«Климат и время в их геологических отношениях»

Значительная часть воды из полярных областей, несомненно, покидает эти регионы в виде поверхностных течений; но поверхностное течение такого рода, встречая некоторое сопротивление своему дальнейшему продвижению вдоль поверхности, будет погружаться вниз и продолжать свой путь в качестве глубинного течения. Мы имеем пример этого в случае полярного течения, которое при встрече с Гольфстримом у берегов Ньюфаундленда разделяется — часть его погружается вниз и продолжает свой путь под этим течением в Мексиканский залив и Карибское море. А то, что это глубинное течение является реальным и ощутимым течением в собственном смысле этого слова, а не незаметным перемещением воды, доказывается тем фактом, что крупные айсберги, глубоко погруженные в него, часто переносятся на юг со значительной скоростью вопреки объединенной силе ветра и Гольфстрима.

Доктор Карпентер довольно подробно (§ 134) ссылается на мнение мистера Митчелла относительно происхождения полярного течения, которое совпадает с мнением, выдвинутым Мори, а именно: побудительной причиной является разница в удельном весе. Но хотя доктор Карпентер и цитирует мнение мистера Митчелла, он, тем не менее, по-видимому, не принимает его: ибо в §§ 90–93 и в различных других местах он четко заявляет, что не согласен с точкой зрения лейтенанта Мори о том, что Гольфстрим и полярное течение вызваны разницей в плотности. Фактически, доктор Карпентер, по-видимому, особенно стремится к тому, чтобы было ясно понято, что он не согласен с теорией, поддерживаемой Мори. Но он не просто отрицает, что Гольфстрим и полярное течение могут быть вызваны разницей в плотности; он даже заходит так далеко, что утверждает, будто никакое заметное течение вообще не может быть обусловлено этой причиной, и приводит авторитет сэра Джона Гершеля в поддержку этого мнения: «Учение лейтенанта Мори, — говорит он, — было решительно и убедительно опровергнуто сэром Джоном Гершелем, который вне всяких разумных сомнений показал, во-первых, что Гольфстрим действительно берет свое начало в движущей силе пассатов, и, во-вторых, что величайшее нарушение равновесия, которое можно предположить в результате воздействия сил, на которые ссылается лейтенант Мори, было бы совершенно недостаточным для возникновения и поддержания как Гольфстрима, так и любого другого заметного течения» (§ 92). Поскольку таково убеждение доктора Карпентера, несколько странно, что он выдвигает случай прохождения полярного течения под Гольфстримом в качестве доказательства в пользу своей теории; ибо в действительности он вряд ли мог выбрать случай, более враждебный этой теории. Короче говоря, очевидно, что если полярное течение, движимое силой, отличной от силы тяжести, может пройти от берегов Ньюфаундленда до Мексиканского залива (расстояние в несколько тысяч миль) под течением, движущимся в противоположном направлении и при этом столь мощным, как Гольфстрим, то оно могло бы гораздо легче пройти под сравнительно спокойной водой или водой, движущейся в том же направлении, что и оно само. А если это так, то все наши трудности исчезают, и мы удовлетворительно объясняем присутствие холодной полярной воды на дне межтропических морей, не прибегая к гипотезе, выдвинутой доктором Карпентером.

Но у нас есть пример глубинного течения, еще более необъяснимого с точки зрения гипотезы гравитации, чем даже полярное течение, а именно: теплое глубинное течение в проливе Дэвиса.

Существует сильное течение, текущее на север из Атлантики через пролив Дэвиса в Северный Ледовитый океан под поверхностным течением, проходящим на юг в противоположном направлении. Наблюдали, как крупные айсберги переносились на север этим глубинным течением со скоростью четыре узла в час против ветра и поверхностного течения, с ужасающей силой прокладывая себе путь сквозь толстый поверхностный лед. Течение, столь мощное и быстрое, как это, не может, как признает доктор Карпентер, быть отнесено на счет разницы в удельном весе. Но даже если предположить, что это возможно, все же разница температур между экваториальными и полярными морями не объяснила бы его; ибо рассматриваемое течение течет в неправильном направлении. И ничуть не поможет делу принятие объяснения Мори, а именно: что теплое глубинное течение с юга вследствие своей большей солености плотнее, чем холодное из полярных областей. Ибо если вода Атлантики, несмотря на свою более высокую температуру, вследствие своей большей солености настолько плотнее полярной воды к западу от Гренландии, что создает глубинное течение со скоростью четыре узла в час в направлении полюса, то, безусловно, то же самое в определенной степени будет справедливо и в отношении океана на восточной стороне Гренландии. Таким образом, вместо того чтобы, как полагает доктор Карпентер, существовал подток полярной воды на юг в Атлантику в силу ее большей плотности, должен, напротив, существовать поверхностный поток вследствие ее меньшей плотности.

Истинное объяснение, несомненно, заключается в том, что теплое глубинное течение с юга и холодное верхнее течение с севера являются частями одной грандиозной системы циркуляции, создаваемой ветрами, причем разница в удельном весе не играет никакой роли ни в побуждении течений, ни в определении того, какое из них будет верхним, а какое нижним.

Ветер в заливе Баффина и проливе Дэвиса дует почти всегда в одном направлении, а именно с севера. Тенденция этого заключается в создании поверхностного или верхнего течения с севера вниз в Атлантику и в предотвращении или замедлении любого поверхностного течения с юга. Теплое течение из Атлантики, выбирая путь наименьшего сопротивления, ныряет под полярное течение и продолжает свой путь в качестве глубинного течения.

Мистер Клементс Маркем в своей книге «Порог неизвестного региона» склонен приписывать движение айсбергов приливному действию или встречным глубинным течениям. То, что движение айсбергов нельзя разумно приписать приливам, на мой взгляд, очевидно из описаний, данных как мичманом Гриффином, так и капитаном Дунканом, которые отчетливо видели, как айсберги двигались со скоростью около четырех узлов в час против поверхностного течения, текущего на юг. И капитан Дункан заявляет, что айсберги продолжали свой путь на север в течение нескольких дней, пока в конечном итоге не исчезли. Весьма вероятно, что это северное течение состоит частично из воды Гольфстрима и частично из той части полярной воды, которая, как предполагается, огибает мыс Фарвель с восточного побережья Гренландии. Этот поток, состоящий как из теплой, так и из холодной воды, достигнув примерно 65° с. ш., где он сталкивается с сильными северными ветрами, погружается под полярное течение и продолжает свой путь на север в качестве глубинного течения.

К западу от Шпицбергена, как уже отмечалось, мы имеем аналогичный пример теплого течения с юга, проходящего под полярным течением. Часть Гольфстрима, которая огибает западное побережье Шпицбергена, течет под арктическим течением, спускающимся с севера; и делает она это, несомненно, потому, что находится здесь в области преобладающих северных ветров, которые благоприятствуют полярному течению, но противодействуют Гольфстриму. Далее, у нас есть холодное и быстрое течение, огибающее восток и юг Шпицбергена, течение, о котором мистер Ламонт утверждает, что он уверен, что видел, как оно движется со скоростью семь или восемь миль в час. Это течение при встрече с Гольфстримом около северного входа в Немецкое море погружается под это течение и продолжает свой путь на юг в качестве глубинного течения.

Можно было бы привести несколько других случаев глубинных течений, которые невозможно объяснить теорией гравитации и которые должны быть отнесены к системе океанической циркуляции, создаваемой импульсом ветра; но этого будет достаточно, чтобы показать, что предположение о том, что ветры могут создавать лишь поверхностный дрейф, прямо противоречит фактам. И не следует утверждать, что течение, которое является частью общей системы циркуляции, создаваемой импульсом ветров, не может быть глубинным течением; ибо в упомянутом случае у нас есть доказательство того, что это не только возможно, но и действительно существует. Этот момент, однако, будет лучше понят после того, как мы рассмотрим доказательства в пользу общей системы океанических течений.

Большая часть трудностей, возникающих при понимании того, как глубинные течения могут создаваться ветром или как импульс, сообщенный поверхности океана, может когда-либо передаться на дно, по-видимому, по крайней мере в значительной степени, проистекает из небольшого обмана воображения. То, что наиболее сильно впечатляет нас в отношении океана, — это его огромная глубина. Средняя глубина, скажем, в три мили производит поразительное впечатление; но если бы мы могли представить себе обширную площадь океана так же правильно, как его глубину, то впечатление мелководья, а не глубины, было бы тем, что возникло бы в результате. Если бы при переходе через луг мы обнаружили водоем диаметром сто ярдов и глубиной всего в дюйм, мы не назвали бы это глубоким, а очень мелким прудом. Вероятно, мы назвали бы это просто участком земли, покрытым тонким слоем воды. Тем не менее, такой тонкий слой воды был бы правильным представлением океана в миниатюре; ибо океан по отношению к своей поверхностной площади так же мелок, как пруд в нашей иллюстрации. В отношении такого пруда или тонкой пленки воды нам нетрудно представить, как возмущение на его поверхности передалось бы на дно. Фактически, наша трудность заключается в том, чтобы представить, как любое возмущение, распространяющееся по всей его поверхности, не должно распространяться до дна. Теперь, если бы мы могли сформировать столь же точное чувственное впечатление об обширной площади океана, как о таком пруде, все наши трудности в понимании того, как импульсы ветра, действующие на обширную площадь океана, должны передавать движение до самого дна, исчезли бы. Безусловно верно, что внезапные волнения, вызванные штормами, обычно не распространяются на большие глубины. Также и ветры непродолжительного действия не создадут течения, распространяющегося далеко под поверхностью. Но преобладающие ветры, которые могут создавать такой огромный поверхностный поток, как великие экваториальные течения земного шара и Гольфстрим, следующие определенным направлениям, должны передавать свое движение на большие глубины, если только вода не лишена трения, а это не так. Предположим, что верхний слой океана приводится в движение прямым воздействием ветров с постоянной скоростью, скажем, четыре мили в час, слой непосредственно под ним будет увлекаться с постоянной скоростью, несколько меньшей, чем четыре мили в час. Слой непосредственно под этим вторым слоем, в свою очередь, также будет увлекаться с постоянной скоростью, несколько меньшей, чем слой над ним. То же самое будет происходить в отношении каждого последующего слоя, причем постоянная скорость каждого слоя будет несколько меньше, чем у слоя непосредственно над ним, и больше, чем у слоя под ним. Вопрос, который предстоит решить, заключается в том, на какой глубине прекратится всякое движение? Я полагаю, что в настоящее время у нас недостаточно данных для надлежащего определения этого момента. Глубина будет зависеть, при прочих равных условиях, от величины молекулярного сопротивления, оказываемого водой движению — иными словами, от величины силы сдвига одного слоя относительно другого. Тот факт, однако, что движение, сообщенное поверхности, будет распространяться на большие глубины, может быть легко показан прямым экспериментом. Если постоянное движение сообщается поверхности воды, скажем, в сосуде, движение в конечном итоге будет передано на дно, независимо от того, насколько широким или глубоким может быть сосуд. Тот же эффект будет иметь место независимо от того, имеет ли сосуд глубину 5 футов или 500 футов.

Известное состояние океана несовместимо с гипотезой доктора Карпентера. — Доктор Карпентер говорит, что он с большим удовлетворением ожидает результатов исследований, проводимых Экспедицией кругосветного плавания, в надежде, что выявленные факты могут подтвердить его теорию общей океанической циркуляции; и он уточняет некоторые из этих фактов, которые, если они окажутся верными, подтвердят его теорию. Мне, однако, кажется, что факты, на которые он ссылается, объясняются теорией глубинных течений точно так же, как и теорией общей океанической циркуляции. Он начинает с того, что говорит: «Если выдвинутые мною взгляды верны, можно ожидать, что вблизи границы великого антарктического ледяного барьера температура ниже 30° будет встречаться (как это было у Парри, Мартенса и Вейпрехта вблизи Шпицбергена) на небольшой глубине под поверхностью, и что вместо повышения на еще больших глубинах термометр будет опускаться почти до точки замерзания соленой воды» (§ 39).

Доктор Карпентер вряд ли может претендовать на это как на доказательство в пользу своей теории; ибо вблизи границ ледяного барьера от воды, как само собой разумеющееся, нельзя ожидать гораздо более высокой температуры, чем у самого льда. И если наблюдения проводятся в летние месяцы, температура воды на поверхности, несомненно, окажется выше, чем на дне; но если они будут проводиться зимой, температура поверхности, несомненно, окажется такой же низкой, как и температура дна. Это результаты, которые не зависят от какой-либо конкретной теории океанической циркуляции.

«Температура дна северной части Тихого океана, — продолжает он, — послужит решающим испытанием истинности этого учения. Ибо, поскольку единственным сообщением этой обширной океанической области с арктическим бассейном является пролив, настолько мелкий, что он допускает лишь приток теплой поверхностной воды, ее глубокий холодный слой должен быть полностью получен из антарктической области; и если температура ее дна не выше, чем в южной части Тихого океана, ледниковый слой должен находиться на большей глубине к северу от экватора, чем к югу от него» (§ 39).

Это, возможно, может показать, что вода пришла из антарктических регионов, но никак не может доказать, что она пришла тем способом, который он предполагает.

«В северной части Атлантического океана, опять же, можно ожидать, что сравнительная ограниченность сообщения с арктической областью предотвратит снижение температуры ее дна до такой же низкой, как в южной части Атлантики» (§ 39). Если предположить, что температура дна южной части Атлантики окажется ниже температуры дна северной части Атлантики, этот факт будет точно так же согласуваться с теорией глубинных течений, как и с его теорией общего движения океана.

Я также совершенно не в состоянии понять, как он может воображать, что, поскольку температура дна южной части Атлантики оказывается ниже, а полярная вода лежит ближе к поверхности в этом океане, чем в северной части Атлантики, то это доказывает истинность его теории. Это положение дел точно так же согласуется, и даже более того, как будет показано в главе XIII, с моей теорией, как и с его. Когда мы рассматриваем огромное количество теплой поверхностной воды, которая, как было показано (глава V), постоянно переносится из южной части Атлантики в северную, мы легко понимаем, почему полярная вода подходит ближе к поверхности в первом океане, чем во втором. Каждый фунт воды, конечно, переходящий из южного полушария в северное, должен компенсироваться равным количеством, переходящим из северного полушария в южное. Но тем не менее теплая вода, отводимая из южной части Атлантики, замещается не непосредственно водой с севера, а тем холодным антарктическим течением, существование которого, к сожалению, слишком хорошо известно мореплавателям по огромным массам айсбергов, которые оно приносит с собой. Фактически, все эти явления объясняются принципом глубинных течений так же легко, как и теорией доктора Карпентера. Но мы должны будем вернуться к этому пункту в главе XIII, когда перейдем к обсуждению класса фактов, которые представляются совершенно непримиримыми с теорией гравитации.

Действительно, я боюсь, что даже если ожидания доктора Карпентера в конечном итоге оправдаются результатами Экспедиции кругосветного плавания, сторонники теории ветра все равно останутся непереубежденными. Фактически, директор этой экспедиции уже предложил, основываясь на теории ветра, объяснение почти всех явлений, на которые опирается доктор Карпентер; и то же самое сделал доктор Петерман, который, как хорошо известно, столь же противен теории доктора Карпентера. Доктор Карпентер обращает внимание на необходимость исследования широкого и глубокого канала, отделяющего Исландию от Гренландии. Однако наблюдения, которые уже были проведены, показывают, что почти весь канал занят, по крайней мере на поверхности, водой, текущей на юг из полярной области — направление, противоположное тому, каким оно должно быть согласно теории гравитации. Фактически, поверхность одной половины всей площади океана, простирающейся от Гренландии до Нордкапа, движется в направлении, противоположном тому, которое она должна была бы принять согласно рассматриваемой теории. Западная половина этой области занята водой, которая на поверхности течет на юг; в то время как восточная половина, которая до сих пор рассматривалась почти всеми, кроме самого доктора Карпентера и мистера Финдлея, как продолжение Гольфстрима, движется к полюсу. Движение западной половины должно быть приписано ветрам, а не гравитации; ибо она движется в неправильном направлении, чтобы ее можно было объяснить последней причиной; но если бы она двигалась в противоположном направлении, несомненно, ее движение было бы отнесено на счет гравитации. К этой причине приписывается движение восточной половины, которое происходит в правильном направлении; но почему бы не приписать это движение также импульсу ветров, тем более что направление преобладающих ветров, дующих над этой областью, совпадает с направлением воды? Если ветер может вызывать движение воды в западной половине, почему он не может делать то же самое в восточной половине?

Если существует такая разница в плотности между экваториальными и полярными водами, что она вызывает общее движение верхней части океана к полюсу, как получается, что половина воды в вышеуказанной области движется вопреки гравитации? Как получается, что в широком открытом море гравитация должна действовать так сильно в одной его половине и с таким малым эффектом в другой? Вероятно, нет сомнений в том, что ледяная вода западной половины простирается от поверхности до самого дна. И также вероятно, что донная вода движется на юг в том же направлении, что и поверхностная вода. Донная вода в таком случае двигалась бы в гармонии с теорией гравитации; но стал бы доктор Карпентер по этой причине приписывать ее движение гравитации? Стал бы он приписывать движение нижней половины гравитации, а верхней половины — ветру? Он не мог бы, в соответствии со своей теорией, приписать движение верхней половины гравитации: ибо, даже если бы ледяная вода простиралась до поверхности, это не могло бы объяснить, почему гравитация должна двигать ее на юг, а не к полюсу, как, согласно теории, она должна была бы двигаться. Он мог бы утверждать, если бы захотел, что поверхностная вода движется на юг, потому что ее увлекает вперед донная вода; но если придерживаться этого взгляда, он не имеет права утверждать, как он это делает, что ветры могут создавать лишь поверхностный дрейф. Если вязкость и молекулярное сопротивление воды таковы, что, когда нижние слои океана устремляются вперед под действием гравитации или любой другой причины, вышележащие слои, простирающиеся до поверхности, вынужденно увлекаются за ними, то по той же причине, когда верхние слои устремляются вперед под действием ветра или любой другой причины, подстилающие слои также должны увлекаться за ними.

Если состояние океана между Гренландией и северо-западным берегом Европы непримиримо с теорией гравитации, мы находим положение еще более худшим для этой теории, когда направляем наше внимание на состояние океана в южном полушарии; ибо, согласно исследованиям капитана Дюперре и других о течениях Южного океана, очень большая часть площади этого океана занята водой, движущейся на поверхности скорее в северном, чем в полярном направлении. Ссылаясь на глубокий желоб между Шетландскими и Фарерскими островами, названный им «каналом Лайтнинг», доктор Карпентер говорит: «Если мой взгляд верен, то текущий якорь, подвешенный в верхнем слое, должен иметь заметное движение в северо-восточном направлении; в то время как другой, подвешенный в нижнем слое, должен двигаться на юго-запад» (§ 40).

Любой, кто верит в северо-восточное продолжение Гольфстрима и в шпицбергенское полярное глубинное течение, о котором я уже упоминал, не удивился бы, узнав, что поверхностные слои имеют заметное северо-восточное движение, а донные слои — заметное юго-западное движение. К северо-востоку и востоку от Исландии существует общее движение холодной полярной воды в юго-восточном направлении к левому краю Гольфстрима. Эта вода, как заключает профессор Мон, «опускается под Гольфстрим и частично находит выход в нижней половине Фареро-Шетландского канала».

Рассмотрение возражения. — В журнале Nature, том IX, стр. 423, доктор Карпентер выдвинул следующее возражение против вышеизложенной теории глубинных течений: «Согласно учению мистера Кролла, вся та огромная масса воды в северной части Атлантического океана, составляющая в среднем, скажем, 1500 морских саженей в толщину и 3600 миль в ширину, температура которой (от 40° и ниже), как установлено зондированиями судна Challenger, ясно показывает, что она в основном происходит из полярного источника, есть не что иное, как отток Гольфстрима. Теперь, даже если мы предположим, что весь этот поток, проходя мимо Сэнди-Хук, продолжал бы идти в закрытый арктический бассейн, он лишь вытеснил бы эквивалентный объем воды. И поскольку, сравнивая площади поперечного сечения обоих, я нахожу, что площадь Гольфстрима составляет около 1/900-й части площади глубинного потока северной части Атлантики; и поскольку признано, что большая часть Гольфстрима возвращается в циркуляцию средней части Атлантики, и лишь его ветвь продолжает движение на северо-восток, крайняя невероятность (могу ли я не сказать невозможность?) того, что столь огромная масса воды может быть приведена в движение тем, что по сравнению с ней является лишь ручейком (северо-восточное движение которого как отдельного течения не было прослежено восточнее 30° з. д.), кажется еще более очевидной».

В этом возражении предполагаются три вещи: (1) что масса холодной воды глубиной 1500 саженей и шириной 3600 миль находится в состоянии движения к экватору; (2) что она не может быть оттоком Гольфстрима, поскольку ее площадь поперечного сечения в 900 раз больше площади Гольфстрима; (3) что эта огромная масса воды, согласно моим взглядам, приводится в движение Гольфстримом.

Поскольку это возражение имеет важное значение для рассматриваемого вопроса, я рассмотрю эти три предположения отдельно и по порядку: (1) То, что эта огромная масса холодной воды пришла первоначально из полярных областей, я, конечно, признаю, но то, что вся она находится в состоянии движения, я, безусловно, не признаю. Нет никаких оснований для такого предположения. По словам самого доктора Карпентера, нагревательная сила солнца не распространяется на большую глубину под поверхностью; следовательно, нет ничего, что могло бы нагреть эту массу, кроме тепла, проходящего через земную кору. Но количество тепла, получаемого из этого источника, настолько ничтожно, что глубинное течение из арктических областей, гораздо меньшее по объему, чем Гольфстрим, было бы вполне достаточным для поддержания массы при ледяной температуре. Принимая площадь северной части Атлантики между экватором и тропиком Рака, включая также Карибское море и Мексиканский залив, за 7 700 000 квадратных миль, а скорость, с которой внутреннее тепло проходит через поверхность земли, за ту, что приписана сэром Уильямом Томсоном, мы находим, что общее количество тепла, получаемого из земной коры вышеуказанной областью, равно примерно 88 × 10^15 фут-фунтов в день. Но эта величина равна лишь 1/894-й части тепла, переносимого Гольфстримом, при условии, что каждый фунт воды несет 19 300 фут-фунтов тепла. Следовательно, глубинного течения из полярных областей объемом не более 1/35-й части Гольфстрима было бы достаточно, чтобы поддерживать всю массу воды этой области в пределах 1° от того, какой она была бы, если бы не было тепла, получаемого из земной коры; то есть, если бы вода, переносимая глубинным течением, имела температуру 32°, внутреннее тепло не поддерживало бы массу океана в вышеуказанной области более чем на 33°. Вся площадь северной части Атлантики от экватора до полярного круга составляет около 16 000 000 квадратных миль. Глубинного течения из арктических областей объемом менее 1/17-й части Гольфстрима было бы, следовательно, достаточно, чтобы заполнить весь бассейн северной части Атлантики ледяной водой. Короче говоря, какую бы теорию мы ни приняли относительно океанической циркуляции, из нее одинаково следует как необходимое следствие, что вся масса океана ниже слоя, нагреваемого солнечными лучами, должна состоять из холодной воды. Ибо если холодная вода постоянно поступает из полярных областей либо в виде глубинных течений, либо в виде общего подтока, как предполагает доктор Карпентер, вся нижняя часть океана должна в конечном итоге заполниться холодной водой; ибо нет источника, из которого этот приток воды мог бы получить тепло, кроме земной коры. Но количество, получаемое таким образом, настолько ничтожно, что не производит никакого заметного эффекта. Например, полярного глубинного течения размером в половину Гольфстрима было бы достаточно, чтобы поддерживать всю воду земного шара (ниже слоя, нагреваемого солнечными лучами) при ледяной температуре. Внутреннего тепла было бы недостаточно при таких обстоятельствах, чтобы поддерживать массу на 1° по Фаренгейту выше температуры, которую она имела, когда покинула полярные области.

Следовательно, из этого следует, что присутствие огромной массы ледяной воды на больших глубинах океана полностью объясняется глубинными течениями, и нет необходимости предполагать, что вся она находится в состоянии движения к экватору. Фактически, само это положение вещей, для объяснения которого была разработана гипотеза общей океанической циркуляции, является необходимым следствием полярных глубинных течений. Если бы они не были полностью остановлены, физически невозможно, чтобы океан мог находиться в каком-либо ином состоянии.

Но предположим, что эта огромная масса холодной воды, занимающая большие глубины океана, находилась бы, как предполагает доктор Карпентер, в состоянии постоянного движения к экватору, и что ее площадь поперечного сечения была бы в 900 раз больше площади Гольфстрима, из этого не следовало бы, что количество воды, проходящей через эту большую площадь поперечного сечения, должно быть больше, чем протекающей через площадь поперечного сечения Гольфстрима; ибо количество воды, протекающей через эту большую площадь поперечного сечения, полностью зависит от скорости движения.

Я совершенно не в состоянии понять, как можно было предположить, что этот подток, согласно моему взгляду, приводится в движение Гольфстримом, видя, что я показал, что обратное глубинное течение в такой же степени обязано импульсу ветра, как и сам Гольфстрим.

Доктор Карпентер придает большое значение важному факту, установленному экспедицией Challenger, что большие глубины моря в экваториальных регионах заняты ледяной водой, в то время как часть, нагреваемая солнечными лучами, представляет собой лишь тонкий слой на поверхности. Мне кажется, что было бы трудно найти факт, более враждебный его теории, чем этот. Если бы не этот верхний слой нагретой воды, не было бы никакой разницы между экваториальными и полярными столбами воды, и, следовательно, не было бы ничего, что могло бы вызвать движение. Но чем тоньше этот слой, тем меньше разница и тем меньше причин для возникновения движения.

ГЛАВА IX. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕОРИИ ГРАВИТАЦИИ ОКЕАНИЧЕСКОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ. — МЕХАНИКА ТЕОРИИ ДОКТОРА КАРПЕНТЕРА.

Experimental Illustration of the Theory.—The Force exerted by Gravity.—Work performed by Gravity.—Circulation not by Convection.—Circulation depends on Difference in Density of the Equatorial and Polar Columns.—Absolute Amount of Work which can be performed by Gravity.—How Underflow is produced.—How Vertical Descent at the Poles and Ascent at the Equator is produced.—The Gibraltar Current.—Mistake in Mechanics concerning it.—The Baltic Current.

Эксперимент для иллюстрации теории. — В поддержку теории общего движения воды между экваториальными и полярными регионами доктор Карпентер приводит авторитет Гумбольдта и профессора Буффа. Я не смог найти ничего в трудах ни того, ни другого, из чего можно было бы сделать вывод, что они уделяли этому вопросу особое внимание. Гумбольдт лишь вскользь упоминает теорию, причем самым небрежным образом; а то, что профессор Буфф не исследовал этот предмет тщательно, очевидно из самой иллюстрации, процитированной доктором Карпентером из «Физики Земли». «Вода океана на больших глубинах, — говорит профессор Буфф, — имеет температуру, даже под экватором, почти приближающуюся к точке замерзания. Эта низкая температура не может зависеть от какого-либо влияния морского дна... Факт, однако, объясняется постоянным течением холодной воды, текущей из полярных регионов к экватору. Следующий хорошо известный эксперимент ясно иллюстрирует способ этого движения. Стеклянный сосуд нужно наполнить водой, в которую подмешан порошок, а затем нагреть снизу. Скоро можно будет увидеть по движению частиц порошка, что в воде возникают течения в противоположных направлениях. Теплая вода поднимается со дна через середину сосуда и растекается по поверхности, в то время как более холодная и, следовательно, более тяжелая жидкость опускается по бокам стекла».

Эта иллюстрация, очевидно, призвана показать не только форму и направление великой системы океанической циркуляции, но и способ, которым циркуляция индуцируется теплом. Несомненно, верно, что если мы приложим тепло (скажем, от спиртовой лампы) к дну сосуда, наполненного водой, вода на дне сосуда нагреется и поднимется к поверхности; и если нагрев будет продолжаться, возникнет восходящее течение теплой воды; и это, конечно, даст начало компенсирующему глубинному течению более холодной воды со всех сторон. Точно так же верно, что если бы тепло прикладывалось к дну океана в экваториальных регионах, возникло бы восходящее течение горячей воды, дающее начало глубинному течению холодной воды из полярных регионов. Но все это диаметрально противоположно тому, что на самом деле происходит в природе. Тепло прикладывается не к дну океана, чтобы сделать воду там легче, чем воду на поверхности, и тем самым создать восходящее течение; но тепло прикладывается к поверхности океана, и эффект этого заключается скорее в предотвращении восходящего течения, чем в его создании, ибо оно стремится поддерживать воду на поверхности более легкой, чем воду на дне. Чтобы показать, как тепло солнца создает течения в океане, профессор Буфф должен был приложить тепло не к дну своего сосуда, а к верхней поверхности воды. Но это еще не все, форма сосуда имеет некоторое отношение к делу. Чем шире мы делаем сосуд по отношению к его глубине, тем труднее создавать течения с помощью тепла. Но чтобы представить то, что происходит в природе, мы должны иметь в нашем сосуде такое же соотношение между глубиной и поверхностной площадью воды, какое существует между глубиной и поверхностной площадью моря. Среднюю глубину моря можно грубо принять за три мили. Расстояние между полюсами мы возьмем в круглых цифрах за 12 000 миль. Солнце, следовательно, можно рассматривать как светящее на круглое море диаметром 12 000 миль и глубиной три мили. Глубина моря к его диаметру, следовательно, относится как 1 к 4000. Предположим теперь, что в нашем эксперименте мы сделаем глубину нашего сосуда один дюйм, нам потребуется сделать его диаметр 4000 дюймов, или 333 фута, скажем, в круглых цифрах, 100 ярдов в диаметре. Давайте тогда возьмем пруд с водой диаметром 100 ярдов и глубиной один дюйм. Предположим, что вода имеет температуру 32°. Приложим тепло к верхней поверхности пруда, чтобы поднять температуру поверхности воды до 80° в центре пруда, причем температура уменьшается к краю, где она составляет 32°. Установлено, что на глубине двух миль температура воды на экваторе почти такая же низкая, как на полюсах. Мы должны, следовательно, предположить, что температура воды в центре нашего пруда уменьшается от поверхности вниз, так что на глубине полдюйма вода имеет температуру 32°. Мы имеем в этом случае тонкий слой теплой воды толщиной полдюйма в центре, постепенно сходящий на нет к краю пруда. Самая легкая вода, заметьте, находится на поверхности, так что восходящее или нисходящее течение невозможно. Единственный способ, которым приложенное тепло может иметь какую-либо тенденцию к созданию движения, заключается в следующем: нагревание воды расширяет ее, следовательно, поверхность пруда должна стоять на немного более высоком уровне в центре, чем у края, где расширения не происходит; и поэтому, чтобы восстановить уровень пруда, вода в центре будет стремиться течь к краям. Но какова величина этой тенденции? Ее величина будет зависеть от величины уклона, но уклон в рассматриваемом случае составляет всего 1 к 7 340 000.

Эксперимент доктора Карпентера. — Чтобы обойти возражение против эксперимента профессора Буффа, доктор Карпентер разработал другой способ. Но я полагаю, что его эксперимент был предназначен скорее для иллюстрации того, как происходит циркуляция океана согласно его теории, чем для доказательства того, что она действительно происходит. Во всяком случае, все, на что можно претендовать в этом эксперименте, — это доказательство того, что вода будет циркулировать вследствие разницы в удельном весе, возникающей из-за разницы температур. Но это не требует доказательств, ибо ни один физик этого не отрицает. Пункт, который требует доказательства, заключается в следующем: достаточна ли разница в удельном весе, существующая в океане, для создания предполагаемой циркуляции? Теперь его способ экспериментирования не докажет этого, если только он не приведет свой эксперимент в соответствие с уже изложенными условиями.

Но я решительно возражаю против того, чтобы вода нагревалась так, как это было сделано им в его эксперименте перед Королевским географическим обществом; ибо я чувствую некоторую уверенность в том, что в этом эксперименте циркуляция возникла не из-за разницы в удельном весе, как предполагалось, а скорее из-за способа приложения тепла. В этом эксперименте одна половина толстой металлической пластины была приведена в контакт с верхней поверхностью воды на одном конце желоба; другая половина, выступающая над концом желоба, нагревалась с помощью спиртовой лампы. Совершенно очевидно, что хотя температура большой массы воды под пластиной могла не подниматься выше 80° или около того, молекулы, находящиеся в контакте с металлом, имели бы очень высокую температуру. Эти молекулы вследствие своего расширения не могли бы опуститься в более холодную и плотную воду под ними и, таким образом, избежать тепла, которое постоянно передавалось им от нагретой пластины. Но избежать они должны, иначе их температура продолжала бы расти, пока они в конечном итоге не превратились бы в пар. Они не могут подняться, и не могут опуститься: поэтому они должны быть вытеснены теплом от пластины в горизонтальном направлении. Следующий слой молекул снизу занял бы их место и был бы вытеснен аналогичным образом, и этот процесс продолжался бы до тех пор, пока тепло прикладывалось к пластине. Таким образом, циркуляция была бы установлена прямой силой расширения пара, а не в какой-либо степени из-за разницы в удельном весе, как предполагает доктор Карпентер.

Но если предположить, что нагретый стержень заменен куском льда, циркуляция, несомненно, имела бы место; но это не доказывает ничего, кроме того, что разница в плотности создаст циркуляцию, что никто не ставит под сомнение.

Случай, упомянутый доктором Карпентером, с отопительной установкой в Лондонском университете, также неудовлетворителен. Вода выходит из котла при 120° и возвращается в него при 80°. Разница в удельном весе между водой, выходящей из котла, и водой, возвращающейся в него, предположительно создает циркуляцию. Мне кажется, что эта разница в удельном весе не имеет никакого отношения к делу. Причину циркуляции следует искать в самом котле, а не в трубах. Тепло прикладывается к дну котла, а не к верху. Какова температура молекул, находящихся в контакте с дном котла непосредственно над огнем, — это вопрос, который должен быть рассмотрен, прежде чем мы сможем прийти к справедливому определению причин, вызывающих циркуляцию в трубах отопительной установки, такой как та, на которую ссылается доктор Карпентер. Но, в дополнение к этому, поскольку тепло прикладывается к дну котла, а не к верху, вступает в игру конвекция — причина, которая, как мы обнаружим, не вступает в игру в теории океанической циркуляции, рассматриваемой нами в настоящее время.

Сила, оказываемая гравитацией. — Доктор Карпентер говорит о своем учении об общей океанической циркуляции, поддерживаемой только разницей температур, «как о том, важность которого физические географы не могли признать, пока они оставались под доминирующей идеей, что температура глубокого моря везде составляет 39°». И он утверждает, что «пока не будет ясно понято, что морская вода становится все более плотной по мере снижения ее температуры, огромная движущая сила полярного холода не может быть понята». Но в гл. VII, а также в Phil. Mag. за октябрь 1870 и 1871 годов я доказал, что если мы возьмем 39° в качестве температуры максимальной плотности, сила, оказываемая гравитацией, стремящаяся создать циркуляцию, столь же велика, как и тогда, когда мы берем 32°. Причина этого заключается в том, что когда мы берем 32° в качестве температуры максимальной плотности, хотя у нас, правда, есть большее возвышение океана над местом максимальной плотности, последнее происходит на полюсах; в то время как, с другой стороны, когда мы берем 39°, разница уровней меньше — место находится не на полюсах, а примерно на 56° широты. Теперь, более короткий уклон от экватора до 56° широты столь же крут, как и больший от экватора до полюсов, и, следовательно, гравитация оказывает столько же силы в создании движения в одном случае, как и в другом. Сэр Джон Гершель, принимая 39° за температуру максимальной плотности, оценил уклон в 1/32 дюйма на милю, тогда как мы, принимая 32° за фактическую температуру максимальной плотности полярных морей и рассчитывая по современным данным, находим, что уклон составляет не половину этой величины, и что сила гравитации, стремящаяся создать циркуляцию, гораздо меньше, чем Гершель заключил. Причина, по которой физические географы не приняли теорию о том, что океаническая циркуляция является результатом разницы температур, не могла быть той, которую приписал доктор Карпентер, а именно: что они недооценили силу гравитации, приняв 39° вместо 32° за температуру максимальной плотности.

Работа, выполняемая гравитацией. — Но чтобы ясно понять этот момент, будет лучше рассмотреть дело согласно третьему методу и рассмотреть не просто силу гравитации, побуждающую воды, а количество работы, которую гравитация способна выполнить.

Давайте тогда предположим правильность моей оценки, что высота поверхности океана на экваторе над таковой на полюсах составляет 4 фута 6 дюймов, ибо при представлении способа, которым разница в удельном весе создает циркуляцию, не имеет значения, что мы можем принять за величину уклона. Поэтому, чтобы избежать дробей фута, я возьму уклон в 4 фута вместо 4½ футов, которые есть на самом деле. Фунт воды, стекая по этому уклону от экватора к любому из полюсов, совершит 4 фут-фунта работы; или, более правильно говоря, гравитация совершит ее. Теперь очевидно, что когда этот фунт воды достиг полюса, он находится в нижней точке уклона и, следовательно, не может опуститься дальше. Гравитация, следовательно, не может совершить над ним больше никакой работы; ибо она может сделать это только тогда, когда объект, на который воздействуют, продолжает опускаться — то есть движется под воздействием приложенной силы. Но вода не будет двигаться под влиянием гравитации, если только она не движется вниз; ибо только в этом направлении гравитация действует на воду. «Но, — говорит доктор Карпентер, — эффект поверхностного холода на воду полярного бассейна будет заключаться в снижении температуры всей ее массы ниже точки замерзания пресной воды, поверхностный слой опускается по мере охлаждения в силу своего уменьшенного объема и увеличенной плотности и замещается водой, еще не охлажденной до такой же степени». Благодаря охлаждению всей массы полярной воды холодом и нагреванию воды на экваторе солнечными лучами полярный столб воды, как мы видели, становится плотнее экваториального, и чтобы они могли уравновешивать друг друга, полярный столб обязательно короче экваториального на 4 фута; и именно так образуется уклон в 4 фута. Совершенно верно, что вода, которая покидает экватор теплой и легкой, становится к тому времени, когда достигает полюса, холодной и плотной. Но если она не плотнее подстилающей полярной воды, она не опустится сквозь нее. Нам не говорят, однако, почему она должна быть холоднее всей массы под ней, которая, по словам доктора Карпентера, охлаждается полярным холодом. Но то, что он действительно предполагает, что она опускается на дно вследствие своего сжатия холодом, следовало бы из следующей цитаты:—

«Пока не будет ясно осознано, что морская вода становится все более плотной по мере понижения ее температуры и что, следовательно, она продолжает опускаться, пока не замерзнет, невозможно понять огромную движущую силу полярного холода. Но когда это четко признано, становится ясно, что воздействие холода на поверхность по своей движущей силе в точности эквивалентно воздействию тепла на дно, благодаря которому поддерживается циркуляция воды в любом нагревательном приборе, использующем этот принцип» (§ 25).

Таким образом, воздействие холода на поверхность считается эквивалентным по движущей силе воздействию тепла на дно. Однако тепло, подведенное к дну сосуда, вызывает циркуляцию посредством конвекции. Оно заставляет молекулы у дна расширяться, и они вследствие плавучести поднимаются сквозь воду в сосуде. Следовательно, если действие холода на поверхность в полярных регионах эквивалентно действию тепла, холод должен сжимать молекулы на поверхности и заставлять их опускаться сквозь массу полярной воды под ними. Но если предположить, что именно это имеется в виду в только что процитированном отрывке, насколько холоднее поверхностная вода, чем вода под ней? Допустим, разница составляет один градус. Какую же работу совершит сила тяжести над этим фунтом воды, который на один градус холоднее массы под ним, предположительно имеющей температуру 32°? Сила, с которой фунт воды будет опускаться, будет пропорциональна не его весу, а разности весов между ним и равным объемом воды, сквозь которую он опускается. Разница между весом фунта воды при 31° и равного объема воды при 32° составляет 1/29 000 фунта. Теперь этот фунт воды при опускании на глубину 10 000 футов, что примерно соответствует глубине, на которой полярная температура обнаруживается на экваторе, совершил бы работу лишь в одну треть футо-фунта. И если предположить, что он на три градуса холоднее воды под ним, то при опускании он совершил бы работу лишь в один футо-фунт. Это дало бы нам всего 4 + 1 = 5 футо-фунтов в качестве общего количества работы, которая могла бы быть совершена силой тяжести над фунтом воды с того момента, как он покинул экватор, до возвращения в точку, из которой он начал движение. Количество работы, совершаемой при спуске по склону от экватора к полюсу и при опускании на глубину около 10 000 футов сквозь полярную воду, которая считается теплее поверхностной, охватывает общее количество работы, которое сила тяжести может совершить в принципе; таким образом, количество силы, полученное благодаря такому предположению сверх той, что извлекается из наклона, ничтожно.

По-видимому, однако, это вовсе не то, что имелось в виду. Доктор Карпентер, очевидно, подразумевает следующее: когда некоторое количество воды, скажем слой толщиной в один фут, стекает от экватора к полюсу, полярная колонна становится тяжелее экваториальной на вес этого дополнительного слоя. Слой воды, равный по количеству, поэтому вытесняется со дна колонны и устремляется в направлении экватора в виде глубинного течения, при этом полярная колонна одновременно опускается на один фут, пока равновесие между полярной и экваториальной колоннами не восстановится. Еще один фут воды теперь стекает на полярную колонну, и еще один фут воды вытесняется снизу, что, конечно, заставляет колонну опуститься еще на один фут. Поскольку тот же процесс постоянно повторяется, результатом является постоянное нисходящее движение полярной колонны. Или, возможно, чтобы выразить это более точно, благодаря постоянному потоку воды из экваториальных регионов вниз по склону вес полярной колонны постоянно поддерживается в избытке по сравнению с экваториальной; поэтому полярная колонна в стремлении восстановить равновесие находится в постоянном состоянии опускания. Отсюда он называет это «вертикальной» циркуляцией. Ниже приводится теория доктора Карпентера его собственными словами:—

«Действие холода на поверхностные воды каждой полярной области будет проявляться следующим образом:—

(a) В уменьшении высоты полярной колонны по сравнению с экваториальной, так что происходит понижение ее уровня, которое может быть компенсировано только поверхностным потоком от последней к первой.

(b) В создании избытка давления колонны вниз, когда этот приток восстанавливает ее уровень, в силу увеличения удельного веса, полученного ею при уменьшении объема; вследствие чего часть ее тяжелой придонной воды вытесняется в стороны, вызывая дальнейшее понижение уровня, что влечет за собой дополнительный приток более теплой и легкой воды, текущей к ее поверхности.

(c) В придании нисходящего движения каждому новому поверхностному слою по мере того, как его температура понижается; так что можно сказать, что вся колонна находится в состоянии постоянного опускания, подобно тому, как это происходит в воде высокого сосуда, когда в его дне делается отверстие, и вода, вытекающая через него, замещается эквивалентным количеством воды, вливаемой сверху в сосуд» (§ 23).

Но если это его теория, а это очевидно так, то 4 футо-фунта (количество работы, совершаемой при спуске воды по склону) охватывают всю работу, которую сила тяжести может совершить над фунтом воды при совершении им полного круга от экватора к полюсу и от полюса обратно к экватору.

Это, я полагаю, станет очевидным из следующих соображений. Когда фунт воды стекает от экватора к полюсу, он опускается на 4 фута и оказывается у подножия склона. У силы тяжести, следовательно, нет больше возможности тянуть его вниз на более низкий уровень. Он не будет опускаться сквозь полярную воду, ибо он не плотнее воды под ним, на которой он покоится. Но можно возразить, что, хотя он и не будет опускаться сквозь полярную воду, он тем не менее сделал полярную колонну тяжелее экваториальной, и этот избыток давления выталкивает фунт воды из-под низа и позволяет колонне опуститься. Предположим, можно утверждать, что некоторое количество воды стекает от экватора, повышая уровень полярной воды, скажем, на один фут. Полярная колонна теперь станет тяжелее экваториальной на вес одного фута воды. Давление этого одного фута, таким образом, вытеснит количество воды в стороны со дна и заставит всю колонну опуститься, пока уровень равновесия не будет восстановлен. Иными словами, полярная колонна опустится на один фут. Теперь при опускании этой колонны совершается работа силой тяжести. Определенное количество работы совершается силой тяжести, заставляющей воду стекать по склону от экватора к полюсу, и, в дополнение к этому, определенное количество совершается силой тяжести при вертикальном опускании колонны.

Я охотно признаю это разумным доводом и признаю, что столько-то приходится на склон, а столько-то — на вертикальное опускание воды. Но здесь мы подходим к самому важному моменту, а именно: существует ли полный склон в 4 фута и дополнительное вертикальное движение? Доктор Карпентер, по-видимому, приходит к выводу, что существует, и что эта вертикальная сила является чем-то дополнительным к силе, которую я вывожу из наклона. И здесь, осмелюсь думать, кроется коренная ошибка, в которую он впал относительно всего этого вопроса. Следует заметить, что когда вода циркулирует из-за разности удельного веса, это вертикальное движение является такой же реальной частью процесса, как и поток вниз по склону; но я настаиваю на том, что нет никакой дополнительной силы, извлекаемой из этого вертикального движения сверх той, что извлекается из полного наклона — или, иными словами, что этот primum mobile, который, по его словам, я упустил из виду, в действительности не существует.

Возможно, следующая диаграмма поможет сделать этот момент еще более ясным:—

Fig. 1.

Пусть P (рис. 1) будет поверхностью океана на полюсе, а E — поверхностью на экваторе; P O — колонна воды на полюсе, а E Q — колонна на экваторе. Две колонны равны по весу и уравновешивают друг друга; но так как полярная вода холоднее и, следовательно, плотнее экваториальной, полярная колонна короче экваториальной, причем разница в длине двух колонн составляет 4 фута. Поверхность океана на экваторе E на 4 фута выше поверхности океана на полюсе P; следовательно, существует склон в 4 фута от E к P. Молекулы воды в E стремятся стечь по этому склону к P. Количество работы, совершаемой силой тяжести при спуске фунта воды по этому склону от E к P, составляет, следовательно, 4 футо-фунта.

Но, конечно, не может быть постоянной циркуляции, пока сохраняется полный склон. Чтобы была циркуляция, полярная колонна должна быть тяжелее экваториальной. Но любое увеличение веса полярной колонны происходит за счет склона. По мере увеличения веса полярной колонны склон становится меньше. Это, однако, не меняет количества работы, совершаемой силой тяжести.

Предположим теперь, что вода стекала до тех пор, пока к полярной колонне не добавился один фут воды, а разница уровней, конечно, уменьшилась на один фут. Поверхность океана в этом случае будет теперь представлена пунктирной линией P′ E, а склон уменьшится с 4 футов до 3 футов. Предположим тогда, что фунт воды покидает E и стекает к P′; 3 футо-фунта будет количеством совершенной работы. Поскольку полярная колонна теперь слишком тяжела на величину массы воды P′ P толщиной в один фут, ее дополнительное давление заставляет массу воды, равную P′ P, вытекать в стороны со дна колонны. Колонна поэтому опускается на один фут, пока P′ не достигнет P. Теперь над фунтом воды при этом вертикальном опускании от P′ до P силой тяжести совершается работа в один футо-фунт; это, добавленное к 3 футо-фунтам, полученным от склона, дает в сумме 4 футо-фунта при прохождении от E к P′ и затем от P′ к P. Это то же самое количество работы, которое было бы совершено, если бы он опустился прямо от E к P. Подобным образом можно доказать, что 4 футо-фунта — это количество работы, совершаемой при опускании каждого фунта воды массы P′ P. Первый фунт, покинувший E, стек прямо по склону к P и совершил 4 футо-фунта работы. Последний фунт стек по склону E P′ и совершил только 3 футо-фунта; но при опускании от P′ до P он совершил оставшийся один футо-фунт. Фунт, покинувший экватор в момент, точно промежуточный между двумя, стек по 3½ футам склона и опустился вертикально на полфута. Какой бы путь ни выбрал фунт воды, к тому времени, как он достигнет P, будет совершено 4 футо-фунта работы. Но после достижения P никакая дальнейшая работа совершена быть не может.

Но некоторые спросят относительно вертикального движения: совершается ли работа только при опускании воды от P′ до P? Вода не может опуститься от P′ до P, будут настаивать они, если вся колонна P O под ней также не опустится. Но колонна P O опускается посредством силы тяжести. Почему же тогда, спросят они, опускание колонны не является движущей силой, столь же реальной, как опускание массы воды P′ P?

То, что ни сила, ни энергия не могут быть получены из простого опускания полярной колонны P O, доказуемо следующим образом: причина, по которой колонна P O опускается, заключается в том, что вследствие массы воды P′ P, покоящейся на ней, ее вес превышает вес экваториальной колонны E Q. Но сила, с которой колонна опускается, равна не весу колонны, а весу массы P′ P; следовательно, столько же работы было бы совершено силой тяжести при опускании одной только массы P′ P (одного фута воды), сколько и при опускании всей колонны P′ O высотой 10 000 футов. Предположим, что на каждую чашу весов положен груз в одну тонну: две чаши уравновешивают друг друга. Положим фунтовый груз на одну из чаш вместе с тонным грузом, и чаша опустится. Но она опускается не под давлением тонны и фунта, а только под давлением фунтового груза. При опускании чаши, скажем, на один фут, сила тяжести может совершить только один футо-фунт работы. Подобным образом, при опускании полярной колонны единственной доступной работой является работа массы P′ P, положенной на вершину колонны. Но следует заметить, что при опускании колонны от P′ до P, на расстояние в один фут, каждый фунт воды массы P′ P не совершает одного футо-фунта работы; ибо в тот момент, когда молекула воды достигает P, она перестает совершать дальнейшую работу. Молекулы на поверхности P′ опускаются на один фут, прежде чем достичь P; молекулы на полпути между P′ и P опускаются только на полфута, прежде чем достичь P, а молекулы на дне массы уже находятся в P и, следовательно, не могут совершить никакой работы. Среднее расстояние, на которое вся масса совершает работу, составляет, следовательно, полфута. Один футо-фунт на фунт воды представляет в данном случае количество работы, полученное от вертикального движения.

Что это так, становится еще более очевидным из следующих соображений. Прежде чем полярная колонна начинает опускаться, она тяжелее экваториальной на вес одного фута воды; но когда колонна опустилась на полфута, полярная колонна тяжелее экваториальной на вес всего лишь полуфута воды; и по мере того, как колонна продолжает опускаться, сила, с которой она опускается, продолжает уменьшаться, и когда она опускается до P, сила становится равной нулю. Следовательно, среднее давление или вес, с которым опускался один фут воды P′ P, был равен давлению слоя воды в полфута; иными словами, каждый фунт воды, если рассматривать массу в целом, опускался с давлением или весом в полфунта. Но полфунта, опускающиеся на один фут, совершают полфуто-фунта; так что, рассматриваем ли мы полное давление, действующее на среднем расстоянии, или среднее давление, действующее на полном расстоянии, мы получаем один и тот же результат, а именно: полфуто-фунта в качестве работы вертикального опускания.

Теперь окажется, как мы вскоре увидим, что если мы рассчитаем среднее количество работы, совершаемой при спуске по склону от экватора к полюсу, то это будет 3½ футо-фунта на фунт воды. Вода на дне массы P P′ двигалась, конечно, по полному склону E P в 4 фута. Вода на вершине массы, которая опустилась от E до P′, прошла склон только в 3 фута. Средний спуск всей массы составляет, следовательно, 3½ фута. И это дает 3½ футо-фунта в качестве среднего количества работы на фунт воды при спуске по склону; это, добавленное к полуфуто-фунту, полученному от вертикального опускания, дает 4 футо-фунта в качестве общего количества работы на фунт массы.

В приведенных выше рассуждениях я предположил, что один фут воды накопился на полярной колонне до того, как произошло какое-либо вертикальное опускание. Излишне говорить, что к тому же выводу, а именно, что общее количество совершенной работы составляет 4 футо-фунта на фунт воды, мы пришли бы, если бы предположили, что на полярной колонне накопилось 2 фута, 3 фута или даже 4 фута воды до того, как началось вертикальное движение.

Я также, в соответствии со способом представления операции доктором Карпентером, рассматривал два эффекта, а именно: стекание воды по склону и вертикальное опускание полярной колонны как происходящие попеременно. В природе, однако, оба эффекта происходят одновременно; но излишне добавлять, что количество совершенной работы было бы тем же самым, происходили ли эффекты попеременно или одновременно.

Я также представил уровень океана на экваторе как остающийся постоянным, в то время как изменения уровня происходили на полюсе. Но при представлении операции так, как она фактически происходила бы в природе, нам следовало бы считать, что экваториальная колонна понижается по мере того, как полярная поднимается. Мы должны были бы, например, считать, что один фут воды P′ P, помещенный на полярную колонну, — это столько же, сколько снято с экваториальной колонны. Но рассматривая проблему таким образом, мы приходим к точно таким же результатам, как и прежде.

Пусть P (рис. 2), как и на рис. 1, будет поверхностью океана на полюсе, а E — поверхностью на экваторе, при этом имеется склон в 4 фута от E к P. Предположим теперь, что некоторое количество воды, E E′, скажем, толщиной в один фут, стекает с экваториальных регионов вниз на полярные. Это, таким образом, понизит уровень экваториальной колонны на один фут и повысит уровень полярной колонны на ту же величину. Я могу, однако, заметить, что один фут воды при прохождении от E к P уменьшил бы свою температуру с 80° до 32°, и это вызвало бы небольшое сжатие. Но так как вес массы не изменился бы, для упрощения наших рассуждений мы можем оставить это сжатие без внимания. Любой может легко убедиться, что предположение о том, что E E′ равно P′ P, никоим образом не влияет на рассматриваемый вопрос — единственным эффектом сжатия было бы увеличение на бесконечно малую величину работы, совершаемой при спуске по склону, и уменьшение на столь же бесконечно малую величину работы, совершаемой при вертикальном опускании. Если, например, 3 футо-фунта представляют количество работы, совершаемой при спуске по склону, и один футо-фунт — количество, совершаемое при вертикальном опускании, при условии, что E′ E не сжимается при прохождении к полюсу, то 3,0024 футо-фунта будут представлять работу склона, а 0,9976 футо-фунта — работу вертикального опускания, когда сделана поправка на сжатие. Но общее количество совершенной работы в обоих случаях одинаково. Следовательно, для упрощения наших рассуждений нам позволительно предположить, что P′ P равно E E′.