THE ATLANTIC MONTHLY.
ЖУРНАЛ ЛИТЕРАТУРЫ, ИСКУССТВА И ПОЛИТИКИ.
____________
ТОМ VI. — ИЮЛЬ 1860 Г. — № XXXIII.
____________
CONTENTS
____________
Метеорология
Клад
Легенда Мэриленда
В поисках перевала
«Скот» и «Поэт»
Еще несколько слов о Шелли
Картина Клариан
Весна
Руфус Чоат
Цареубийцы в Новой Англии
Пересмешнику
История профессора
О формировании художественных галерей
Дарвин о происхождении видов
Тщеславие
Обзоры и литературные заметки
Новые американские публикации
МЕТЕОРОЛОГИЯ
ВЗГЛЯД НА НАУКУ.
Цель этой статьи — представить в краткой и простой форме основные принципы, на которых зиждется метеорология, — впрочем, скорее в духе исследователя, нежели учителя. Ибо, несмотря на быстрый прогресс, достигнутый за последние тридцать лет, она еще далека от того, чтобы обладать авторитетом точной науки; многие из ее явлений до сих пор необъяснимы, а многие разногласия среди ученых остаются неразрешенными по вопросам, которые на первый взгляд кажутся легко решаемыми.
Метеорология продвинулась далеко за пределы своих первоначальных границ. Сферический пар и атмосферное пространство дают лишь слабое представление о ее охвате. Мы находим, что это ведущая физическая наука, имеющая тесные связи с теплом, светом, электричеством, магнетизмом, ветрами, водой, растительностью, геологическими изменениями, оптическими эффектами, пневматикой, географией — и с климатом, который определяет занятия и влияет на характер человеческого рода. Она настолько тесно переплетена с другими упомянутыми здесь областями, что едва ли имеет какие-либо четкие границы; и ее перспективы, по-видимому, постоянно расширяются по мере нашего продвижения вперед.
Не останавливаясь на многочисленных последствиях, вытекающих из метеорологических влияний, давайте рассмотрим, что именно включается в предмет метеорологии. И прежде всего — атмосфера.
Это газообразная, паросодержащая, упругая жидкость, окружающая Землю. Ее объем оценивается в 1/29, а вес — примерно в 43/1000 веса земного шара. Она состоит из 21 части по весу кислорода и 77 частей азота, с небольшим количеством углекислого газа, водяного пара и следами углеводорода. Существует множество общеизвестных расчетов пропорций различных составляющих атмосферы, которыми мы обязаны Пристли, Дальтону, Блэку, Кавендишу, Либиху и другим; но расчет, приведенный профессором Анстедом, достаточно прост и понятен. В 10 объемах или частях он выделяет
Oxygen, the great supporter of life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.100
Nitrogen, (not condensible under 50
atmospheres, and not respirable or
combustible,). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.750
Aqueous Vapor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .l42
Carbonic Acid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .004
Carburetted Hydrogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .004
______
. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.000
и добавляет следы аммиачного пара. Обычно состав воздуха выражают как 1 часть кислорода к 4 частям азота.
Любопытно, что, хотя существует шесть разновидностей соединений азота и кислорода, лишь одно из них пригодно для поддержания жизни, и это наша атмосфера.
Стоит отметить, что, когда мы используем слово «объем» или «мера», говоря об атмосфере или любом газообразном теле, мы принимаем теорию Гей-Люссака, который обнаружил, что газы соединяются друг с другом в определенных пропорциях всякий раз, когда вступают в реакцию. Эта теория привела к важным результатам, ибо, зная элементы сложного газа, мы легко определяем его удельный вес.
Были попытки применить этот принцип к органическим телам, но они еще не привели к полному и удовлетворительному выводу. Можно также заметить, что Дальтон утверждал, что простые вещества соединяются друг с другом в определенных весовых соотношениях, образуя сложные вещества, тем самым поддерживая идею Люссака. Эти открытия были сделаны примерно в одно и то же время, причем заслуга в их первоначальном выдвижении принадлежит Дальтону. Различные модификации этого принципа время от времени представлялись вниманию общественности.
Независимо от того, химически или механически соединены составляющие атмосферы — а это один из вопросов, по которому ученые не пришли к полному согласию, — установлено, что она химически идентична по своему составу во всем мире, будь то образцы, собранные на горах или на равнинах, на море или на суше, полученные аэронавтами в милях над землей или шахтерами в глубочайших выработках. Однако на основе теории ее механического соединения, как по объему, и того, что каждый компонент действует свободно и согласно своим собственным законам, возникли важные предположения (и даже выводы) как в отношении температуры, так и климатических различий. Следует заметить, что объем, как мы использовали это слово, — это кажущееся занимаемое пространство, и он отличается от массы, которая является эффективным занимаемым пространством, или реальным объемом материи, в то время как плотность — это отношение массы к объему, или частное от деления одного на другое. Те пустые пространства, которые делают объем больше массы, технически называются порами.
Изменился ли состав атмосферы с течением лет? По этому вопросу много рассуждали как французские, так и немецкие философы. Подсчитано, что она содержит около двух миллионов кубических географических миль кислорода и что 12 500 кубических географических миль углекислого газа были выдохнуты в воздух или иным образом выделены в течение пяти тысяч лет. Следовательно, можно было бы предположить, что последний существует в воздухе в пропорции 1 к 160, тогда как мы находим лишь 4 части на 10 000. Дюма и Буссенго решили, что никаких изменений не произошло, подтвердив свой вывод экспериментами, основанными на наблюдениях в течение более тридцати пяти лет. Никаких химических соединений кислорода и азота в атмосфере обнаружено не было, и предполагается, что они не будут обнаружены.
Атмосфера обладает, как можно легко представить, многими важными характеристиками. Одна из них — вес.
Это демонстрируется простыми, но убедительными экспериментами. Открытие этого факта приписывается прославленному Галилею, но современной науке мы обязаны всей достоверностью, разнообразием и изяществом демонстрации. Сосуд, содержащий некоторое количество воздуха, взвешивается; затем воздух из него откачивается, и сосуд взвешивается снова. Точные весы обнаружат разницу в весе. Кубический фут воздуха весит 1,2 унции. Следовательно, столб воздуха диаметром в один дюйм и высотой в одну милю весит 44 унции.
Предполагается, что высота атмосферы составляет от 45 до 50 миль, но ее вес уменьшается пропорционально высоте. Общее давление на поверхность Земли оценивается в 15 фунтов на квадратный дюйм; следовательно, на человека обычного размера давит вес от 13 до 14 тонн. К счастью для нас, внешнее давление уравновешивается внутренним давлением.
Вес воздуха имеет огромное значение в экономии природы, поскольку он предотвращает чрезмерное испарение вод с поверхности Земли и ограничивает его неизменными законами. Вода закипает при определенной температуре на поверхности Земли, где вес атмосферы наибольший, но при разных температурах на разных высотах от поверхности. На уровне моря она кипит при 212°. На высоких равнинах Кито, в 8724 футах над уровнем моря, она кипит при 194°, и там невозможно сварить яйцо в открытом сосуде. В Потоси точка кипения еще ниже — 188°, а барометрический столбик стоит на отметке 18°. Действительно, на наших лекциях по химии часто демонстрируют эксперимент с колбой, содержащей небольшое количество воды, из которой откачан воздух, и которая закипает от обычного тепла руки.
Фаренгейт предложил определять высоту гор по этому принципу, и для этой цели был придуман простой прибор, который сейчас успешно используется. Покойный профессор Форбс из Эдинбурга, чью безвременную кончину друзья науки имели столько причин оплакивать, установил, что температура кипения воды изменяется арифметически с высотой, со скоростью один градус термометрической шкалы на каждые 549,05 фута. Умножая разницу температуры кипения на это число футов, мы получаем высоту. Вес атмосферы, как показывает барометр, также является средством определения высоты гор или равнин; но необходимо вносить поправки на эффекты расширения или сжатия, а также на капиллярность, или притяжение между ртутью и стеклянной трубкой, по крайней мере, всякий раз, когда требуется большая точность. Таблицы для удобства расчетов приведены в нескольких научных трудах, и в частности в статье профессора Форбса (Ed. Trans. Vol. 15). Вкратце, однако, можно сказать, что между 0° и 32° необходимо учитывать 34 тысячных дюйма на понижение или сжатие, а между 32° и 52° — 33 тысячных. На вес атмосферы влияет не только разрежение, но и воздушные потоки, которые придают ей внезапную плотность или разреженность. Те, кто поднимался на горы, испытывали оба этих изменения.
Обычный эксперимент для доказательства веса воздуха — это Магдебургские полушария, простое приспособление Отто фон Герике, купца из этого города. Это часть любого полного философского прибора. Он состоит из латунных колпаков, которые при соединении плотно прилегают друг к другу и образуют шар. После откачки воздуха внутри их будет трудно разделить. Если поверхность составляет 100 квадратных дюймов, а высота ртути — 30 дюймов, атмосфера будет давить на эти полушария с весом 1475 фунтов, что потребует усилий семи или восьми сильных мужчин, чтобы разорвать их. Один из таких инструментов диаметром в немецкий локоть потребовал силы 24 лошадей, чтобы его разделить. Эксперимент был публично проведен в 1650 году на Имперском сейме в Регенсбурге в присутствии императора Фердинанда III и большого числа принцев и дворян, к их великому изумлению.
По сравнению с водой воздух (при показаниях барометра 30° и термометра 55°) в 833 раза легче.
Именно этот вес атмосферы уравновешивает столб ртути высотой 29 дюймов и столб воды высотой от 32 до 34 футов.
Старое причудливое представление о том, что природа боится пустоты, на практике оказалось лишь утверждением того, что воздух имеет вес. Обычный насос, который часто называют всасывающим, построен на этом принципе. Вес атмосферы на уровне моря одинаков во всем мире.
Мы находим у атмосферы еще одну характеристику — упругость.
Как бы его ни сжимали, воздух при освобождении возвращается к своему первоначальному объему, и, будучи совершенно упругим, он также является наиболее сжимаемым из тел. Эта упругость возникает из-за силы отталкивания его частиц и всегда равна силе сжатия, которую он уравновешивает. Стеклянный сосуд, полный воздуха, помещенный под колокол, из которого откачивается воздух, разлетится на атомы. Вода, с другой стороны, почти противоположна. Двадцать кубических дюймов, введенные в пушку, чьи стенки имеют толщину три дюйма, невозможно сжать до девятнадцати дюймов, не разорвав ее. Это неупругое свойство воды, наряду с другим — передавать при воздействии любой силы равное давление во всех направлениях — привело к изобретению гидравлического пресса.
Упругость воздуха позволяет рыбам подниматься и опускаться в воде благодаря действию плавательного пузыря.
Внезапное сжатие воздуха высвобождает его скрытую теплоту и производит огонь. На этом принципе построена пневматическая огниво.
Брокгауз говорит, что воздух пока удалось сжать только до одной восьмой его первоначального объема.
На каждый градус тепла между точкой замерзания и точкой кипения, 32° и 212°, расширение воздуха составляет около 1/490 части, поэтому любое изобретение, которое стремится использовать разреженный воздух в качестве движущей силы, должно использовать очень высокую степень нагрева, достаточную для плавления многих видов металлов.
Знаменитому мистеру Бойлю и Генри Кавендишу, обоим из Великобритании, мы обязаны большей частью того, что знаем об этом свойстве воздуха.
Плотность, или густота, — еще одно качество атмосферы. Установлено, что она в 770 раз меньше плотности воды, и 770 кубических дюймов воздуха весят столько же, сколько кубический дюйм воды. Она находится в прямой зависимости от его упругости, и существуют таблицы, по которым ее можно определить на разных высотах. На поверхности Земли эта плотность обозначается как 1; на высоте 2,5 мили — как 1/2; на 5 милях — как 1/4 и так далее, причем разница идет в геометрической прогрессии.
По мере продвижения в рассмотрении нашей общей темы мы обнаружим в соответствующих разделах, что плотность оказывает существенное влияние на отражение и преломление, на прозрачность и прохождение света, на наличие или отсутствие влаги и на количество тепла на поверхности Земли — и, можно добавить, на здоровье, а также на увеличение или уменьшение жизненных сил.
Температура — еще одна ветвь нашего предмета, включающая ряд подчиненных тем, о которых написаны тома и которым до сих пор посвящают свои труды самые ученые люди нашего времени. Здесь можно попытаться лишь наметить общий контур.
Температура — это степень тепла или холода в частицах всех тел, которая воспринимается ощущениями и измеряется их расширением или сжатием. Это ключ к теории ветров, дождей, воздушных и океанических течений, растительности и климата со всеми их многообразными и важными различиями. Хотя наклонное положение Земли на своей оси и ее движение по эллиптической орбите влияют на общее количество тепла, мы призваны говорить скорее о последствиях этого в деталях, когда речь заходит о температуре. Если бы солнце светило на равномерно плоскую поверхность, везде обладающую одинаковой проводящей и излучающей способностью, было бы несложно проследить монотонные эффекты температуры.
Реформатор Лютер, столь же эксцентричный, сколь ученый и искренний, как сообщается, сказал, что если бы с ним советовались при сотворении мира, он поместил бы солнце прямо над центром мира и держал бы его там, чтобы давать неизменный и равномерный свет и тепло! Конечно, гораздо лучше, что с ним не советовались. В таком случае каждая параллель широты была бы изотермической, или имела бы одинаковую среднюю годовую температуру. Времена года были бы неизменны по своему характеру. Некоторые части Земли были бы выжжены до хруста, другие — скованы вечным льдом.
Растительность, вместо того чтобы быть повсеместной, ограничилась бы узкой зоной; и весь человеческий род был бы загнан в одно ограниченное обитаемое пространство, чтобы мешать, досаждать и уничтожать друг друга. Устройство мира лучше таким, какое оно есть.
Мы находим очень важные изменения температуры, вызванные не только астрономическими влияниями, но и местными причинами и географическими характеристиками. Ибо, хотя, как общее правило, чем ближе мы к экватору, тем теплее, температура сильно зависит от гор, морей, воздушных или водных течений, излучения, лесов и растительности. На самом деле оказывается, что линии температуры (счастливая концепция Гумбольдта), когда они наносятся на карту, являются чем угодно, только не истинными зонами или кругами.
Линия наибольшего среднего тепла не совпадает с экватором, а проходит к северу от него. Эта линия на 160° з. д. от Гринвича находится на 4° ниже географического экватора; на 80° она проходит примерно на 6° севернее, огибая побережье Новой Гранады; на 20° она опускается и касается экватора; на 40° в. д. она пересекает Красное море примерно на 16° севернее экватора, а на 120° она проходит у Борнео, на несколько градусов ниже его; — и точки наибольшего тепла на этой линии находятся в Абиссинии, ближе к тропику Рака, чем к экватору. С другой стороны, точки наибольшего среднего холода, по мнению Гумбольдта, сэра Дэвида Брюстера и других, не совпадают, как казалось бы естественным, с географическими полюсами, но обе находятся в северном полушарии, на широте 80°, 95° в. д. и 100° з. д. от Гринвича. Западная точка, как установлено, на 4,5° холоднее восточной, или сибирской. Если это так — но это не признано окончательно, — то открытое море на полюсе можно считать вероятным на основании того, что оно имеет более высокую среднюю температуру, чем та, что наблюдается на 80°. Кемпц помещает одну из этих холодных точек к северу от пролива Барроу, другую — возле мыса Таймыр в Сибири. Бергхаус в своем атласе переносит американский полюс холода на 78° с. ш. Возможно, еще слишком рано строго определять истинную температуру этих точек.
Примечательным фактом является также то, что места на одной и той же широте редко получают одинаковое количество тепла. Квебек в Британской Америке и Тронхейм в Норвегии получают примерно одинаковое количество, хотя первый находится на 47°, а второй — на 68° с. ш. Средняя зимняя температура Пекина (39° 45' с. ш.) на 5° ниже точки замерзания; в то время как в Неаполе, который находится севернее Пекина, она редко, если вообще когда-либо, опускается ниже нее, а в Париже, расположенном на 500 миль севернее, средняя зимняя температура на 6° выше точки замерзания. Город Нью-Йорк, расположенный примерно на 11° южнее Лондона, имеет гораздо более суровую зимнюю температуру. Средняя температура штата Нью-Йорк, определенная по долгому ряду наблюдений, составляет 44° 31'.
Средняя температура стран оказывается очень стабильной, и в современную эпоху были обнаружены лишь очень незначительные колебания. Но то, что с начала христианской эры произошли важные климатические изменения, не вызывает сомнений, если только мы не сомневаемся в истории. Несколько столетий назад было обычным делом, что все британские реки замерзали зимой и оставались такими в течение нескольких месяцев. Если бы позволило место, можно было бы сделать интересное заявление об изменениях, произошедших в растительности в Гренландии и по всей территории некоторых северных частей Европы, а также в Палестине, Греции и других южных странах, в то время как мы знаем, что наклон земной оси оставался неизменным.
Миссис Сомервилль отмечает, что, хотя температура любого места может быть подвержена очень большим колебаниям, она никогда не отклоняется от среднего состояния более чем на несколько градусов.
Считается, что без этого нашего атмосферного покрова температура Земли на ее поверхности была бы такой же, как в небесном пространстве, которое, как предполагается, составляет по крайней мере 76° ниже нуля, или, возможно, говорит Гумбольдт, 1400° ниже! Человеческая жизнь без нашей атмосферы не могла бы существовать ни одного мгновения.