«Поэтому для геологов очень важно исследовать, является ли оно переменным или постоянным; является ли количество солнечного тепла, передаваемого Земле, всегда одинаковым в каждом годовом периоде, или какую широту допускают в этом отношении законы планетных движений.
«Сэр Джон Гершель исследовал этот вопрос удовлетворительным образом в статье, прочитанной в Геологическом обществе Лондона. Общее количество солнечной радиации, которое определяет общий климат Земли, при неизменной продолжительности года, обратно пропорционально малой оси эллипса, описываемого Землей вокруг солнца, если рассматривать ее как медленно изменяющуюся; при постоянстве большой оси и при орбите, фактически находящейся в состоянии приближения к кругу, и, следовательно, при увеличении малой оси, следует, что среднее годовое количество солнечной радиации, получаемое всей Землей, должно фактически уменьшаться. Пределы изменения эксцентриситета земной орбиты неизвестны. Поэтому невозможно точно сказать, каково могло быть количество солнечной радиации в прошлые периоды времени; однако несомненно, что если эллиптичность когда-либо была такой же большой, как у орбиты Меркурия или Паллады, температура Земли должна была быть заметно выше, чем она есть в настоящее время. Но разница в несколько градусов температуры, вызванная таким образом, слишком мала, чтобы ее можно было использовать для объяснения роста тропических растений и кораллов в полярных или умеренных зонах и других великих явлений геологии». — Из «Трактата по геологии», стр. 11, составляющего статью под этим заголовком в седьмом издании Encyclopædia Britannica. 1837 г.
МИСТЕР РОБЕРТ БЕЙКУЭЛЛ.
«Изменение формы земной орбиты, если оно значительно, могло бы изменить температуру Земли, приблизив ее к солнцу в одной части ее пути. Орбита Земли — это эллипс, почти приближающийся к кругу; расстояние от центра орбиты до любого из фокусов эллипса называется астрономами «эксцентриситетом орбиты». Этот эксцентриситет веками медленно уменьшался, или, другими словами, орбита Земли приближалась к форме идеального круга; через долгий период он снова увеличится, и возможный предел этого изменения еще не установлен. Из того, что известно об орбитах Юпитера и Сатурна, представляется весьма вероятным, что эксцентриситет земной орбиты ограничен пределами, которые исключают веру в то, что какое-либо значительное изменение средней годовой температуры земного шара когда-либо было вызвано этой причиной». — «Введение в геологию», стр. 600. 1838 г. Пятое издание.
МИССИС СОМЕРВИЛЛЬ.
«Сэр Джон Гершель показал, что эллиптическая форма земной орбиты имеет лишь ничтожную долю в создании вариации температуры, соответствующей разнице времен года». — «Физическая география», том ii., стр. 20. Третье издание.
МИСТЕР Л. У. МИЧ, магистр искусств.
«Давайте, таким образом, оглянемся на ту первобытную эпоху, когда Земля находилась в афелии в середине лета, а эксцентриситет был на своем максимальном значении — определенном Леверье близким к 0,0777. Не вдаваясь в сложные вычисления, легко увидеть, что экстремальные значения суточной интенсивности в Разделе IV изменились бы с множителем (1 ± e / 1 ± e′)², то есть 1 − 0,11 летом и 1 + 0,11 зимой. Это уменьшило бы интенсивность в середине лета примерно на 9° и увеличило бы интенсивность в середине зимы на 3° или 4°; температура весны и осени осталась бы почти неизменной. Но это само по себе не представляется адекватным для рассматриваемых геологических эффектов.
«В наши намерения здесь не входит входить в исследование того, была ли атмосфера когда-то более плотной, чем сейчас, имела ли ось Земли когда-то другой наклон к орбите, или солнце имело большую излучательную способность тепла и света. Мы также не будем пытаться спекулировать на тему первобытного тепла Земли, или планетного пространства, или предполагаемой связи земного тепла и магнетизма; или исследовать, насколько существование угольных пластов в этой широте, окаменелостей и других геологических остатков зависело от существующих причин. Предшествующее обсуждение, по-видимому, доказывает просто то, что при нынешней системе физической астрономии интенсивность солнца никогда не могла существенно отличаться от той, которая проявляется на Земле в настоящее время. Причины заметных геологических изменений должны быть иными, чем относительное положение солнца и Земли при их нынешних законах движения». — «Об относительной интенсивности тепла и света солнца». Smithsonian Contributions to Knowledge, том ix.
М. ЖАН РЕНО.
«Революция, которая могла бы вызвать в нем величайшие термометрические изменения, та, которая заставляет орбиту попеременно расширяться и сужаться и, следовательно, планету проходить в эпохи перигелия более или менее близко к солнцу, охватывает период более ста тысяч земных лет и остается заключенной в столь узких пределах, что жители должны едва замечать, что тепло убывает по этой причине с глубокой древности и будет убывать еще в течение веков, варьируясь в то же время в своем распределении в зависимости от различных времен года... Наконец, вращение оси земного шара также накладывает особый отпечаток на установление времен года, которые по очереди в каждом из двух полушарий становятся постепенно, в течение периода около двадцати пяти тысяч лет, все более единообразными или, наоборот, все более несходными. В настоящее время именно в северном полушарии царит единообразие, и хотя лето и зима там уже сейчас стремятся становиться все более резкими, не кажется сомнительным, что умеренность времен года будет производить там еще долгое время заметные эффекты. В итоге, из всех этих изменений нет ни одного, которое следовало бы стремительным курсом, ни такого, которое когда-либо достигало бы значительных величин; все они регулируются почти незаметным способом развития, и из этого следует, что годы Земли, несмотря на их виртуальную сложность, отличаются постоянством своих характеристик не только от того, что может происходить в силу тех же принципов в других планетных системах вселенной, но даже от того, что наблюдается в нескольких мирах, составляющих наш». — Philosophie Religieuse: Terre et Ciel.
М. АДЕМА.
Адема не рассматривает эффекты, которые должны были бы возникнуть в результате изменения эксцентриситета земной орбиты; он заботится только о тех, которые, по его мнению, возникают из-за нынешней величины такого эксцентриситета. Он признает, конечно, что оба полушария получают от солнца равные количества тепла в год; но, поскольку южное полушарие имеет зиму, более длинную на 168 часов, чем соответствующий сезон в северном полушарии, в последнем неизбежно происходит накопление тепла, а в первом — накопление холода. Адема также измеряет потерю тепла, понесенную южным полушарием за год, количеством часов, на которое южная зима превышает северную. «Южный полюс, — говорит он, — теряет за один год больше тепла, чем получает, потому что общая продолжительность его ночей превышает продолжительность дней на 168 часов; и обратное происходит для северного полюса. Если, например, мы возьмем за единицу среднее количество тепла, которое солнце излучает за один час, тепло, накопленное к концу года на северном полюсе, будет выражено числом 168, в то время как тепло, потерянное южным полюсом, будет равно 168 умноженным на то, насколько радиация уменьшает его за один час; так что к концу года разница в тепле двух полушарий будет представлена 336 умноженными на то, что Земля получает от солнца или теряет за час в результате радиации», [322] и к концу 100 лет разница составит 33 600 раз, а к концу 1000 лет — 336 000 раз, или равно тому, что Земля получает от солнца за 38½ лет, и так далее в течение 10 000 лет, на которые южная зима превышает по продолжительности северную. Это, по его мнению, все, что требуется, чтобы растопить лед в арктических регионах и покрыть антарктические регионы огромной ледяной шапкой. Он далее предполагает, что примерно через 10 000 лет, когда наша северная зима будет приходиться на афелий, а южная — на перигелий, климатические условия двух полушарий поменяются местами; то есть лед растает на южном полюсе, а северное полушарие окажется окутанным одной сплошной массой льда толщиной в лиги, простирающейся до умеренных широт.
Эта теория, как показано в Главе V, основана на неверном представлении о законах лучистого тепла. Потеря тепла, понесенная южным полушарием в результате радиации, вызванная большей продолжительностью южной зимы, сильно переоценена М. Адема и не могла бы привести к тем эффектам, которые он предполагает. Но мне нет нужды вдаваться в этот предмет здесь, так как читатель найдет весь вопрос подробно обсужденным в главе, упомянутой выше. Однако, безусловно, самой важной частью теории Адема является его концепция погружения суши под воду посредством полярной ледяной шапки. Он, по-видимому, был первым, кто выдвинул идею о том, что масса льда, помещенная на земной шар, скажем, например, на южный полюс, сместит центр тяжести Земли немного к югу от его прежнего положения и, таким образом, как физическое следствие, заставит море опуститься на северном полюсе и подняться на южном. Согласно Адема, по мере того как одно полушарие охлаждается, а другое становится теплее, лед на полюсе первого будет увеличиваться в толщине, а на полюсе второго — уменьшаться.
Море, как следствие, опустится в теплом полушарии, где лед уменьшается, и поднимется в холодном полушарии, где лед увеличивается. И, опять же, через 10 000 лет, когда климатические условия двух полушарий поменяются местами, море опустится в полушарии, где оно ранее поднималось, и поднимется в полушарии, где оно ранее опускалось, и так далее подобным образом на протяжении неопределенных веков.
Адема, однако, признает, что почерпнул великую концепцию погружения суши из смещения центра тяжести Земли из следующей дикой спекуляции некоего Бертрана из Гамбурга:—
«Бертран из Гамбурга, в труде, напечатанном в 1799 году и озаглавленном: Renouvellement périodique des Continents, уже высказал ту идею, что масса вод может попеременно увлекаться из одного полушария в другое перемещением центра тяжести земного шара. Но, чтобы объяснить это перемещение, он предполагал, что Земля полая и что внутри нее находится большое ядро из магнита, которому кометы своим притяжением сообщали движение туда-сюда, аналогичное движению маятника». — Révolutions de la Mer, стр. 41.
Несколько экстравагантные представления, которые Адема выдвинул в связи со своей теорией погружения, очень сильно задержали ее принятие. Среди других примечательных взглядов он предполагает, что полярная ледяная шапка покоится на дне океана и поднимается над водой на огромную высоту в двадцать лиг. Далее, он утверждает, что по мере приближения зимы к перигелию и нагревания полушария лед становится мягким и дряблым от накопленного тепла, и море, теперь начинающее подтачивать основание шапки, подмывает ее настолько, что она, наконец, остается стоять на своего рода гигантском пьедестале. Этот процесс разрушения продолжается до тех пор, пока, наконец, не наступает роковой момент, когда вся масса обрушивается в море огромными фрагментами, которые становятся плавающими айсбергами. Притяжение противоположной ледяной шапки, которая к этому времени почти достигла своей максимальной толщины, становится теперь преобладающим. Центр тяжести Земли внезапно пересекает плоскость экватора, увлекая за собой океан и неся смерть и разрушение всему на поверхности земного шара. И эти катастрофы, утверждает он, происходят попеременно в двух полушариях каждые 10 000 лет. — Révolutions de la Mer, стр. 316–328.
Теория Адема была поддержана М. Ле Оном из Брюсселя в работе под названием Périodicité des Grands Déluges. Брюссель и Лейпциг, 1858 г.
II.
ON THE NATURE OF HEAT-VIBRATIONS.[323]
From the Philosophical Magazine for May, 1864.
В весьма интересной статье о «Лучистом тепле», написанной профессором Тиндалем и прочитанной в Королевском обществе в марте прошлого года, убедительно показано, что период тепловых колебаний не зависит от состояния агрегации молекул нагретого тела; то есть, находится ли вещество в газообразном, жидком или, возможно, твердом состоянии, тенденция его молекул вибрировать в соответствии с заданным периодом остается неизменной. Сила сцепления, связывающая молекулы вместе, не оказывает никакого влияния на быстроту вибрации.
Я пришел к такому же выводу из теоретических соображений несколько лет назад, а также сделал некоторые дальнейшие выводы относительно природы тепловых колебаний, которые, по-видимому, в некоторой мере подтверждаются экспериментальными результатами профессора Тиндаля. Одним из этих выводов было то, что тепловое колебание состоит не в движении совокупной массы молекул, а в движении самих отдельных молекул. Каждая молекула, или, скорее, мы должны сказать, каждый атом, действует так, как если бы не существовало ничего другого, кроме него самого. Стоит ли атом сам по себе, как в газообразном состоянии, или связан с другими атомами, как в жидком или твердом состоянии, он ведет себя точно таким же образом. Тогда возник более глубокий вопрос, а именно: какова природа того таинственного движения, называемого теплом, принимаемого атомом? Состоит ли оно в экскурсиях через центры равновесия, внешние по отношению к самому атому? Среди физиков общепринято мнение, что это так. Но я думаю, что экспериментальные результаты, полученные профессором Тиндалем, а также некоторые другие, которые будут замечены в ближайшее время, полностью враждебны такому мнению. Отношение атома к его центру равновесия полностью зависит от состояния агрегации. Теперь, если тепловые колебания состоят в экскурсиях туда-сюда через эти центры, то период должен зависеть от состояния агрегации. Чем выше напряжение атома по отношению к центру, тем быстрее должно быть его движение. Это имеет место в отношении вибраций, составляющих звук. Чем тверже становится тело, или, другими словами, чем прочнее связаны его молекулы, тем выше высота тона. Две арфовые струны, ударенные с равной силой, будут вибрировать с равной силой, как бы они ни различались по быстроте своих вибраций. Живая сила вибрации зависит от силы удара; но быстрота зависит не от удара, а от натяжения струны.
То, что тепловые колебания не состоят в экскурсиях молекул или атомов через центры равновесия, следует также как необходимое следствие из того факта, что реальная удельная теплоемкость тела остается неизменной при любых условиях. Все изменения в удельной теплоемкости тела обусловлены различиями в количестве тепла, потребляемого на молекулярную работу против сцепления или других сил, связывающих молекулы вместе. Или, другими словами, чтобы произвести в теле не что иное, как заданное повышение температуры, требуется то же количество силы, каким бы ни было физическое состояние тела. Находится ли тело в твердом, жидком или газообразном состоянии, одно и то же повышение температуры всегда указывает на одно и то же количество силы, потребленной в простом производстве этого повышения. Теперь, если тепловые колебания состоят в экскурсиях атома туда-сюда через центр равновесия, внешний по отношению к самому себе, как обычно предполагается, то реальная удельная теплоемкость твердого тела, например, должна уменьшаться с твердостью тела, потому что увеличение силы, связывающей молекулы вместе, в таком случае имело бы тенденцию способствовать повышению быстроты вибраций.
Эти выводы не только дают нам представление о скрытой природе тепловых колебаний, но также, по-видимому, проливают некоторый свет на физическое строение самого атома. Они, по-видимому, ведут к заключению, что сам предельный атом является существенно упругим. [324] Ибо если тепловые колебания не состоят в экскурсиях атома, то они должны состоять в чередующихся расширениях и сжатиях самого атома. Это опять же противоречит обычному представлению о том, что атом является существенно твердым и непроницаемым. Но это благоприятствует современной идее о том, что материя состоит из сил сопротивления, действующих из центра.
Профессор Тиндаль в мемуаре, прочитанном в Королевском обществе «О новой серии химических реакций, производимых светом», впоследствии пришел к аналогичному выводу в отношении атомной природы тепловых колебаний. Ниже приведены его взгляды на этот предмет:—
«Здесь возникает вопрос чрезвычайной важности в молекулярной физике: — Каков реальный механизм этого поглощения и где его место?
«Я представляю, как и другие, молекулу как группу атомов, удерживаемых вместе их взаимными силами, но все еще способных к движению между собой. Пар нитрита амила следует рассматривать как совокупность таких молекул. Вопрос, который сейчас перед нами, таков: — В акте поглощения эффективны молекулы или их составляющие атомы? Передается ли живая сила перехваченных волн молекуле как целому или ее составным частям?
«Молекула как целое может вибрировать только в силу сил, действующих между ней и соседними молекулами. Интенсивность этих сил, и, следовательно, скорость вибрации, была бы в этом случае функцией расстояния между молекулами. Теперь идентичное поглощение жидкого и парообразного нитрита амила указывает на идентичный период вибрации со стороны жидкости и пара, и это, на мой взгляд, равносильно экспериментальной демонстрации того, что поглощение происходит в основном внутри молекулы. Ибо вряд ли можно предположить, если бы поглощение было актом молекулы как целого, что оно могло бы продолжать воздействовать на волны того же периода после того, как вещество перешло из парообразного в жидкое состояние». — Proc. of Roy. Soc., № 105. 1868 г.
Профессор У. А. Нортон в своем мемуаре о «Молекулярной физике» [325] также пришел к результатам, несколько схожим в отношении природы тепловых колебаний. «Будет видно, — говорит он, — что эти (мистера Кролла) идеи согласуются с концепцией строения молекулы, принятой в начале настоящего мемуара (стр. 193), и с теорией тепловых колебаний или тепловых импульсов, выведенной из нее (стр. 196)». [326]
III.
ON THE REASON WHY THE DIFFERENCE OF READING BETWEEN A THERMOMETER EXPOSED TO DIRECT SUNSHINE AND ONE SHADED DIMINISHES AS WE ASCEND IN THE ATMOSPHERE.[327]
From the Philosophical Magazine for March, 1867.