8 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Я бродил одиноко, как облако, Плывущее высоко над долинами и холмами.

Уордсворт

1. Крошечные частицы

Как бы ни было трудно понять процессы, в результате которых невидимый пар от воды поднимается и рассеивается в атмосфере — а мы уже видели, сколь серьезную проблему это представляло, — взвешенность видимых и явно материальных облаков, часто имеющих огромные размеры, представляла для медленно развивавшейся науки метеорологии даже еще большие трудности. Ведь было известно, что облака состоят из воды — в той или иной форме, — а вода в несколько сотен раз тяжелее воздуха. Как же тогда может облако плавать в воздухе? Теперь мы знаем, что оно и не плавает: каждая облачная частичка медленно опускается в окружающем ее воздухе, но она может также и подниматься; облако также может непрерывно распадаться у своей нижней границы, по мере того как его частицы опускаются. Но это более сложное решение парадокса относится уже к последнему столетию, мы же должны проследить путь, приведший к нему.

Аристотель был на этот раз на правильном пути. «Капли воды, — писал он, — плавают наверху из-за их малости и остаются в воздухе подобно тому, как малые частицы земли или золота часто плывут по воде» [19].

Что касается Декарта, то он дал похожее, но лучше разработанное объяснение:

«Поскольку [частицы облака] имеют большую поверхность количества материи по сравнению с количеством материи в них, сопротивление воздуха, который они должны раздвигать при опускании, легко может стать сильнее, чем их собственный вес, движущий их вниз» [101].

Читатель, знакомый с историей механики, примет это высказывание за чисто аристотелевское и, возможно, придет к мысли, что Декарт мог бы большему научиться у Галилея, если бы он подождал еще год. Но он усовершенствует его, замечая, что ветер дует «больше вверх, чем вниз», и может не только поддерживать облако, но и вызывать его поднятие. Кроме того, пары, исходящие из земли, или теплота, могут расширять расположенный под ними воздух, а над ним холод, сжимая воздух,, расположенный выше, может увлекать облака вверх. Но он предостерегает нас, что капли или частицы льда — он понимал, что облака могут состоять из таковых, — должны быть очень малыми, ибо иначе они быстро упадут на землю, превратившись при этом в дождь или снег.

Как бы то ни было, нет сомнений, что Декарт был ближе к объяснению взвешенности облаков, чем кто-либо другой, по крайней мере в течение следующего столетия. Но я хотел бы предостеречь читателя от преувеличения заслуг Декарта в данном смысле. Из всего текста «Les meteores» очевидно, что четкие представления Декарта о непрерывности, выразившиеся в его теории вихрей, не вошли в его метеорологию, и он рассматривает облако как нечто реально существующее: своего рода воздушный шар, который ветер может подталкивать, а несколько ветров — сжимать. Эта последняя идея получила много отзвуков, о которых мы расскажем в двух последующих главах.

Через двадцать лет после появления «Les meteores» Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга, изобрел воздушный насос и провел те знаменитые пневматические эксперименты, которые пол­ностью были описаны лишь в 1672 г. [150]. Очевидно, что Герике также рассматривал облако как предмет, обладающий определенным удельным весом.

«В соответствии с нашими представлениями воздух можно разделить на области. Каждый вид облака, в зависимости от его веса, придерживается свойственной ему области, в которой его вес соответствует таковому воздуха. Но если воздух повсюду подвергается сжатию, то он должен стать одинаково тяжелым как наверху, так и внизу, так что облака не могут формироваться в различных областях различным образом, но как предметы опускаются на дно или плавают в воде, так и облака могут или опускаться к земле или подниматься к самым верхним слоям воздуха» ([150], стр. 72).

2. Мелкие пузырьки

Но Герике сам создавал облака в своей лаборатории. Он брал две бутыли с кранами, выкачивал воздух из одной, соединял их и открывал краны. Выравнивание давления заставляло воздух в той бутыли, из которой он не был откачан, «отдавать избыточную влагу», и последняя становилась видимой.

«Ее легко наблюдать в виде очень мелких капель [in guttulis minimis], которые постепенно оседают на дно бутыли. Этот процесс тем заметнее, чем больше внутри бутыли влаги, ибо тогда мелкие пузырьки (bullulae) образуются более обильно — настолько, что на них… получается туман. При введении небольшого количества воздуха туман может собираться в облака» ([150], стр. 88).

Я привел этот отрывок из-за таинственного противопоставления guttulae и bullulae. Есть ли это пример того, что Г. У. Фоулер в «Словаре современного употребления английского языка» называл «изящной вариацией», или же Герике думал, что он обнаружил два различных явления? Я считаю, что второе объяснение более правдоподобно, по следующим причинам: во-первых, эти два латинских слова имеют совершенно различные значения, во-вторых, явления в такой бутыли могут происходить существенно по-разному, в зависимости (предупреждая изложенное в главе VIII) как от концентрации ядер конденсации, так и от количества влаги, содержащейся в ней. При небольшом содержании ядер конденсации формируются сравнительно крупные капли, весьма быстро оседающие на дно бутыли; если число ядер велико, они делят влагу между собой и капли получаются мельче, так что они дольше остаются во взвешенном состоянии. Мне представляется вероятным, что Герике, чья скупость на слова была совершенно нехарактерна для того века, действительно хотел указать, что он считал мелкие частицы пустотелыми.

Следующее указание на мелкие пузырьки я обнаружил в докладе, прочитанном Галлеем в 1688 г. и опубликованном в 1693 г. [156], на который я уже ссылался в главе II. Обычно считают, что Галлей первый предложил теорию, согласно которой облака плавают потому, что они состоят из мелких пузырьков. В действительности он совсем так не думал; как я уже показал, он считал, что невидимый водяной пар может подниматься потому, что атомы воды расширяются, превращаясь в «оболочки, или пузырьки». На стр. 473 своей статьи он дважды ясно говорит, что облака состоят из «капель», а в одном случае — из «видимых капель».

Первое четкое утверждение о пузырьковой природе облаков, которое я нашел, относится к 1701 г. и содержится в работе иезуита Парди [260], который старался опровергнуть идею (поддерживаемую, как он говорил, многими), что «пары», составляющие облако, связаны друг с другом «как бы клеем», образуя «единое тело, которое легко удерживается в воздухе вследствие огромной величины его поверхности» [260]. Парди сомневается не в том, способно ли предполагаемое тело удерживаться наверху, но связаны ли частицы облака между собой более жестко, чем частицы воды, и, кроме того, действительно ли воздух может легко проникнуть сквозь воду наверх и ускользнуть.

Следовательно, он предполагает, что облака состоят из мелких пузырьков. Они не могут быть наполнены обычным воздухом, а должны содержать «огненный газ» (fiery spirits) или «очень тонкий и очень разреженный воздух». Поскольку стенки пузырьков имеют различную толщину, то они плавают на различной высоте; этим и объясняется существование облаков и туманов. Парди излагает все вышесказанное как собственную оригинальную концепцию.

Идеи Галлея правильно изложены в диссертации Иоганна Крюгера, опубликованной в 1701 г. в Иене [64]. В ней также упоминается возможность того, что облака состоят из пузырьков, но без большого энтузиазма.

В первом томе трудов новой Берлинской академии, основанной Фридрихом III по мысли великого философа Готфрида Вильгельма Лейбница, последний высказался об этой проблеме [210] во вводных замечаниях к краткой статье некоего Шовена [56]. Лейбниц пытается опровергнуть то возражение, что если бы заключенный в пузырьке воздух был более разреженным, чем воздух вокруг пузырька, то последний сжался бы так, чтобы плотность уравнялись. Он вводит эффект тепла «или чего-то аналогичного теплу в ферментации и в сходных физических процессах». Но почему воздух внутри пузырька должен оставаться более теплым? Потому что воздух вне пузырька движется быстрее, чем сам пузырек (!), так что новый воздух будет сталкиваться с ним и передавать ему свое тепло «совершенно так же, как мы ощущаем, что наша рука, опущенная в теплую или холодную воду, становится теплее или холоднее, если мы ею двигаем, а не держим ее неподвижно» ([210], стр. 124). Затем он проводит обширные подсчеты толщины стенки пузырька относительно его диаметра, необходимой для того, чтобы пузырек плавал.

Написав этот абзац, я внезапно понял, что не уделил внимания работе Шовена, которая вызвала комментарии Лейбница, хотя и то, и другое было равно вздорным. Так гипнотизируют нас имена великих людей! Истина в том, что великий философ, математик и государственный деятель был значительно менее удачлив в физике. В то время как эта фантазия Лейбница не оказала большого влияния на развитие науки, следы другой, также лишенной смысла идеи (ее мы должны будем коснуться в следующей главе), выветрились лишь через шестьдесят лет.

В 1711 и 1712 гг. Уильям Дерхэм, член Королевского общества, пастор в Упминстере (Эссекс), прочел на Бойлевских чтениях лекции, которые были опубликованы позднее [99]. В этой работе, выдержавшей до 1800 г. четырнадцать изданий, Дерхэм с таким увлечением писал о пузырьках, что некоторые стали считать его отцом этой идеи. Он был оригинальным лишь в том, что утверждал, будто наблюдал пузырьки

«с помощью микроскопа, как они плывут в луче солнца, проникающем в темную комнату, над теплой водой, причем некоторые пары кажутся крупными, а некоторые — более мелкими ша­риками, что (несомненно) зависит от больших или меньших количеств тепла, поднимающих их вверх и уносящих их» ([99], стр. 49).

Я не могу сказать точно, верил ли в пузырьки Ньютон. Кажется, он называл частицы облака «шариками» (globules) — слово, которое применимо как к пузырькам, так и к каплям [252]. Но не прошло еще и десяти лет со смерти Ньютона, как другой англичанин, гораздо менее известный, но обладавший большим здравым смыслом, Джон Роунинг, посмотрел на эти пузырьки более строго и спросил:

«Во-первых, каким образом воздух в пузырьках приобретает меньший удельный вес, чем вне их, если солнечные лучи, воздействующие на воду, имеют равномерную плотность на всей ее поверхности? Во-вторых, если бы более разреженный воздух мог отделиться от более плотного окружающего воздуха… то что могло бы препятствовать внешнему воздуху воздействовать на то, что заключено в пузырьках, немедленно приводя это к той же температуре и удельному весу, которые свойственны ему самому (причем холод мог бы легко передаваться через такие тонкие пленки воды)? ..

В-третьих, если бы мы и согласились с остальной частью предположения, то все еще осталось бы следующее затруднение. Если облака сделаны из пузырьков воды, наполненных воздухом, то почему же эти пузырьки не расширяются всегда, когда окружающий воздух становится более разреженным и начинает оказывать на них меньшее давление, а также — почему они не сжимаются, когда окружающий воздух сжимается при накоплении воздуха вверху? Однако если бы эти уплотнения и разрежения происходили бы, то облака всегда оставались бы на одной и той же высоте, что противоречит наблюдениям; и у нас никогда не было бы дождя» ([301], ч. 2, стр. 132).

Автор другого учебника, Дезагюлье, также высказывал свое неверие в мелкие пузырьки, но на основании менее солидных доводов: он считал, что причиной «поднятия паров» должно быть электричество [100].

По-видимому, кое-что новое было добавлено к дискуссии в 1743 г. Христианом Готлибом Кратценштейном, молодым человеком, получившим премию Академии наук в Бордо [196]. Создавая облако частиц способом, сходным с применявшимся Герике, он заметил, как и Герике, что если проводить опыт в пучке лучей солнечного света, то в начале процесса расширения возникают переливающиеся радужные цвета. Сейчас мы знаем, что эти цвета обусловлены диффракцией и действительно могут быть использованы для оценки диаметра частиц, но Кратценштейн думал, что они сходны с исследованными Ньютоном цветами мыльных пузырей, и использовал их для оценки толщины оболочки предполагаемых пузырьков. Он оценил также их диаметры, сравнивая их под микроскопом с человеческим волосом. Сопоставив оба результата, он нашел, что пузырьки не настолько легки, чтобы они могли плавать в воздухе; если они и могут «плавать», то только благодаря вязкости воздуха или восходящим потокам. Тем не менее он считал, что частицы являются пузырьками, поскольку сами по себе облака не могут создавать радугу, — возражение, для опровержения которого потребовалось более столетия.

Я перешагну здесь через 40 лет для того, чтобы изложить мнение Соссюра по всем этим вопросам. Этот блестящий экспериментатор убедил себя в том, что облака состоят из пузырьков, более того — он убедил себя (и настолько, что уже не мог изменить свое мнение) в том, что эти пузырьки достаточно легкие для того, чтобы плавать в воздухе и даже подниматься в спокойном воздухе. Доводом было то, что он видел их. Когда он рассматривал с линзой в руках поверхность горячего кофе в чашке (или другой темной жидкости), то поведение малых частиц облака пара над ней убеждало его в том, что эти частицы являются пузырьками.

«Легкость этих небольших сфер, их прозрачность, их вид, совершенно отличный от вида сплошных шариков, их полное сходство с теми более крупными пузырьками, которые мы видим плавающими на поверхности жидкости, — все это не составляет сомнений относительно их природы. Достаточно увидеть их, чтобы убедиться, что это — полые сферы, подобные, за исключением размера, тем, которые мы создаем из мыльной воды» ([308], стр. 201).

Более того, он наблюдал их в облаках на горах, держа сильную лупу в одной руке и отполированную черную поверхность в другой. Они выглядели совершенно так же, как пузырьки, наблюдавшиеся над горячей жидкостью. Не имеет значения, был ли прав Кратценштейн в оценке толщины их стенок, если Соссюр считал их полыми и способными плавать в воздухе ([308], стр. 204).

Соссюр повторил основанные на законах оптики возражения против концепции сплошных капель. Было бы очень интересно знать, что ему было известно о малых кругах, или, как мы их теперь называем, венцах, видимых вокруг небесных тел, но он был настолько убежден в том, что облака по своей природе «пузырчаты», что приписал происхождение венцов образованию капель в облаках. Разве не были они предвестниками дождя? ([308], стр. 206.)

Другим трудно объяснимым явлением оказалось длительное сохранение почти постоянной высоты основания облаков, хорошо видное на фоне гор. Понятие об уровне конденсации возникло лишь через десятилетия.

Соссюр попытался повторить наблюдения Кратценштейна за цветами. Вместо того чтобы увидеть быстро меняющиеся цвета, он увидел большое число оттенков сразу и сделал вывод, что «каждый из этих пузырьков подобен мыльному пузырю, а следовательно, он должен быть толще у основания и тоньше в верхней части». Он не думал, что по цвету можно оценить толщину их стенок.

Но даже если бы оценки Кратценштейна были бы правильными, пузырьки еще могли бы плавать. Их легкость могла быть частично связана с присоединением очень легкой «атмосферы». Он утверждает:

«Многие физики считают, что почти все тела окружены жидкостью, более разреженной, чем воздух, и что эта жидкость как бы пристает к ним и образует вокруг них своего рода атмосферу».

В поддержку этой идеи приводится тот факт, что мелкие пузырьки парят над горячей жидкостью. Но что из себя представляет эта атмосфера? «Жар», электрическая жидкость, «тонкий воздух», который некоторые физики отличают от обычного воздуха, или какая-либо другая «газообразная жидкость»?

«Пристли открыл столько различных видов воздуха, что допустимо, чтобы физики предположили существование еще и других его разновидностей, природа и плотность которых отвечала бы требованиям естественных явлений» ([308], стр. 212).

У Пристли было много за что нести ответственность в кипучей среде физиков 80-х годов XVIII в., но в его пользу можно сказать, что он скорее идентифицировал «воздухи», а не придумывал их.

Позднее Соссюр склонился в пользу электрической жидкости, исходя из того, что дождь разражается обычно после вспышек молнии. Разве не могло быть так, что большое число пузырьков «в результате внезапного взрыва лишалось поддерживающих их крыльев», сливалось в капли и давало начало ливням? ([308], стр. 216.)

Остается серьезная проблема — проблема, которая до тех пор почти игнорировалась, — как образуются пузырьки? Нам может казаться странным, что этим аспектом вопроса пренебрегали на протяжении целого столетия, но было именно так. Соссюр этого, конечно, не знал, но он считал, что это результат своего рода кристаллизации. Он думает, что это более вероятно, поскольку вода в такой форме, по-видимому, способна сопротивляться замерзанию: действительно, он видел облака и туманы, «состоящие из таких пузырьков, плавающих в воздухе даже при температурах на несколько градусов ниже точки замерзания».

Они являются жидкими, поскольку образующаяся при конденсации их на твердом предмете изморозь представляет собой не массу мелких сфер, а скопление хрупких кристаллов.

Я не могу оставить на этом Соссюра, не попытавшись перевести с его изящного французского языка параграф о, по-видимому, мгновенном формировании облаков:

«Я часто наблюдал крайне удивительное явление, которое могло бы, как мне кажется, пролить некоторый свет на этот вопрос (об образовании пузырьков). Когда я бывал застигнут дождливой погодой на вершине или на склоне высокой горы, я обычно старался наблюдать развитие облаков, зарождавшихся почти все время над лесами и долинами, лежавшими подо мной. Никакой туман не скрывал эти последние, и воздух над ними был совершенно чистым и прозрачным, но внезапно, тут и там, появлялось то одно, то другое из этих облаков, так что я даже не мог заметить момент его формирования. На месте, от которого я только что отвел глаза и где еще две секунды тому назад ничего не было, я внезапно обнаруживал облако, уже разросшееся по крайней мере до двух или трех туазов в диаметре. Разве не было бы естественным думать, что в воздухе, насыщенном упругим и прозрачным паром, над поверхностью, где образовывались такие облака, отсутствовало лишь одно определенное условие, необходимое для превращения этого пара в пузырьки, и что в момент, когда это условие возникало, такие пузырьки образовывались и формировали облако?» ([308]t стр. 217.)

Все мы видели такое явление, кто в горах, кто в голубом небе летнего утра. Оно поразительно и при незнании одного необходимого физического условия приводит в сильное замешательство.

Делюк также стал приверженцем пузырьковой теории. Ведя некоторые гипсометрические наблюдения в октябре 1753 г., он обнаружил, что рассчитанная разность высот между двумя стан­циями не зависит от наличия или отсутствия облаков в пространстве, их разделяющем, и сделал отсюда вывод, что облака не влияют на барометрическое давление ([88], § 672). Позднее, возможно, после прочтения «Essais» Соссюра, он, помня об этой кажущейся невесомости, заключил, что облака должны состоять из пузырьков того же удельного веса, что и воздух ([90], § 607). Он отважился лишь на смутную, мало отличающуюся от высказанной Соссюром догадку о механизме образования таких пузырьков ([90], § 609). Он продолжал верить в пузырьки и в 1791 г. [94], укоряя знаменитого Гаспара Монжа за утверждение, что облака оказываются плавающими вследствие (1) малости частиц и (2) родства воды и воздуха. (Монж верил в теорию растворения при испарении, вызывающего прилипание атмосферы к каждой капле [245].) Статья Монжа была действительно устарелой по тому времени, и осуждение Делюка было совершенно справедливым.

3. На сцене появляется вязкость

Теперь мы должны возвратиться приблизительно к 1745 г., когда Георг Вольфганг Крафт из Тюбингена написал пространную брошюру на эту тему [195], где он привел ряд доводов, объясняющих его неверие в пузырьки. Но его работа, которая осталась, по-видимому, совершенно неизвестной, имела позитивную ценность: он предложил лучший механизм для объяснения взвешенности облаков. После обсуждения различных гипотез он продолжает:

«Одно соображение может быть рекомендовано сверх всех других: оно заключается в том, что крайне малая частица, даже если она тяжелее воздуха, способна плавать в нем длительное время, если она туда помещена. Парди не учитывал, что воздух, особенно на высотах, находится в непрерывном движении, причиной которого служит непрерывное воздействие солнца на различные его части. Он не обратил внимания не только на бесконечную малость частиц, отрываемых элементарным жаром от тел, но и на вязкость, всегда существующую в воздухе, даже в разреженном. Таким образом, каждый день, когда светит солнце, мы можем наблюдать крошечные, но еще видимые атомы, летающие туда и сюда в почти спокойном воздухе комнаты … и также поднимающиеся и остающиеся долгое время в воздухе, хотя все они тяжелее, чем сам воздух, что с избытком ясно из того факта, что они снова опускаются вниз. Точно так же испарения и пары остаются на длительное время в верхних слоях воздуха, как потому, что они состоят из почти бесконечно малых частиц, так и потому, что они поддерживаются постоянно движущимся воздухом» ([195], стр. 43).

Это вводит в задачу вязкость. Десятилетие спустя Франклин ввел ее снова, но по-своему (рис. 1):

001

«Если атмосфера покоится, то опускающаяся заряженная частица должна действовать на частицы, между которыми она перемещается или с которыми встречается, с силой, достаточной, чтобы преодолевать до некоторой степени их взаимное отталкивание и заставлять их сблизиться. Тогда, предполагая, что частицы А, Б, В, Г, как и другие близкие к ним частицы, находятся друг от друга на расстоянии, обусловленном их взаимным отталкиванием (ограниченным их весом), то если А опустится до Д, то она должна пройти между Б и В. При прохождении между Б и В она будет находиться к ним ближе, чем до этого, и должна или толкнуть их на сближение с Ж и 3, против их взаимного отталкивания, или пройти между ними с силой, превосходящей силу ее отталкивания от них. Затем она приближается к Г и для того, чтобы устранить ее с дороги, должна воздействовать на нее с силой, достаточной для преодоления взаимного отталкивания этой частицы и двух ближайших ниже расположенных частиц, действием которого она удерживается в своем настоящем положении.

Следовательно, каждая частица воздуха будет нести на себе тяжесть, меньшую, чем сила этих отталкиваний. Таков механизм поддержания туманов, дымки, облаков» ([131], стр. 186).

Эта модель, конечно, ньютонианская, и возможно, что Франклин заимствовал ее у Дезагюлье. По-видимому, она не привлекла большого внимания, впрочем, может быть, Франклин и не ожидал общего согласия с ней, поскольку он озаглавил свою статью «Физические и метеорологические наблюдения, догадки и предположения».

4. Снова пузырьки

Я пренебрегу теперь строгой хронологией и кратко изложу последующее развитие теории пузырьков. Не пренебрегая какими-либо существенными вкладами в нее, мы можем с удивительной быстротой перескочить к 1845 г., в совершенно новую область — атмосферную оптику. В этом году Огюст Бравэ, профессор физики в Политехнической школе в Париже, высказал, предположение, что «белая радуга», наблюдаемая иногда на облаках или туманах, расположенных против солнца, образуется пустотелыми каплями, и дал образец сложного геометрически-оптического анализа, чтобы подтвердить это [49]. Для Бравэ это было не только академическим упражнением, он твердо верил в эти пузырьки и считал свой анализ наилучшим из возможных доказательств их существования.

К сожалению для Бравэ, Джордж Эри, Королевский астроном, в 1836 г. показал, что геометрически-оптический подход совершенно негоден для объяснения радуги, представляющей собой интерференционное явление. В отношении пузырьков Бравэ получил исчерпывающий ответ от Ф. Райара в 1857 г., который, рассмотрев все имеющиеся теории и данные наблюдений, заключил, что радуга никак не подтверждает «поистине странную гипотезу пузырькового состояния» [282]. Как подробно доказал значительно позднее Перитер [268], белый цвет этой радуги — следствие малых размеров облачных капель. Де Тес-сан [333] показал также, что радуга на облаке видна редко потому, что если только облако не очень плотно и близко к наблюдателю, энергия, рассеиваемая малыми каплями, слишком незначительна для того, чтобы радуга стала видимой.

Не касаясь сейчас других работ Де Тессана, продолжим разговор об атмосферной оптике. Немецкий физик Р. И. Э. Клаузиус, известный своими работами по термодинамике, к сожалению, убедил самого себя в том, что атмосферная дымка состоит из пузырьков [57]. Он вернулся по меньшей мере на целое столетие назад, к Кратценштейну, рассматривая цвета в атмосфере как цвета тонких пленок, и сделал для этого ряд громоздких выкладок. Даже синий цвет неба он объяснял подобным способом. Он действительно был совершенно не в курсе дела, но его огромный авторитет продлил жизнь пузырьковой гипотезе еще на двадцать пять лет, особенно в Германии. Ее опровержение было дано в серьезных работах Кобера в 1871 г. [193] и Будде в 1873 г. [54], но в эту же эпоху Шмид в своем известном учебнике [313], исходя из работ Клаузиуса, все еще считал, что пузырьковая природа облачных частиц доказана. Действительно, многие европейские учебники давали эту теорию совершенно некритически. Известный химик Берцелиус также использовал свое огромное влияние для поддержки этой теории {36]. Практически, однако, приблизительно после 1840 г. уже осталось мало желающих доказывать, что пузырьки плавают потому, что они наполнены чем-то легче воздуха; под вопросом стояло и само существование пузырьков.

Попытку перенести эту проблему в область серьезной экспериментальной науки сделал Август Уэллер, который пробовал непосредственными наблюдениями проверить наличие пузырьков в туманах, повторяя наблюдения Соссюра [349]. Он не смог увидеть, как они ломаются при соприкосновении, как это утверждал Соссюр. В позднейшей статье [350] Уэллер начал с обсуждения наблюдений Кратценштейна над цветами в облаке под колоколом воздушного насоса и указал, что они созданы дифракцией, а не тонкими пленками. Затем он сообщил, как он улавливал капли на пленки из канадского бальзама, скипидара, касторового масла и т. п. и, наконец, на нити паутины. В каждом случае капли представляли собой сплошные водяные сферы, что было видно по отражению на них внешних предметов. Сходные наблюдения сделал сорок лет спустя на Брокене Р. Ассман, изобретатель психрометра, носящего его имя [22]. Теория пузырьков умирала с трудом, и в год, когда появилось сообщение Ассмана, Чарльз Риттер опубликовал длинную работу, где возражал против этой теории и защищал гипотезу, фактически взятую у Соссюра, согласно которой каждая капля увлекает за собой «свою собственную атмосферу» [299].

Наиболее удивительным обстоятельством, касающимся этой удивительной теории, является то, что ее энергично поддерживали или признавали многие первоклассные умы, такие, как Берцелиус, Бравэ и Клаузиус, Гей-Люссак, Пулье и Вольта. Столь же странно, что все эти ученые — как и бесчисленное множество менее значительных людей—допускали существование пузырьков при полном отсутствии теории их образования. Кроме смелого предположения о «кристаллизации», сделанного Соссюром, я знаю только одну попытку, причем явно некомпетентную, придумать некий механизм [215]. Он заключался в том, что сначала «шарик» быстро конденсируется в виде еще полной сферы, но скрытая теплота конденсации приводит к новому испарению той части воды, которая меньше всего охлаждена окружающей средой, т. е. внутренности капли. Через две недели после первой работы автор, Ленгле, представил Французской Академии наук еще одну работу на ту же тему, которая была направлена комиссии в составе Бабине и Реньо ([215],. стр. 1116) и, по-видимому, предана забвению.

С другой стороны, ряд ученых выступали с энергичными опровержениями возможности образования таких пузырьков каким бы то ни было путем. Де Тессан [333], например, рассчитал, что для образования пузырька даже в крайне влажной атмосфере (насыщенной при 30° С) все молекулы воды в объеме, в 33 000 раз большем, чем возникающий пузырек, должны собраться в некое образование совершенно правильной формы. Даже если бы он образовался, то он не смог бы существовать, так как внутреннее давление, вызванное поверхностным натяжением, должно было бы заставить воздух проникнуть сквозь водную оболочку. Эффект поверхностного натяжения часто использовался при нападках на гипотезу пузырьков; я упомяну лишь Филипса (270], Будде [54], Обермейера [256] и Кёнига [194].

5. Медленное опускание

Вернемся снова к другим объяснениям взвешивания облаков, в разборе которых мы остановились на временах Крафта и Франклина. Освежающий ветерок здравого смысла внес в этот вопрос Джон Дальтон, известный своими работами по атомной теории в химии. Мы встретимся с ним также и в последующих главах. В его первой книге, опубликованной в 1793 г., мы читаем [67]:

«Когда происходит осаждение пара, множество исключительно малых капель образуют облако, дымку или туман; эти» капли, хотя они и в 800 раз плотнее воздуха, сначала опускаются очень медленно из-за сопротивления воздуха, оказывающего тем большее воздействие, чем меньше капли…»

Отсюда ясно, что облака, состоящие из очень малых капель,, могут опускаться очень медленно, что благоприятствует наблюдению их; когда капли при падении вступают в слой воздуха, способный поглощать пар, они могут быть рассеяны и облако вообще не опустится…»

В примечании Дальтон указывает, что эти идеи были высказаны ему Джоном Гофом из Кендаля. Уже тогда было обнаружено существование уровня конденсации, хотя настоящий смысл этого понятия в то время был еще скрыт. Люк Говард использовал эту идею в своей знаменитой статье об облаках [176]. Чтобы объяснить, почему основание кучевых облаков плоское, он предположил, что пар поднимается и конденсируется в капли, эти же капли падают до некоторого уровня, где они снова испаряются в силу повышения окружающей температуры. К сожалению, Говард, который очень любил всевозможные догадки, также приписал более или менее сферическую форму кучевых облаков взаимному отталкиванию всех капелек, которые, как он говорил, наэлектризованы, а различные формы перистых и перисто-кучевых облаков он приписал различной ориентации электрических полей в верхней атмосфере.

Понять то, что элементы облака находятся в постоянном падении, и признать всю важность этого движения — само по себе было большим шагом вперед, который первоначально, хотя и в виде предположения, сделал еще Кратценштейн [196]. Но как быстро они падают? Томас Янг, врач, физик и египтолог, человек исключительно разносторонний, дал ответ на этот вопрос [372]. Не привлекая на помощь теорию, он утверждал:

«Диаметр водяного шарика, падающего со скоростью только в один дюйм в секунду, должен составлять 1/1600-ую дюйма… но частички дымки несравненно крупнее этого, иначе они были бы совершенно невидимы как отдельные капельки. Наименьшей частицей, различимой невооруженным глазом, должна быть та, которая падает со скоростью около одного фута в секунду в совершенно спокойном воздухе».

Людей загипнотизировали эти упрощенные, слишком ясные расчеты, и многие пренебрегли предостережением Янга, заключавшимся в следующей фразе:

«Но весьма вероятно, что сопротивление, которое встречает движение столь малых частиц, может быть значительно больше, чем следует из расчетов, сделанных на основании опытов, в ко­торых изучались частицы значительно большего масштаба, а их движение соответственно медленнее».

Так, например, Мунке, в 1825 г. или около этого времени, привел эти оценки Янга, но без его оговорки [140]. Лишь в 1856 г. Г. Г. Стокс предложил корректную теорию скорости падения таких малых тел, как облачные капельки [329], да и то лишь как частный случай исследования «влияния внутреннего трения в жидкости на движение маятников». Оказалось, что сфера, падающая со скоростью одного дюйма в секунду, должна иметь диаметр примерно в 600 раз больше, чем предполагал Янг. Я склонен думать, что высказывание Янга в значительной степени определялось устойчивостью теории пузырьков. Берцелиус, например, думал, что пузырьки могут даже иметь удельный вес, почти равный весу воздуха,

«но все еще остается тайной для физиков — каким образом они остаются в воздухе целыми днями; это не связано с нагреванием нижних слоев атмосферы или внешних частей самих облаков, как думали некоторые естествоиспытатели, поскольку облака остаются на том же месте и ночью» ([36], I, стр. 431).

Если бы Берцелиус знал, что даже облако капелек может опускаться на несколько сотен футов за целую ночь — совершенно независимо от возможного испарения капель на определенной высоте, — он судил бы иначе. И, конечно, здесь Берцелиус был до некоторой степени некомпетентен.

Однако его замечания заставляют нас рассмотреть тот эффект конвекции, который он отрицал. Открытие конвекции, обычно приписывается Бенджамину Томпсону, графу Румфорду, который действительно первый проводил систематические эксперименты с конвекцией [302]. Но факт, что локально нагреваемые части атмосферы поднимаются, был описан еще Франклином в письме от 29 апреля 1749 г. Джону Митчелу, члену Королевского общества, опубликованном в 1751 г. Франклин пишет ([130], стр. 36):

«.. . если какой-то отдельный участок Земли оказывается? сильно нагретым (возможно, что солнце освещало его в течение нескольких дней, в то время как окружающая местность была заслонена облаками), то нижний воздух становится более разреженным и поднимается, а более холодный и плотный воздух сверху опускается; в таком воздухе собираются облака с разных сторон и объединяются над нагретым местом, и если одни из них наэлектризованы, а другие нет, то возникают молнии и гром, выпадают ливни. Следовательно, гром разражается, после нагревания, а холодный воздух бывает после грозы с порывистым ветром; он приносится водой и облаками, приходящими из выше расположенных, а значит, и более холодных областей».

Более ясно это явление было описано в 1785 г. математиком и физиком Иоганном Генрихом Ламбертом, знаменитым своей книгой о фотометрии и многими другими исследованиями [202].. Сначала Ламберт отмечает, что если считать Землю плоской,, то одинаковое везде изменение температуры не могло бы изменить показания барометра, так как тепло не изменило бы вес воздуха. Но

«если изменение температуры не повсеместно, то ясно, что воздух будет расширяться только там, где произошло нагревание,. так что равновесие в верхних слоях будет нарушено, пока нако­пившийся воздух не растечется в стороны.

Это нарушение равновесия причиняет циркуляцию воздуха, если нагревание происходит над достаточно обширным районом Земли. Поскольку воздух наверху перетекает из более теплой области в граничащие с ней более холодные, давление в последних будет расти, а в результате будет нарушено равновесие и внизу. По этой причине нижний воздух будет течь к более нагретой области» ([202], стр. 101).

Эта статья была посвящена измерениям высоты с помощью барометра, и Ламберт, по-видимому, не интересовался приложением этой плодотворной концепции к метеорологии. Если бы юн проявил такой интерес, это могло бы значительно изменить историю метеорологии, ибо Ламберт пользовался всеобщим уважением. Так, или иначе его статья стала известной лишь немногим.

По-видимому, с ней был знаком и Марселин Дюкарла-Бонифас, более известный как Дю Карла, около 1780 г. опубликовавший в Женеве большую работу под звучным названием «Естественная история Земли». Работа появилась частями, из которых седьмая была озаглавлена «Des meteores locaux». На стр. 37—38 этой части объяснено, что если подстилающая поверхность теплее воздуха, то возникает восходящее течение и в таких течениях формируются облака. Эта идея была знакома Соссюру (308], который читал Дю Карла и часто ссылался на «восходящий поток» и его образование в результате нагревания. Более подробно мы изложим его взгляды в главе V.

Но для того чтобы из этой идеи можно было извлечь максимальную пользу, сначала нужно было уяснить, что поднимающийся воздух обязательно охлаждается. Математическое дока­зательство этому дал Пуассон в 1823 г. [276]. Однако эта идея нескоро получила применение в метеорологии, и первым человеком, написавшим о некоторых следующих из нее выводах, был американец Джемс Поллард Эспи. К 1850 г. Эспи понял, что можно избавиться от старого вопроса о взвешенности облаков следующим образом:

«Нет необходимости спрашивать, как это часто делается, какая сила поддерживает облака в воздухе, если только не доказать, что они находятся там во взвешенном состоянии, что, как я думаю, невероятно… У нас есть все основания думать, что облачные частицы начинают падать в воздухе… как только они отделяются от поднимающегося столба воздуха, с помощью которого было сформировано облако» [122].