразных свойств влажного воздуха. Под влажным воздухом понимается смесь сухого воздуха и водяного пара в форме невидимого упругого газа. Определение не включает воздух, содержащий видимый пар, туман или облака, а чистый влажный воздух, которым обычно дышат. Изучению этой смеси может предшествовать краткое описание газообразных свойств одного только пара.

Если воду в достаточно малом количестве ввести в вакуумную бутыль при любой обычной температуре, она быстро испарится, образуя невидимый газ, известный как водяной пар, заполняющий бутыль и оказывающий равномерное давление на ее стенки, за исключением незначительной разницы вверху и внизу из-за силы тяжести. Пар весит 0,622 раза больше, чем сухой воздух, имеющий тот же объем, температуру и давление, или, довольно точно, 5/8 от его веса. Он подчиняется всем законам, приведенным выше для обычных газов и сухого воздуха. Но у него есть одна особенность: при обычных атмосферных температурах его нельзя бесконечно сжимать без конденсации в жидкость. В этом отношении он отличается от основных компонентов атмосферы, которые при обычных температурах могут выдерживать бесконечное давление без сжижения. Аммиак и углекислый газ в воздухе, правда, могут быть сконденсированы давлением при их обычных температурах, но не такими давлениями, которые встречаются в свободной атмосфере, что все еще оставляет водяной пар единственным необычным компонентом.

Возвращаясь к поведению воды в предполагаемой вакуумной бутыли при фиксированной температуре, можно заметить, что давление невидимого пара прямо пропорционально количеству испарившейся жидкости. Другими словами, для любой фиксированной температуры давление пара прямо пропорционально его плотности. Когда эта плотность достигает определенного значения, зависящего исключительно от температуры, дальнейшее испарение не произойдет, если только часть пара не сконденсируется. Давление насыщения для этой температуры достигнуто, и любая попытка увеличить давление путем уменьшения объема пара вызовет сжижение при постоянной температуре.

Если, однако, пространство не насыщено, массу присутствующего пара можно выразить как процент от количества, необходимого для насыщения при этой температуре. Этот процент называется относительной влажностью. Таким образом, если относительная влажность составляет семьдесят процентов, фактическая масса водяного пара, присутствующего при наблюдаемой температуре, составляет семьдесят процентов от максимума, который может существовать в данном пространстве при данной температуре. Другими словами, относительная влажность — это отношение фактической влажности к возможной при данной температуре.

Точно так же для любого заданного давления пара существует определенная температура насыщения, известная как точка росы. Если при постоянном давлении пару придаются различные температуры выше точки росы, он останется газообразным и невидимым; но если его температура упадет до точки росы, произойдет сжижение, и капли воды появятся на внутренней стенке сосуда. Дальнейшее охлаждение повлечет за собой еще большее сжижение и снижение давления; ибо чем ниже температура, тем меньше возможная масса и давление насыщения. Но для всех температур, вплоть до точки замерзания и значительно ниже, существует некоторое количество пара, который подчиняется тем же законам, что и при более высоких температурах. Однако, когда насыщение происходит ниже точки замерзания, пар может выпадать в осадок в виде снега, а не воды. Это знакомое явление в свободной атмосфере.

Фактическая масса водяного пара, присутствующего в единице объема пространства, иногда называется абсолютной влажностью. Формула, дающая абсолютную влажность f в килограммах на кубический метр для любой наблюдаемой температуры t и давления пара e, может быть записана следующим образом:

f = 0,00106 e / (1 + 0,00367 t)

в которой e — давление пара в миллиметрах ртутного столба, а t — обычное показание по Цельсию. В качестве иллюстрации фактических значений давления, температуры и плотности насыщенного водяного пара для различных условий приводится следующая таблица:

TABLE III

Температура, давление и плотность водяного пара в метрических мерах.

Temperature,

Centigrade. Pressure,

Millimeters. Density Kilos.

per cubic meter.

−25

0.61

.557

−20

0.94

.892

−15

1.44

1.395

−10

2.15

2.154

− 5

3.16

3.244

0

4.57

4.835

+ 5

6.51

6.761

10

9.14

9.329

15

12.67

12.712

20

17.36

17.117

25

23.52

22.795

30

31.51

30.036

35

41.78

39.183

40

54.87

45

71.36

Согласно закону Дальтона, каждый газ или пар в смеси нескольких ведет себя так, как если бы он был один. Таким образом, если вышеописанный эксперимент проводить в бутыли, содержащей различные газы, химически инертные по отношению к воде, испарится та же масса воды и окажет то же равномерное давление в дополнение к давлениям, оказываемым газами. Плотность каждого присутствующего газа или пара будет равна его массе, деленной на его объем, а плотность смеси будет равна общей массе, деленной на объем. Более того, хорошо известно, что водяной пар менее плотен, чем сухой воздух при той же температуре и давлении. Из этого сразу становится очевидно, что влажный воздух, который является лишь смесью сухого воздуха и водяного пара, должен быть легче сухого воздуха при той же температуре и давлении. Это верно независимо от того, находятся ли сравниваемые две жидкости в закрытых сосудах или в свободной атмосфере.

Соответственно, при любом точном обращении со свободным воздухом, будь то его плавучесть, его сопротивление, его энергия или любая другая массовая функция, его плотность, на которую влияет влажность, должна приниматься во внимание. Это можно вычислить по наблюдаемым давлению, температуре и относительной влажности, как показывают хорошо известные инструменты: барометр, термометр и гигрометр. Таким образом, по наблюдаемой температуре и относительной влажности масса присутствующего пара на кубический метр считывается из Таблицы III, при этом читатель, конечно, умножает данную табличную массу на наблюдаемый процент влажности. К этой водной массе должна быть добавлена масса присутствующего сухого воздуха. Тогда общая масса на кубический метр и есть плотность.

Существуют различные формулы для вычисления плотности влажного воздуха по показаниям трех упомянутых выше инструментов. Также были разработаны таблицы, дающие плотность без дальнейших расчетов. Более того, плотность свободного воздуха может быть измерена непосредственно, достаточно точно для большинства целей, с помощью денсиметра. Простая формула для нахождения плотности влажного воздуха выглядит следующим образом:

ρ = 0,465 (b−e) / T

в которой b, e — давления в миллиметрах ртутного столба соответственно влажного воздуха и его пара, как показывают барометр и гигрометр.

На практике не будет большой ошибки, если предположить, что относительная влажность составляет пятьдесят процентов. Ибо содержание влаги никогда не превышает пяти процентов от массы влажного воздуха, и поэтому при допущении пятидесятипроцентной относительной влажности, когда на самом деле существует максимальная или минимальная влажность, наибольшая возможная ошибка при оценке содержания влаги составляет 2,5 процента от массы влажного воздуха. Теперь, если предположить, что 2,5 процента массы воздуха составляет водяной пар, когда все на самом деле является сухим воздухом, или, наоборот, если 2,5 процента всей массы принять за сухой воздух, когда это на самом деле водяной пар, ошибка при оценке истинной плотности составит гораздо меньше 2,5 процентов. Ошибки вообще не возникло бы, если бы и воздух, и пар имели одинаковую плотность; но поскольку один в 5/8 раза тяжелее другого, возможная ошибка составляет 3/8 от 2,5 процентов, или 0,6 процента. Это пренебрежимо малая величина во всех механических расчетах, за исключением случаев, когда требуется большая точность.

Когда любой газ меняет плотность или объем, он также меняет температуру, если только не происходит теплообмена между ним и окружающей средой. Когда изменение объема происходит без такого теплообмена, расширение или сжатие называется «адиабатическим»; когда оно происходит при постоянной температуре, расширение называется «изотермическим», при этом температура поддерживается равномерной за счет соответствующего теплообмена; когда оно происходит при постоянном давлении, оно называется «изопиестическим». В любом случае работа может совершаться расширяющимся газом, если он давит на движущийся поршень или податливую оболочку какого-либо рода; и, наоборот, работа может быть затрачена на газ при его сжатии изотермически, адиабатически или изопиестически.

Если, например, аэростат быстро поднимается, его содержимое будет расширяться адиабатически, выталкивая оболочку во всех направлениях против статического давления окружающей атмосферы. Таким образом, он будет совершать работу и быстро охлаждаться. Но если он быстро опускается, он будет сжиматься адиабатически и нагреваться из-за работы, совершаемой окружающим воздухом при его сжатии. Подобное происходит, когда большой объем воздуха быстро поднимается или опускается в свободной атмосфере. В этом случае изменение температуры составляет около 6° C на каждый километр изменения уровня, пока воздух остается ненасыщенным. Знакомый пример этого эффекта в природе проявляется, когда устремляющийся вверх столб влажного воздуха охлаждается и конденсирует влагу, образуя облако в своей верхней части. Таким образом, одиночное грозовое облако в чистом небе может отмечать верхнюю часть такого столба или восходящего вихря в воздухе. И наоборот, нисходящий столб может поглощать свою видимую влагу, заставляя ее превращаться в чистый водяной пар, и таким образом исчезать из виду.

ГЛАВА XIV

GENERAL DISTRIBUTION OF HEAT AND PRESSURE

Кратко рассмотрев состав и некоторые газообразные свойства свободного воздуха, как сухого, так и влажного, мы теперь можем изучить атмосферу в целом. Мы особенно хотим знать о ее распределении температуры и давления; о ее общей и постоянной циркуляции; о ее великих периодических течениях; о ее вертикальных движениях и ее второстепенных местных ветрах с их пульсациями скорости и направления. К счастью, доступно много информации благодаря как государственным, так и частным исследованиям, хотя она была собрана скорее для целей метеорологии, чем воздушного передвижения. В последнее время, однако, внимание было уделено аэронавтическому изучению атмосферы, которое, как мы надеемся, окажется ценным для воздушного навигатора.

Движения атмосферы обусловлены главным образом теплом солнца и вращением земли. Внутреннее тепло земли и притяжение луны являются другими второстепенными факторами, но ими можно пренебречь в сравнении. Вращение земли также было бы неэффективным в изменении воздушных движений, если бы не сотрудничество солнца. Без его влияния атмосфера, всегда застойная, просто вращалась бы вместе с земным шаром с постоянной угловой скоростью и равномерно распределенной плотностью на различных уровнях. Эта равномерность плотности для любого уровня нарушается солнечной радиацией, увеличивающей температуру и влажность, иначе воздух оставался бы практически в неподвижном состоянии.

Хотя влажность из-за своей меньшей плотности вызывает некоторое облегчение воздуха при фиксированной температуре, это в лучшем случае едва ли составляет один процент, как уже было показано, а в среднем — гораздо меньше. Поэтому ее эффект эквивалентен меньшему, чем тот, который вызван повышением температуры на три градуса. Но если происходит выпадение осадков, огромное количество накопленного солнечного света, или скрытой теплоты, высвобождается и расходуется на нагревание сопутствующего воздуха. Таким образом, каждый фунт сконденсировавшегося пара может путем высвобождения своего теплового запаса нагреть более тонны воздуха на один градус температуры, или более полутонны воздуха на два градуса и т. д. Фактическое количество фунтов воздуха при постоянном давлении, нагретого на один градус Цельсия конденсацией одного фунта пара при различных температурах, приведено в следующей таблице:

TABLE IV

Temperature of condensation 0°

25°

50°

Pounds of air heated one degree 2550

2480

2407

Солнце, таким образом, является отцом ветра. Неравномерным нагреванием атмосферы оно нарушает равномерную градацию плотности, которая в противном случае существовала бы. Таким образом, возникают аномальные давления, которые нарушают покой воздушного моря, заставляя жидкость течь из областей избыточного давления в области недостаточного давления. Следовательно, изучение инсоляции и распределения температуры является фундаментальным для науки о ветрах.

Без детального изучения мы можем отметить совокупную инсоляцию, получаемую землей на различных широтах, и ее общее влияние на земную температуру. Солнце излучает почти постоянный поток радиации из года в год, который непрерывно воздействует на землю в целом с интенсивностью, которая лишь незначительно варьируется от месяца к месяцу из-за слегка меняющихся расстояний земли от солнца. Из-за сезонного блуждания солнца через экватор инсоляция на любой широте значительно варьируется от месяца к месяцу, и полярные области получают гораздо больше света, чем если бы такого блуждания не происходило. Общая годовая инсоляция для каждых 5° широты показана в следующей таблице из Ханна, в которой единицей является количество, которое земля получила бы за один день во время равноденствия, если бы солнце находилось на своем среднем расстоянии от земли:

TABLE V

Годовые количества инсоляции

Latitude. Thermal

Days. Difference.

0°

350.3

5°

349.1 1.2

10°

345.5 3.6

15°

339.4 6.1

20°

331.2 8.2

25°

320.5 10.7

30°

307.9 12.6

35°

293.2 14.7

40°

276.8 16.4

45°

258.7 18.1

50°

239.6 19.1

55°

219.4 20.2

60°

199.2 20.2

65°

180.2 19.0

70°

166.2 14.0

75°

156.5 9.7

80°

150.2 6.3

85°

146.5 3.7

90°

145.4 1.1

Из этого следует, что экватор получает почти в 2,5 раза больше тепла ежегодно, чем полюса. Поскольку, кроме того, экватор наслаждается почти постоянной инсоляцией, в то время как полярные области страдают от больших колебаний тепла при меняющейся высоте солнца, экваториальная атмосфера и намного жарче, и более ровная, чем на полюсах и в высоких широтах в целом. Таким образом, на экваторе уровень замерзания постоянно находится на высоте 18 000 футов, в то время как в средних широтах он сильно варьируется по высоте от сезона к сезону. Если, например, нарисовать круг, представляющий землю, а над ним линию, указывающую среднюю высоту уровня замерзания в июле, линия замерзания, начинающаяся на экваторе на высоте 18 000 футов, будет снижаться к северу и югу, в конечном итоге касаясь земли ближе к холодным зонам. Уровни для других температур, выше и ниже точки замерзания, аналогично наклонены вниз от экватора к северу и югу. Очевидно, что эти изотермические уровни варьируются в зависимости от сезона и в любое фиксированное время различаются на разных долготах. На плоскости любой заданной широты линия замерзания варьируется по высоте гораздо меньше, так же как и другие изотермы. Это особенно верно для полюсов и экватора, а также везде на значительной высоте. Если бы кто-то совершил путешествие вокруг земли по экватору на высоте 5 000 футов, он обнаружил бы среднюю температуру около 65° F. В умеренном поясе, следуя линии широты на той же высоте, он имел бы более низкую температуру, но все же сравнительно ровную. Средняя годовая температура всей поверхности земли составляет около 60° F.

В практической метеорологии температура наблюдается во многих точках одновременно на широком участке земной поверхности. Затем они наносятся на карту погоды, и через все точки с одинаковой температурой проводятся линии, известные как изотермы. Эти линии не только отображают поверхность земли на области с равной температурой, но также показывают направление падения или повышения температуры и скорость ее изменения в пространстве. Эта скорость называется «температурным градиентом», и при оценке прямо от изотермы к изотерме, то есть в направлении наиболее живого изменения температуры, это максимальный градиент. Такая карта очень полезна при прогнозировании погоды. Это лишь частный случай более общей карты, задуманной физиком, отображающей тепловое состояние всей атмосферы с помощью серии поверхностей равной температуры, расположенных одна над другой. Здесь, конечно, температурный градиент в любой точке — это скорость изменения температуры в пространстве в любом направлении, равная нулю вдоль изотермической поверхности и наибольшая по нормали к ней.

Вертикальный температурный градиент представляет особый интерес, поскольку он определяет состояние равновесия жидкости в любой точке атмосферы, когда уровенные поверхности являются изотермическими. Если, например, сбалансированный аэростат или порция воздуха при начале подъема с любого уровня охлаждается быстрее, чем окружающий застойный воздух, он станет более плотным и перестанет подниматься, и в этом случае атмосферное равновесие устойчиво. Опять же, если поднимающийся газ или воздух охлаждается медленнее, чем окружающая среда, он станет менее плотным и поэтому продолжит подниматься, и в этом случае атмосферное равновесие в этой точке неустойчиво. В-третьих, если скорость охлаждения идентична для поднимающегося газа и окружающей его среды, равновесие нейтрально, и движение будет остановлено трением, но не затронуто изменением плавучести, поскольку такое изменение не может произойти. Из этих трех состояний равновесия устойчивое является доминирующим выше уровня перистых облаков, в то время как ниже этого уровня каждое состояние может быть обнаружено в разное время, преобладающее случайным образом во всех частях мира, но чаще — устойчивое и нейтральное состояния. Когда неустойчивое состояние возникает в любой местности и на любом уровне, за ним обычно вскоре следует смятение или потрясение в атмосфере, пока температурный градиент не изменится на нейтральный или устойчивый.

Было проведено много наблюдений для определения изменения температуры вдоль вертикали в различных местах и в разные сезоны. По записям температуры, полученным во время 722 подъемов аэростатов около Парижа, Франция, среднее падение температуры на 1000 футов до 20 000 футов составило 2°,4 зимой, 2°,8 весной, 2°,6 летом, 2°,5 осенью и 2°,6 за год. Около Берлина было найдено 3°,1 за год из 75 подъемов аэростатов, причем скорость была почти одинаковой для половин года. Рис. 44 дает среднее значение 52 зимних и 65 летних температурных градиентов, взятых около 8 часов утра с помощью зондирующих аэростатов, запущенных в Мюнхене, Страсбурге, Траппе и Уккле. Следует отметить, что как летом, так и зимой температура быстро падает с увеличением высоты до десяти или одиннадцати километров, но выше двенадцати остается почти постоянной для всех высот. Разница в температуре летом и зимой интересна, также как и ее постепенное уменьшение с высотой. Другой поразительной особенностью является инверсия градиента, показанная на высоте двенадцати километров, где температура перестает уменьшаться и может даже увеличиваться с высотой. Эта область известна как верхний уровень инверсии атмосферы, в отличие от других уровней на высоте трех километров или ниже, известных как нижние инверсии, где температурный градиент иногда меняется на обратный, хотя это и не проиллюстрировано на диаграмме.

Таким образом, атмосфера делится на три выраженных слоя. Нижний слой, глубиной три километра, — это область турбулентности и шторма, дом тяжелых дождевых облаков, молний, порывов ветра и нерегулярных температур. Средний слой, толщиной около семи километров, ограниченный сверху и снизу верхним и нижним уровнями инверсии, является ясной областью устойчиво падающей температуры, по большей части холодной — областью далеко идущих и быстрых ветров, несущихся на восток, за исключением окрестностей экватора, и несущих на своих спинах морозные перистые облака. Верхний слой, простирающийся от перистых облаков до космической пустоты, всегда безоблачен и очень холоден, с температурой почти постоянной или, возможно, слегка увеличивающейся с высотой.

Fig. 44.—Summer and Winter Average Vertical Temperature Gradients.

Поразительной особенностью этих трех областей является то, что нижний и средний слои могут свободно перемешиваться друг с другом, но никогда с верхним, или изотермическим слоем. Благодаря своей постоянной температуре верхний слой плавает на своем соседе, как масло на воде. Если бы масса сухого воздуха была вытеснена в него снизу с естественным охлаждением из-за адиабатического расширения, такая масса была бы плотнее окружающей среды и поэтому быстро опустилась бы обратно в свое исходное положение. Таким образом, какое бы смятение ни тревожило среднюю или нижнюю область, оно может в лучшем случае взволновать пол изотермического слоя, оставляя нетронутыми кристальные глубины эмпирея.

Теперь мы можем перейти к распределению барометрического давления в атмосфере и эффекту его изменения. В целом распределение не очень равномерно, но его можно графически изобразить, нарисовав серию поверхностей, соединяющих все точки равного давления. Они называются изобарическими поверхностями. В застойной равномерно нагретой атмосфере, например, эти поверхности лежали бы одна над другой параллельно поверхности океана; но там, где существует смятение и неравномерное распределение температуры, изобарические поверхности изгибаются в холмы и впадины разнообразной формы. Эти поверхности не только отображают воздушное море на области равного давления, но также показывают направление падения или повышения давления и скорость его изменения в пространстве. Эта скорость называется «градиентом давления». При оценке прямо от поверхности к поверхности, то есть в направлении наиболее живого изменения давления, это максимальный градиент давления. Вдоль этого нормального направления воздух стремится течь с ускорением, пропорциональным градиенту. Скорость, приобретенная таким образом любой порцией воздуха при проталкивании вдоль линии падающего давления, в сочетании с его скоростью из-за других причин, дает его истинную скорость. Важнейшим соображением, следовательно, в научном изучении ветра является распределение давления.

В практической метеорологии наблюдения барометрического давления проводятся одновременно во многих точках земной поверхности, а показания затем наносятся на карту после «приведения к уровню моря». Это приведение производится путем добавления к каждому барометрическому показанию веса столба воздуха между уровнем барометра и уровнем моря согласно таблицам, подготовленным для этой цели. Линии, называемые «изобарами», затем проводятся через равные интервалы через все точки с одинаковым давлением на уровне моря, причем указанное изменение давления между последовательными изобарами на карте погоды США обычно составляет одну десятую дюйма ртутного столба. Они сразу же показывают по всему полю наблюдения горизонтальный градиент давления, приведенный к уровню моря и обычно называемый «барометрическим градиентом». В метеорологии давление, нормальное к изобаре, называется градиентом и выражается в миллиметрах ртутного столба на градус большого круга. На той же карте погоды нанесены изотермические линии и направления ветра для всех станций метеорологической службы. На основе этих данных и сообщаемых условий влажности метеоролог прогнозирует вероятную погоду на несколько часов или дней вперед.

Нельзя дать совершенно исчерпывающую формулу для барометрического давления в любом месте и на любой высоте, но можно наблюдать определенные общие законы. Там, например, где скорость воздуха увеличивается вдоль любого уровня воздушного потока, давление уменьшается, и наоборот. Таким образом, если ветер дует прямо на переднюю часть отдельно стоящего дома, скорость будет сильно замедлена в центре передней части и ускорена по обеим сторонам и над крышей, тем самым увеличивая кажущееся барометрическое давление на передней части и уменьшая его по бокам и сверху. Подобный эффект можно наблюдать, когда воздух обтекает корпус и каркас воздушных судов.

Опять же, если атмосфера над какой-либо местностью нагревается заметно сильнее, чем окружающая среда, нагретый столб стремится расшириться вверх и перелиться в вышине во всех направлениях к более прохладному соседству, тем самым уменьшая давление во всем нагретом столбе и увеличивая давление во всей окружающей атмосфере в боковом направлении. Когда этот эффект выражен, нанесенные изобары часто образуют серию замкнутых кривых вокруг нагретой области, проявляя градиент давления на нижних уровнях во всех направлениях к нагретой области. Эта группировка изобар демонстрирует знакомую область низкого давления на карте погоды. С другой стороны, если какая-либо местность охлаждается заметно сильнее, чем окружающая среда, охлажденный столб опускается, так что окружающий более теплый воздух в вышине втекает над ним, тем самым увеличивая давление над охлажденной областью и уменьшая его во всей окружающей среде. Изобары могут затем образовать серию замкнутых кривых вокруг охлажденной области с градиентом давления вдоль более высоких уровней во всех направлениях от охлажденной области. Конечно, если бы тепло было единственным фактором, нарушающим барометрическое давление земли, должен был бы существовать параллелизм между градиентами тепла и давления; но, как уже отмечалось, скорость или импульс воздушных течений также является существенным фактором в изменении линий давления.

Хорошо помнить, что, хотя основание теплого столба воздуха может из-за перелива в вышине иметь меньшее давление, чем основание холодного окружающего столба, который принимает перелив, высокая часть столба может иметь большее давление, чем одинаково высокая часть холодного. Ибо если столбы изначально имеют одинаковую температуру и давление, нагревание одного из них поднимает его уровни заданного давления выше уровней его соседа. Когда перелив начинается, происходит частичное выравнивание уровней давления, но не полное, пока поток имеет какой-либо напор.

Интересную гигрометрическую особенность этих максимумов и минимумов можно здесь заметить мимоходом. Как уже объяснялось, когда столб воздуха поднимается, он охлаждается при расширении и стремится осадить свое содержание воды в виде облака или дождя; и наоборот, когда воздух опускается, он нагревается при сжатии, тем самым приобретая большую влагоемкость и стремясь проясниться. Как следствие, области низкого давления и восходящей атмосферы обычно отмечаются облаками и осадками, в то время как области высокого давления и опускающейся атмосферы отмечаются ясной или проясняющейся погодой. В низких, влажных областях, таким образом, воздух кажется тяжелым, хотя он на самом деле легкий; в высокой и сухой области воздух кажется легким, хотя он на самом деле плотный и наиболее благоприятен для воздухоплавателей для перевозки тяжелых грузов на своих аэростатах или летательных аппаратах. Точно так же, когда воздух течет над горным хребтом, восходящий поток осаждает влагу из-за охлаждения при расширении, в то время как нисходящий поток на другой стороне спускается горячим и сухим из-за сжатия.

Характерной механической особенностью областей высокого и низкого давления является замкнутая циркуляция между ними, вовлекающая практически всю атмосферу ниже изотермического слоя. Если мы представим весь земной шар, усеянный областями высокого и низкого давления, мы можем представить воздух, устремляющийся вверх в минимумах, вытекающий наружу под изотермическим слоем, опускающийся в максимумах, а затем вытекающий наружу вдоль поверхности земли к минимумам в непрерывном цикле. Таким образом, главным образом поддерживается обширная и многообразная циркуляция атмосферы над всем миром.

В целом движение имеет вихревой характер, под чем подразумевается, что массы воздуха при течении вдоль потока претерпевают большее или меньшее изменение ориентации в пространстве, причем вращение временами настолько незначительно, что его невозможно обнаружить, а временами настолько выражено, что вызывает удивление, как в вихре. Многие из этих атмосферных вихрей, даже если они варьируются в диаметре от нескольких ярдов до сотен миль, напоминают по своему поведению вращающийся столб воды в обычном круглом бассейне, опорожняющемся через отверстие в его дне. Если вода очень спокойна, когда открывается слив, столб опускается с незаметным, если вообще есть, вращением; но если столб имеет начальный вихрь или угловую скорость, она увеличивается по мере приближения воды к оси вихря, при этом тенденция массы состоит в сохранении своего углового момента или свойства маховика. Подобное действие происходит в великих атмосферных вихрях, хотя здесь движение далеко от оси может казаться похожим на прямо дующий ветер, а не на часть обширного вихря, покрывающего тысячи квадратных миль.

Но даже если бы весь воздух устремился прямо к оси восходящего столба, как спокойная вода в бассейне, он немедленно приобрел бы вихревое движение, потому что он течет по поверхности вращающейся сферы. Отклонение, создаваемое таким образом, очевидно, наибольшее на полюсах, а для других мест равно полярному значению, умноженному на синус широты. Эффект похож на то, что происходит, когда бассейн, вращающийся вокруг вертикальной оси и несущий воду с той же угловой скоростью, открывается снизу. В этом случае вода немедленно начинает вращаться внутри бассейна, по мере того как частицы движутся к его оси.

С этими предварительными общими положениями мы можем перейти к изучению более заметных движений в атмосфере.

ГЛАВА XV

PERMANENT AND PERIODIC WINDS

Ветры мира обычно классифицируются как постоянные, периодические и непериодические в зависимости от их происхождения и характера. Их основные черты могут быть кратко очерчены.

Самым заметным и важным воздушным течением на земном шаре является постоянный двойной вихрь, играющий между экватором и полюсами. Нагретый воздух экваториального пояса, поднятый расширением, переливается под изотермическим слоем к северу и югу, тем самым увеличивая давление в более высоких широтах настолько, чтобы создать приток вдоль поверхности земли, и таким образом поддерживая вечную замкнутую циркуляцию, которая ощущается по всему земному шару. Основные черты этого движения были определены математически Феррелом и суммированы следующим образом:

«В предыдущей части этой главы было показано, что если бы все части атмосферы имели одинаковую температуру, над всеми частями земной поверхности был бы полный штиль. Но что вследствие разницы температур между экваториальными и полярными областями земного шара и вытекающего отсюда температурного градиента возникают градиенты давления и силы, которые порождают и поддерживают вертикальную циркуляцию атмосферы с движением воздуха верхних слоев атмосферы от экватора к полюсам и противотоком в нижней части от полюсов к экватору, как представлено стрелками на следующем рисунке, и что это, конечно, требует постепенного опускания воздуха из более высоких в более низкие слои в средних и высоких широтах и обратного процесса в низких широтах. Также было показано, что в случае, если бы земля не вращалась вокруг своей оси, это была бы исключительно вертикальная циркуляция в плоскостях меридианов без каких-либо восточных или западных компонентов движения в любой части; но что вследствие отклоняющих сил, возникающих из-за вращения земли, атмосфера у поверхности земли также имеет восточный компонент движения в средних и высоких широтах и обратный в низких широтах, и что скорости восточных компонентов увеличиваются с увеличением высоты, так что на больших высотах они становятся намного больше, чем у поверхности земли; в то время как скорости западных компонентов уменьшаются с увеличением высоты до определенной высоты, где они исчезают, меняют знаки и становятся восточными скоростями, теперь увеличивающимися с увеличением высоты до вершины атмосферы.