Мы полагаем, что эта связь, хотя должно быть к нашему пониманию много того, что является неопределенным и сомнительным в прослеживании ее деталей, является все же точкой, где мы можем воспринимать глубокие и всеобъемлющие отношения, установленные советом и предусмотрительностью мудрого и доброго Создателя мира и человека, которым прогресс и возвышение человеческого вида не были ни не предусмотрены, ни не заботливы.
4. Мы проследили в разнообразии организованных существ адаптацию к разнообразию климатов, обеспечение для поддержания человека по всему земному шару и инструмент для продвижения цивилизации и многих сопутствующих выгод. Мы не рассматривали это разнообразие как само по себе цель, которую мы можем воспринимать или понимать без ссылки на какую-то дальнейшую цель. Многие люди, однако, и особенно те, кто уже имеет привычку относить мир к его Создателю, вероятно, увидят что-то достойное восхищения само по себе в этом огромном разнообразии созданных вещей. Действительно, есть что-то хорошо приспособленное для производства и подтверждения благоговейного удивления в этих по-видимому неисчерпаемых запасах новых форм бытия и способов существования; фиксированность законов каждого класса, его отчетливость от всех других, его отношения ко многим. Структуры и привычки и характеры выставлены, которые связаны и различаются в соответствии с каждой мыслимой степенью субординации и аналогии, в их сходствах и в их различиях. Каждая новая страна, которую мы исследуем, представляет нам новые комбинации, где возможные случаи кажутся исчерпанными; и с новыми сходствами и различиями, сконструированными как будто чтобы ускользнуть от того, что догадка могла бы натолкнуться, исходя из старых. Большинство тех, кто имеет любую большую часть природы, доведенную до их внимания в этой точке зрения, приведены к чувству, что есть в таком творении гармония, красота и достоинство, впечатление от которых является непреодолимым; которое отсутствовало бы в любой более единообразной и ограниченной системе, такой как мы могли бы попытаться вообразить; и которое само по себе дает устройствам, посредством которых такое разнообразие на поверхности Земли произведено, характер хорошо разработанных средств к достойной цели.
ГЛАВА VIII. Составляющие климата.
Мы говорили об устойчивом среднем значении климата в каждом месте, о различии этого среднего значения в разных местах и об адаптации организованных существ к этому характеру в законах стихий, которыми они затронуты. Но эта устойчивость в общем эффекте стихий является результатом чрезвычайно сложного и обширного механизма. Климат в своем более широком смысле не является одним единственным агентом, но является совокупным результатом большого количества различных агентов, управляемых разными законами, производящими эффекты различных видов. Устойчивость этого сложного воздействия не является устойчивостью постоянного состояния, подобного телу в покое; но это устойчивость состояния постоянного изменения и движения, последовательности и чередования, кажущегося случая и нерегулярности. Это вечный покой, объединенный с вечным движением; неизменное среднее значение самых переменных величин. Теперь способ, которым такое состояние дел произведено, заслуживает, мы полагаем, более близкого рассмотрения. Может быть полезно показать, как частные законы действия каждого из элементов климата так приспособлены, что они не нарушают это общее постоянство.
Основными составляющими климата являются следующие: температура Земли, воды, воздуха; распределение водяного пара, содержащегося в атмосфере; ветры и дожди, посредством которых равновесие атмосферы восстанавливается, когда оно в какой-либо степени нарушено. Эффекты света, электричества, вероятно, других причин также, без сомнения, важны в экономии растительного мира, но эти воздействия не были сведены научными исследователями к таким законам, чтобы допустить их рассмотрение с той же точностью и уверенностью, которую мы можем получить в случае тех, что упомянуты первыми.
Мы продолжим прослеживать некоторые из особенностей в законах различных физических агентов, которые находятся в действии на поверхности Земли, и способ, которым эти особенности влияют на общий результат.
Законы тепла в отношении Земли.
Одной из главных причин, которые определяют температуру каждого климата, является эффект солнечных лучей на твердую массу Земли. Законы этой операции были недавно установлены с значительной точностью, экспериментально Лесли, теоретически Фурье и другими исследователями. Теоретические исследования потребовали применения весьма сложных и абстрактных математических изысканий; но общий характер операции может, возможно, быть сделан легко понятным.
Земля, как и все твердые тела, передает в свои недра впечатления тепла, которые она получает на поверхности; и сбрасывает избыточное тепло со своей поверхности в окружающее пространство. Эти процессы называются теплопроводностью и излучением и имеют каждый свои установленные математические законы.
По законам теплопроводности ежедневные впечатления тепла, которые получает Земля, следуют друг за другом в недра массы, подобно волнам, которые начинаются от края канала; и подобно им, становятся все более и более слабыми по мере того, как они продвигаются, пока они не тают в общем уровне внутренней температуры. Тепло, таким образом переданное, накапливается в недрах Земли, как в резервуаре, и течет от одной части к другой этого резервуара. Части Земли вблизи экватора более нагреты Солнцем, чем другие части, и по этой причине существует вечная внутренняя теплопроводность тепла от экваториальных к другим частям сферы. И так как все части поверхности сбрасывают тепло путем излучения, в полярных регионах, где поверхность получает мало взамен от Солнца, производится постоянная трата. Существует таким образом от полярных частей вечное рассеивание тепла в окружающее пространство, которое пополняется вечным внутренним потоком от экватора к каждому полюсу.
Здесь, следовательно, есть своего рода циркуляция тепла; и количество и быстрота этой циркуляции определяют количество тепла в твердой части Земли и в каждой ее порции; и через это среднюю температуру, принадлежащую каждой точке на ее поверхности.
Если бы Земля проводила тепло более быстро, чем она это делает, неравенства температуры были бы более быстро сбалансированы, и температура почвы (ниже досягаемости годовых и суточных вариаций) отличалась бы меньше, чем она это делает. Если бы поверхность излучала более быстро, чем она это делает, поток тепла от полярных регионов увеличился бы, и температура недр земного шара нашла бы более низкий уровень; различия температуры в разных широтах увеличились бы, но средняя температура земного шара уменьшилась бы.
Нет ничего, что, насколько мы можем воспринимать, определяет обязательно, либо проводящую, либо излучающую способность Земли до ее нынешнего значения. Меры таких способностей в разных веществах различаются очень широко. Если бы Земля была шаром из чистого железа, она проводила бы тепло, вероятно, в двадцать раз лучше, чем она это делает; если бы ее поверхность была полированным железом, она излучала бы только одну шестую того, что она делает. Изменения в количестве теплопроводности и излучения гораздо меньшие, чем эти, вероятно, подорвали бы все тепловое устройство Земли и сделали бы ее непригодной для жизни любыми из ее нынешних растительных или животных обитателей.
Одним из результатов законов тепла, как они существуют в земном шаре, является то, что, благодаря их действию, тепловое состояние стремится к ограничивающему условию, которое, будучи достигнутым, остается постоянным и устойчивым, как оно есть сейчас. Осцилляции или отклонения от среднего состояния, произведенные любой временной причиной, быстро подавляются; отклонения времен года от их обычного стандарта производят только малый и преходящий эффект. Впечатление чрезвычайно жаркого дня на почву тает почти немедленно в среднее внутреннее тепло. Эффект жаркого лета, подобным же образом, вскоре теряется в своем продвижении через земной шар. Если бы это было иначе, если бы неравенства и осцилляции тепла продолжались через недра Земли, сохраняя то же значение или становясь все больше и больше, мы могли бы иметь экстремальную жару или холод одного места, появляющиеся в другом месте после долгого интервала; подобно пожару, который ползет вдоль улицы и вспыхивает в точке, удаленной от своего начала.
Представляется, следовательно, что как нынешние различия климата, так и устойчивость среднего значения в каждом месте зависят от формы нынешних законов тепла и от произвольных величин, которые определяют скорость теплопроводности и излучения. Законы таковы, чтобы обеспечить нас от увеличивающихся и разрушительных неравенств тепла; произвольные величины являются элементами, к которым приспособлен органический мир.
ГЛАВА IX. Законы тепла в отношении воды.
Способ, которым тепло передается через жидкости, совершенно отличается от способа, которым оно проходит через твердые тела; и отсюда воды поверхности Земли производят своеобразные эффекты на ее состояние в отношении температуры. Более того, вода восприимчива к испарению в степени, зависящей от увеличения тепла; и вследствие этого свойства она имеет самые обширные и важные функции для выполнения в экономии природы. Мы рассмотрим некоторые из обязанностей этой жидкости.
1. Тепло передается через воду, не будучи проводимым от одной части жидкости к другой, как в твердых телах, но (по крайней мере главным образом) будучи переносимым с частями жидкости посредством кишечного движения. Вода расширяется и становится легче от тепла, и, следовательно, если верхние части охлаждены ниже подлежащей температуры, эта верхняя порция станет тяжелее, чем та, что ниже, объем за объем, и опустится через нее, в то время как нижняя порция поднимется, чтобы занять верхнее место. Таким образом, более холодные части опускаются, а более теплые части поднимаются посредством противоположных токов, и посредством их обмена и смеси, сводят целое к температуре по крайней мере такой же низкой, как та, что у поверхности. И это выравнивание температуры посредством таких токов является операцией гораздо более быстрого характера, чем медленное движение теплопроводности, посредством которого тепло ползет через твердое тело. Отсюда чередования жары и холода, как день и ночь, лето и зима, производят в воде неравенства температуры гораздо меньшие, чем те, которые происходят в твердом теле. Переданное тепло меньше, ибо прозрачные жидкости впитывают тепло очень медленно; и холод, впечатленный на поверхность, вскоре рассеивается через массу посредством внутренней циркуляции.
Отсюда следует, что океан, который покрывает столь большую часть Земли и влияет на температуру всей поверхности своим влиянием, производит эффект делания чередований жары и холода гораздо менее бурными, чем они были бы, если бы он отсутствовал. Разные температуры его верхних и нижних частей производят ток, который тянет моря, и посредством морей, воздух, к средней температуре. И этот вид циркуляции производится не только между верхними и нижними частями, но также между отдаленными трактами океана. Великий Гольфстрим, который вырывается из Мексиканского залива и бежит через Атлантику к западным берегам Европы, несет с собой порцию тропического тепла в северные регионы: и возвращающийся ток, который опускается вдоль побережья Африки, стремится охладить части, более близкие к экватору. Велика как разница температуры в разных климатах, она была бы еще больше, если бы не было этой выравнивающей и модерирующей силы, оказываемой постоянно по всей поверхности. Без этого влияния вероятно, что две полярные порции Земли, которые заперты в вечном льду и снегу и почти лишены жизни, были бы гораздо увеличены.
Мы находим иллюстрацию этого эффекта океана на температуру в особенностях климатов морских трактов и островов. Климат таких порций Земли, исправленный в некоторой мере температурой соседнего моря, является более ровным, чем тот, что у мест в тех же широтах, иначе расположенных. Лондон прохладнее летом и теплее зимой, чем Париж.
2. Вода расширяется от тепла и сжимается от холода, как уже было сказано; и вследствие этого свойства самые холодные порции жидкости обычно занимают нижние части. Продолжающееся продвижение холода производит замерзание. Если бы, следовательно, закон, только что упомянутый, был строго истинным, нижние части воды были бы первыми замерзшими; и будучи однажды замерзшими, едва ли какое-либо тепло, приложенное к поверхности, могло бы расплавить их, ибо теплая жидкость не могла бы опуститься через более холодные части. Это настолько так, что в сосуде, содержащем лед на дне и воду на верху, Румфорд заставил верхнюю жидкость кипеть, не оттаивая замерзший пирог внизу.
Теперь, закон воды в отношении тепла, действующий таким образом, был бы очень неудобным, если бы он получил место в наших озерах и морях. Они все имели бы слой льда, увеличивающийся с каждым случаем, пока целое не было бы заморожено. Мы не могли бы иметь тел воды, кроме таких луж на поверхностях этих ледяных резервуаров, которые летнее солнце могло бы оттаять, чтобы быть снова замороженными до дна с первой морозной ночью. Закон регулярного сжатия воды от холода, пока она не стала льдом, был бы, следовательно, разрушительным для всей полезности наших морей и озер. Как это неудобство предотвращено?
Это предотвращено модификацией закона, которая имеет место, когда температура приближается к этому пределу. Вода сжимается от увеличения холода, пока мы не приходим близко к температуре замерзания; но затем, посредством дальнейшего увеличения холода, она сжимается не более, но расширяется до точки, при которой она становится льдом. Она сжимается при охлаждении до 40 градусов термометра Фаренгейта; при охлаждении далее она расширяется, и когда охлаждена до 32 градусов, она замерзает. Отсюда, наибольшая плотность жидкости находится при 40 градусах, и вода этой температуры, или близко к ней, будет лежать на дне с более холодной водой или со льдом, плавающим над ней. Как бы ни была охлаждена поверхность, вода холоднее 40 не может опуститься, чтобы вытеснить воду теплее самой себя. Отсюда мы никогда не можем иметь лед, сформированный на дне глубокой воды. При приближении к точке замерзания самая холодная вода поднимется к поверхности, и замерзание произойдет там; и лед, так сформированный, останется на поверхности, подверженный теплу солнечных лучей и воздуха, и не переживет никакого долгого продолжения такого действия.
Другая особенность в законах, которые регулируют действие холода на воду, заключается в том, что в самом акте замерзания происходит дальнейшее внезапное и значительное расширение. Многие люди будут знать случаи сосудов, разорванных замерзанием воды в них. Следствием этого расширения является то, что удельный вес льда меньше, чем у воды любой температуры; и он, следовательно, всегда плавает в незамерзшей жидкости. Если бы это расширение кристаллизации не существовало, лед плавал бы в воде, которая была ниже сорока градусов, но тонул бы, когда жидкость была выше этой температуры: как дело обстоит, он плавает при всех обстоятельствах. Ледяные остатки эффектов зимы, которые река несет вниз по своему потоку, видны на ее поверхности, пока они не растают; и айсберги, которые отделены от берегов полярных морей, дрейфуют вдоль, подверженные солнцу и воздуху, так же как воде, в которую они погружены.
Эти законы эффекта температуры на воду являются поистине замечательными в их адаптации к благотворному ходу вещей на поверхности Земли. Вода сжимается от холода; она таким образом выравнивает температуру разных времен и мест; но если бы ее сжатие было продолжено всю дорогу до точки замерзания, она связала бы большую часть Земли в оковы льда. Сжатие затем здесь заменено расширением, способом, который лишь слегка модифицирует прежние эффекты, в то время как он полностью предотвращает плохие последствия. Дальнейшее расширение, которое имеет место в точке замерзания, еще далее облегчает быстрое удаление ледяных цепей, в которых части поверхности Земли в определенные времена года связаны.
Мы не знаем, насколько эти законы расширения связаны с и зависят от более отдаленных и общих свойств этой жидкости, или всех жидкостей. Но мы не имеем причины верить, что, какими бы средствами они ни действовали, они не являются законами, выбранными из среди других законов, которые могли бы существовать, как в факте для других жидкостей другие законы существуют. И мы имеем все свидетельство, которое самое замечательное содействие важных целей может дать нам, что они выбраны, и выбраны с благотворным замыслом.
3. Как вода становится льдом от холода, она становится паром от тепла. В обычном языке пар — это имя, данное испарению горячей воды; но в факте испарение или пар поднимается от воды при всех температурах, как бы низко, и даже от льда. Расширяющаяся сила этого пара увеличивается быстро, как увеличивается тепло; так что когда мы достигаем тепла кипящей воды, он действует гораздо более поразительным образом, чем когда он холоднее; но во всех случаях поверхность воды покрыта атмосферой водяного пара, давление или напряжение которого ограничено температурой воды. К каждой степени давления в паре есть соответствующая составляющая температура. Если поверхность воды не нажата паром с силой, таким образом соответствующей ее температуре, немедленное испарение восполнит дефицит. Мы можем сравнить напряжение такого пара с тем, что у нашей обычной атмосферы; давление последней измерено барометрической колонной, около тридцати дюймов ртути; то, что у водянистого пара, равно одному дюйму ртути при составляющей температуре 80 градусов, и одной пятой дюйма, при температуре 32 градуса.
Отсюда, если бы та часть атмосферы, которая состоит из обычного воздуха, была уничтожена, все еще осталась бы атмосфера водяного пара, возникающая от вод и влажных частей Земли; и в существующем состоянии вещей этот пар поднимается в атмосфере сухого воздуха. Его распределение и эффекты материально затронуты транспортным средством, в котором он таким образом переносится, как мы будем в дальнейшем замечать; но в настоящее время мы должны заметить чрезвычайную полезность воды в этой форме. Мы замечаем, насколько подходящим и незаменимым для благополучия творения является то, что жидкость должна обладать свойством принимать такую форму при таких обстоятельствах.