За последнее полустолетие прогресс экспериментальной философии в области погоды, хотя его результаты по большей части носят отрицательный характер, все же был достаточным, чтобы вызвать опасения филантропа. Мы разучились многим басням и ложным теориям и значительно продвинулись в том знании о своем невежестве, которое является единственным истинным фундаментом позитивной науки.
Луна была смещена с руководящего кресла, хотя у нее все еще есть свои сторонники и защитники; и бесчисленное множество второстепенных причин, как выяснилось, составляют, на строго республиканских принципах, правящую силу ветров и дождей. Та регулярность, какой бы сложной она ни была, которую разум все еще требует и ожидает даже от погоды, оказывается не столь простой, как указывают наши правила и приметы погоды; ибо действие этих бесчисленных причин настолько сложно, что повторение подобных явлений или подобных комбинаций причин в сколько-нибудь значительной степени является самым маловероятным из событий. Возможно, метеоролог в конечном итоге обнаружит, что Природа преуспела в том, что, по-видимому, действительно является ее целью, — в полном возвращении к пройденному и сведении действия той простой и регулярной системы причин, которую она вывела из хаоса, обратно к путанице деталей, из которой стерты всякий закон и регулярность.
Метеорологические наблюдения, однако, определили многие регулярные и постоянные причины и несколько регулярных явлений. Метод, применяемый в этих исследованиях, по большей части заключается в исключении посредством общих средних значений ограниченных и временных изменений в элементах погоды и определении тех изменений, которые зависят от постоянных влияний местности, сезона и постоянных или медленно меняющихся причин. Эти постоянные влияния составляют климат; и изучение климатов, таким образом, является первым шагом к решению проблемы погоды. Климаты в своих изменениях и распределении являются очень важными элементами в определении движений погоды и для метеоролога то же, что элементы планетных орбит для астронома; но, в отличие от планетных возмущений, погода совершает самые безрассудные отклонения от своих средних значений и скрывает их самой непоследовательной и непредсказуемой изменчивостью.
Удастся ли механической науке в будущем рассчитать эти возмущения климата, как мы можем назвать погоду, или она сочтет эту проблему превышающей свои возможности, она все же, несомненно, объяснит многое из того, что сейчас неясно, по мере того как наблюдения будут делать факты более отчетливыми. Мы предлагаем дать краткий общий обзор механики атмосферы в ее нынешнем состоянии и указать на природу и пределы наших знаний по этому предмету.
Среди первых замеченных и наиболее примечательных особенностей регулярности в атмосферных изменениях — постоянные, периодические и господствующие ветры. Наиболее примечательными примерами этого являются пассаты жаркого пояса, муссоны Индийского океана и господствующий юго-западный ветер наших северных умеренных широт. Из них пассаты наиболее важны для науки, так как они дают ключ к тому общему объяснению ветров, которое было впервые выдвинуто выдающимся Галлеем.
В знаменитой теории Галлея пассаты объясняются как следствие неравномерного распределения солнечного тепла в разных широтах. Воздух экватора, нагретый сильнее, чем северный или южный воздух, расширяется больше и переливается через край, двигаясь в верхних слоях атмосферы к полюсам; в то время как нижний, более холодный воздух с обеих сторон движется к экватору, чтобы сохранить равновесие. Таким образом, осуществляется обширная циркуляция. Воздух, который движется от экватора в верхней атмосфере, постепенно опускаясь к поверхности земли, в конечном итоге перестает двигаться к полюсам и возвращается в виде подпотока к экватору, где он снова поднимается и движется к полюсам.
Теперь воздух экватора, движущийся вместе с вращательным движением земли, имеет большую скорость, чем сама земля в высоких северных или южных широтах, и, следовательно, кажется, что он приобретает восточное движение в своем продвижении к полюсам. Без трения это относительное восточное движение увеличивалось бы по мере движения воздуха к полюсам и уменьшалось бы с той же скоростью по мере возвращения воздуха, пока на экваторе скорость земли и воздуха снова не стала бы равной; но трение уменьшает движение возвращающегося воздуха до скорости земли в районе тропических штилей или вблизи них; так что воздух, проходя тропики, приобретает относительное западное движение в своем дальнейшем продвижении через жаркий пояс. Юго-западное движение, возникающее таким образом между тропиком Рака и экватором, является хорошо известным пассатом.
Теперь, согласно этой теории, господствующие ветры наших умеренных широт должны были бы иметь юго-восточное движение вплоть до штилей Рака или «конских широт». Более того, вместо этих штилей должно было бы сохраняться южное движение. Но наблюдения показали, что, хотя господствующие нижние ветры нашей широты движутся на восток, все же их движение направлено скорее к северу, чем к югу; так что они, по-видимому, противоречат теории, с помощью которой объясняются пассаты.
Чтобы объяснить эти аномалии, лейтенант Мори изобрел очень остроумную гипотезу, которая опубликована в его «Физической географии моря». Он предполагает, что воздух, который проходит от экватора к полюсам в верхних слоях атмосферы, опускается к поверхности земли за пределами тропических штилей и что оттуда он движется с увеличивающимся восточным движением, появляясь в нашем северном полушарии как господствующие северо-восточные ветры. Приближаясь к полюсам со спиральным движением, воздух там, согласно этой гипотезе, поднимается в вихре и возвращается к экватору в верхней атмосфере, постепенно приобретая западное движение; пока, возвращаясь к тропикам, он снова не опускается к земле и оттуда не движется с еще более увеличивающимся западным движением в качестве пассатов. На экваторе воздух снова поднимается и, по словам лейтенанта Мори, переходит на другую сторону и проходит через аналогичный курс в другом полушарии.
Подъем воздуха на экваторе, как предполагается, вызывает экваториальные дожди; и засуха тропиков также объясняется тем опусканием воздуха в этих широтах, которое предполагает эта гипотеза.
Теперь, хотя эта гипотеза объясняет явления, она все же встретила большое сопротивление. Движения, которые предполагает лейтенант Мори, вряд ли можно объяснить, не прибегая, как это обычно бывает в таких случаях, к электричеству или магнетизму — к какой-то оккультной причине или какому-то оккультному действию известной причины. Более того, механическому философу было трудно понять, как ветры умудряются пересекать друг друга, как предполагает лейтенант Мори, на экваторе и тропиках, не вступая в «запутанные союзы». Если бы эта гипотеза была выдвинута не как физическое объяснение явлений, а, подобно эпициклам и эксцентрикам Птолемея, «для спасения видимости», ее изобретательность сделала бы честь ее автору; но, подобно эпициклам и эксцентрикам, хотя она достаточно хорошо представляет явления, она противоречит законам движения, ныне хорошо известным, которые должны быть знакомы каждому физику. Но эти спекуляции лейтенанта Мори теперь будут вытеснены новой теорией атмосферных движений, отчет о которой был представлен ее автором, г-ном Дж. Томпсоном, на недавнем собрании Британской ассоциации содействия развитию науки. [1]
[Сноска 1: Более полное обсуждение этой теории автор приберег для Королевского общества. London Athenaeum дает краткий реферат его доклада в своем отчете о заседаниях Ассоциации.]
Теория г-на Томпсона учитывает силы, до сих пор не замеченные, которые порождаются восточной циркуляцией атмосферы в высоких широтах. Он показывает, что эти силы вызывают господствующий северо-восточный подпоток наших широт, в то время как выше этого, но ниже самого высокого северо-восточного течения, воздух все еще должен двигаться на юг согласно теории Галлея.
Этот подпоток не является непосредственным следствием разницы температур, а вторичным эффектом, вызванным трением о поверхность земли и постоянным отклонением восточного движения воздуха от большого круга (по которому воздух стремится двигаться) в малый круг широты, по которому воздух фактически движется. Сила этого отклонения, измеряемая центробежной силой воздуха при его циркуляции вокруг полюса, замедляет движение от экватора и в конечном итоге полностью приостанавливает его; так что верхний воздух циркулирует вокруг в более высоких широтах, как вода может циркулировать в ведре; и воздух оттягивается от полярных областей по мере того, как это циркуляционное движение передается ему, и стремится накапливаться в средних широтах, как циркулирующая вода скапливается вокруг стенок ведра. Следовательно, в средних широтах вес воздуха больше, чем на полюсах, и это стремится вытеснить нижний воздух в более высокие широты. Центробежная сила, однако, уравновешивает это давление до тех пор, пока нижний воздух движется со скоростью верхних слоев; но поскольку трение о землю замедляет его движение и уменьшает его центробежную силу, он постепенно уступает давлению воздуха над ним и движется к полюсам. Вблизи полярных кругов он снова замедляется из-за возрастающей центробежной силы и возвращается через средние области атмосферы.
Таким образом, в каждом полушарии существуют две системы атмосферной циркуляции. Основная простирается от экватора до высоких средних широт и частично перекрывает другую, которая простирается от тропических штилей до полярных кругов. Эти две циркуляции движутся в противоположных направлениях; подобно двум колесам, когда одно передает свое движение другому через контакт их окружностей.
В средних широтах нижнее течение основной циркуляции лежит на верхнем течении вторичной циркуляции, и оба движутся вместе к экватору. Это основное нижнее течение впервые касается поверхности земли за пределами тропических штилей и, потеряв свое относительное восточное движение и теперь стремясь на запад, проявляется как пассат, очень регулярный и постоянный; в то время как верхнее вторичное течение возвращается, не достигая тропиков, в виде подпотока, и в нашей широте проявляется как господствующий северо-восточный ветер — очень слабое движение, обычно теряющееся в погодных ветрах и других возмущениях и проявляющееся отчетливо только в общем среднем значении.
Г-н Томпсон иллюстрирует эффект трения поверхности земли на восточную циркуляцию воздуха очень простым экспериментом с ведром воды. Если мы положим в ведро зерна какого-либо материала, немного более тяжелого, чем вода, а затем придадим воде вращательное движение, помешивая ее, зерна должны, благодаря центробежной силе, сообщенной им, собраться вокруг стенок ведра; но, опускаясь на дно, они на самом деле стремятся собраться в центре, увлеченные внутрь теми течениями, которые косвенно создает трение о стенки и дно.
Таким образом, прекрасная и философская теория г-на Томпсона завершает теорию Галлея и объясняет все те кажущиеся аномалии, которые до сих пор казались непримиримыми с единственным рациональным объяснением пассатов. Бездождливые штили тропиков объясняются этой теорией без того пересечения и вмешательства ветров, которые предполагает лейтенант Мори; ибо вторичная циркуляция возвращается в виде подпотока к полюсам, не достигая тропиков, а сухой нижний поток основной циркуляции проходит над тропическими широтами при своем постепенном опускании, прежде чем достигает земли в качестве пассатов.
Эти пассаты, поглощая влагу из моря, осаждают ее, когда снова поднимаются, и вызывают постоянные экваториальные дожди; и эти дожди, несомненно, стремятся гораздо сильнее, чем простое неравномерное распределение тепла, направлять ветер к экватору; ибо выпадение дождя быстро уменьшает давление воздуха и нарушает его равновесие, так что часто наблюдается, как сильные ветры дуют в сторону дождливых районов. Таким образом, в первую очередь неравномерное распределение тепла, а более непосредственно — экваториальные дожди вызывают основную циркуляцию нашей атмосферы; и это косвенно порождает вторичную циркуляцию теории г-на Томпсона. Оба эти регулярных движения, однако, сильно нарушаются, и особенно последнее, ветрами, которые вызываются местными и нерегулярными дождями.
В этих движениях и их причинах мы имеем общий контур нашего предмета, внутри которого мы должны теперь набросать погоду. Причинами атмосферного движения, которые мы до сих пор рассматривали, являются неравномерное распределение солнечного тепла, поглощение и осаждение влаги, прямое и индуктивное действие вращения земли и трения. Если к этому мы добавим приливное действие притяжения солнца и луны, мы, возможно, завершим список vera causae, которые, безусловно, оказывают более или менее общее влияние на атмосферу. Но этот короткий список достаточно длинный, как мы скоро увидим.
Если бы земля была полностью покрыта водой одинаковой глубины, ее климаты распределялись бы с большей регулярностью, а возмущения климата были бы сравнительно небольшими и регулярными; хотя даже при таких обстоятельствах все равно существовала бы тенденция к прерывистости и сложности движений из-за того влияния дождя, особый характер которого мы скоро рассмотрим.
Нерегулярное распределение суши и воды и особое действие каждой из них при передаче солнечного тепла окружающему воздуху — нерегулярное распределение равнин и гор и их различные эффекты в разных положениях и на разных высотах — распределение тепла, осуществляемое океаническими течениями, — все это стремится вызвать постоянные нарушения климата и большие нерегулярности в погоде. К этому мы должны добавить то, что астроном называет возмущающими действиями второго порядка — эффекты самих возмущений на действие возмущающих агентов — эффекты нерегулярных ветров на распределение тепла и дождя, а также на действие суши и морей, гор и равнин. Хотя такие возмущения сравнительно незначительны в движениях планет, в погоде они часто важнее первичных причин.
Совокупный и постоянный эффект всех этих возмущающих причин, первичных и вторичных, виден в том нерегулярном распределении климатов, которое иллюстрируют извилистые изотермы и пестрые карты осадков. Изотермы можно рассматривать как топографические очертания того ложа температур, по которому верхняя атмосфера течет от экватора к полюсам, пока ее нисходящая тенденция не уравновешивается центробежной силой ее восточного движения. Это нерегулярное ложе смещается из месяца в месяц, изо дня в день и даже из часа в час; и линии, которые нарисованы на картах, являются лишь средними значениями за год или сезон.
Посреди этих нерегулярных, но непрерывных агентов дождь вносит особую прерывистость и превращает нерегулярность в разлад. Мы показали, что дождь является непосредственной причиной ветра; но как образуется сам дождь? Для столь заметного эффекта мы естественно ищем особую причину; но никакой адекватной единой причины никогда не было обнаружено. Комбинация многих условий, вероятно, необходима, таких как особое распределение тепла, влаги и атмосферных движений; хотя непосредственной причиной выпадения дождя, несомненно, является подъем и последующее расширение и охлаждение насыщенного воздуха.
Ветры, которые дуют туда и сюда, тщетно пытаясь восстановить равновесие атмосферы, обременяют себя влагой, которую они поглощают из морей; и эта влага поглощает их тепло, замедляет их движение и медленно изменяет силы, которые их побуждают. Теперь, когда насыщенный воздух, простирающийся далеко над поверхностью земли и переносимый в своих движениях еще выше, освобождается от вышележащего веса воздуха, он становится разреженным, и его температура и способность к влаге одновременно уменьшаются; его влага, внезапно осаждаясь, проявляется как облако, частицы которого собираются в дождевые капли и падают на землю. Таким образом, воздух внезапно теряет большую часть своего веса, и вместо того, чтобы восстановить равновесие в потревоженной атмосфере, он вводит новый источник возмущения. Хотя вес воздуха уменьшается из-за выпадения дождя, объем увеличивается из-за расширяющей силы скрытого тепла, которое высвобождают конденсированные пары. Таким образом, дождливый воздух расширяется вверх и течет наружу, и, будучи уже не в состоянии уравновесить давление окружающего воздуха, он уносится еще выше вдуваемыми ветрами, которые в свою очередь поднимаются и продолжают процесс, часто распространяя шторм на огромные территории. Сила этих движений измеряется частично силой высвобожденного скрытого тепла, а частично механической мощностью дождя, очень малая доля которого составляет водную энергию всех наших рек. Столь плодотворный источник возмущения, порожденный столь незначительной случайностью, как восходящее движение насыщенного воздуха, расширенного собственным действием до такой степени, столь внезапный и прерывистый в своем действии, столь неясный в своем происхождении и столь отчетливый в своих эффектах — такое явление бросает вызов силам математического предсказания и поднимает все ветры на мятеж.
Шторм не только нарушает нижние ветры, но его влияние доходит даже до верхних движений. Внезапное расширение и подъем дождливого воздуха задерживают эти движения, которые впоследствии реагируют как сильные ветры.
Силы, накопленные постепенным подъемом пара и его поглощением тепла, а затем внезапно проявленные в механической форме эффектами дождя, дают иллюстрацию того принципа сохранения и экономии энергии, примеров которого так много в современной науке. Никакая энергия никогда не уничтожается. Будь то проявленная как тепло или механическая сила, в продуктах и силах химического или жизненного действия, в движении или в измененных условиях движения — будь то преобразованная ростом растений в топливо или в пищу и снова превращенная в тепло путем сгорания или жизненных процессов и выведенная как механическая энергия в паровой машине или в лошади — это все та же энергия, и она измеряется в каждой из своих форм неизменным стандартом. Она впервые появляется как тепло солнца, и часть его сразу же уходит обратно в пространство, в то время как остальное проходит сначала через серию трансформаций. Часть превращается в движущиеся ветры или в суспендированный пар, а часть — в топливо или пищу. Из условий движения она превращается в движение; из движения она превращается трением или сопротивлением в тепло, электрическую силу, молекулярные вибрации или в новые условия движения, и, проходя свой курс изменений, она остается вовлеченной в свои постоянные эффекты или уходит в пространство как тепло.