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.

Можешь ли возвысить голос твой к облакам, чтобы вода в изобилии покрыла тебя?

Книга Иова, гл. XXXVIII, стих 34-й

1. Введение

В последних трех главах я попытался заложить нужную основу для краткого обсуждения многих теорий дождя, сформулированных в 17 и 18-м столетиях. Термин «теория дождя» следует здесь понимать как попытку объяснить превращение взвешенного пара в падающие капли дождя или снежные хлопья (в последние — при тех условиях, при которых вода может появляться в твердом состоянии).

Очевидно, проблема состоит из двух частей: формирование облачных частиц из пара и развитие дождевых капель из облачных частиц. Даже при отсутствии сколько-нибудь подробных знаний о физике облаков — предмете, относящемся к последним восьмидесяти годам или около того,— всегда наблюдалась тенденция объединить эти два процесса в один и подумать, каким образом невидимый пар может быть превращен в дождь, причем облака считались неизбежной промежуточной стадией этого процесса. Лишь в небольшом числе исследований имелись рассуждения о физике роста дождевых капель, а в последней части периода она часто связывалась с тем фактом, что в дождемере, расположенном ближе к поверхности земли, собирается больше дождя, чем в расположенном выше.

Конец 18-го столетия ознаменовался беспрецедентным развитием химии, начавшимся вскоре после того, как были достигнуты большие успехи в изучении статического электричества. Это вне­запное расширение научного горизонта привело к появлению массы экстравагантных метеорологических гипотез, которые заслуживают рассмотрения в отдельной главе (глава VI).

2. Элементарные понятия о расширении и сжатии

В 1637 г. Декарт рассуждал о причинах, заставляющих облачные капельки сливаться в дождевые капли. Для того чтобы это вообще могло случиться, должно иметься изобилие пара, а чтобы перемешивание «тонкой материи» не препятствовало влиянию, должно быть холодно.

«И необходимо также, чтобы западный ветер, препятствующий облачному движению паров, собирал их и конденсировал их в месте, где он останавливается, или еще чтобы два или большее число других ветров, направленных с разных сторон, сжимали бы капельки и накапливали бы их в месте их встречи, или чтобы один из ветров гнал их навстречу уже сформировавшемуся облаку, или еще чтобы пары собирались у основания какого-либо облака по мере того, как они исходят от земли» [101].

Очень трудно понять, как Декарт мог прийти к мысли, что ветер может гнать пары навстречу существующему облаку, а облако не удаляется при этом с точно такой же скоростью. Возможно, что он наблюдал некоторые по видимости стационарные облака, образующиеся с подветренной стороны горного хребта при сильном ветре, хотя эти облака обычно не дают дождя. Даже его хорошо известные идеи о непрерывности трудно обнаружить в вышеприведенном отрывке.

Представление об облаках, подвергающихся сжатию, и о частицах, согнанных вместе, всплывает время от времени на протяжении почти всего периода. Зная, что иногда дождь может идти при повышении барометра, Джордж Гарден отмечает, что это почти всегда бывает после внезапного изменения направления ветра, по нашей терминологии — после прохождения холодного фронта:

«… если направление ветра неожиданно переходит в другую четверть, эти пары, до того рассеянные в виде малых частиц и потому взвешенные в воздухе, внезапно встречаются и сливаются в капли и вынуждены падать в виде дождя…» [133].

Дезагюлье хотел видеть причину того же явления во внезапном действии другого рода:

«Не спокойное опускание облака, а только ускоренное нисходящее движение создает дождь» [100].

Исключениями являются удар от вспышки молнии и столкновение облака с холмом. Последнее не ставится в связь с вынужденным подъемом.

«[Облако], встретив на своем пути высокий холм, конденсируется и выпадает в виде капель, особенно если в дневное время ветер уносит его от солнечного света к затененной стороне горы» [100].

Идеи Дезагюлье были повторены вместе со множеством других идей в той научной мусорной свалке, которую представляют собой «Essais de physique» Мушенбрука [249]. Даже в 1765 г. преподобный Хьюг Гамильтон из Дублина считал, что процесс, в результате которого облака превращаются в дождь,— это слияние их частиц под действием встречных ветров [158]; а в 1772 г. Делюк, публикуя свои «Modifications», все еще был под чарами этой идеи, которую он и изложил под заголовком «Причина дождя»:

«Когда — при изобилии пара, на склоне горной цепи, при действии ветра встречного направления или, наконец, благодаря сопротивлению, которое само облако оказывает несущему его ветру, — эти облака испытывают сжатие; когда это случается — капли воды приходят в соприкосновение и объединяются, огненные частицы, которые служат для них средством перемещения, также объединяются и ускользают — тем легче, чем более разрежен воздух, или их поглощают сами горы, и так образуются дождевые капли, которые затем падают, поскольку они тяжелее воздуха» ([88], стр. 724).

Очевидно, «огненные частицы», содержащиеся в воздухе, могут также быть абсорбированы самим дождем и унесены им вниз, на землю; таково объяснение, данное очень большому хо­лодному фронту, наблюдавшемуся 21 августа 1764 г., когда температура внезапно упала от 22 до 8°R (от 27,5 до 10° С) ([88], стр.720).

Делюк никогда не оставлял совсем идею о частицах, приходящих в соприкосновение, но в более поздних своих сочинениях он уже придавал меньше значения сжатию облаков. Около 1786 г. он решил, что дождевые облака отличаются от других следующим: в них образуется так много пара, что частицы — пузырьки, как считалось тогда,— приходят в контакт и объединяются, лопаясь при этом, подобно большим мыльным пузырям; образовавшиеся капли на своем пути вниз увлекают другие пузырьки ([90], стр. 621).

Другая группа физиков придерживалась диаметрально противоположного взгляда и считала, что для образования дождевых капель или даже облаков необходимо не сжатие, а расширение воздуха. Эту точку зрения хорошо выразил Эдмонд Галлей:

«…если, при высоком барометрическом давлении, воздух накапливается под действием встречных ветров, то пары сохраняются еще лучше и удерживаются от коагуляции или конденсации в капли, почему облака и формируются не с такой легкостью, а ночью пары падают вниз просто потому, что они возникают в виде мельчайших атомов воды. В то же время, когда ртуть стоит низко, а воздух разрежается в результате отсасывания его двумя растекающимися в разные стороны ветрами, атомы воздуха не удерживают пары столь полно разделенными и они сливаются в видимые капли в облаках, а из них легко превращаются в большие по размеру капли дождя» [156].

Парди, считавший, что облака состоят из маленьких пузырьков, думал, что дождевые капли образуются при их разрушении «или потому, что воздух, который в них содержится, разрежается чрезвычайно сильно, или по какой-либо другой причине» [260]. Не совсем ясно — подразумевает ли он, что воздух вне их должен также разрежаться.

Восемьдесят лет спустя Дю Карла основывал свои замечательные теории на представлении, что именно разрежение воздуха приводит к конденсации воды в восходящих потоках [109].

Происхождение этой идеи несомненно шло от знаменитого и всех восхищавшего опыта Отто фон Герике с «облачной камерой», который видел каждый физик и практически почти каждый любитель науки. Здесь можно было увидеть, как образуется облако при разрежении влажного воздуха и, по-видимому, именно этим путем — до тех пор, пока, приблизительно в 1755 г., не было обнаружено, что расширение вызывает одновременно падение температуры. Было также замечено, что при подходящих условиях достаточно лишь небольшого разрежения.

3. «Солевые» испарения

Сразу же после приведенной выше цитаты мы находим у Галлея:

«Возможно, и не невероятно, что некоторый род солевых или угловатых частиц земных испарений, будучи перемешан с водными, которые я считаю пузырьками, могут прорезать или раз­рушать их оболочку и таким образом способствовать более быстрой конденсации их в дождь» ([156], стр. 473).

До этого он высказывал предположение, что если бы вся земля была покрыта слоем глубокой воды, то погода не была бы разнообразной, если не считать

«периодических изменений, одинаковых каждый год, поскольку смешение всех земных, солевых, гетерогенных паров отсутствовало бы: ведь, приносимые ветром и смешиваемые в различных пропорциях, они-то, по-видимому, и являются причиной возникновения тех различий сезонов, которые мы наблюдаем» ([156], стр.470).

Это предположение почти наверняка идет от рассуждений о «нитро-эфирных спиртах» Майо, рассмотренных в главе IV, или подсказано ими. В 1715 г. Эдвард Барлоу думал, что образование дождя требует добавления «извлечений из минералов и серных испарений, исходящих из недр Земли» [28]. Мушенбрук, естественно, также упомянул о них. Но, к некоторому нашему удивлению, потом эти субстанции практически перестали фигурировать в теориях дождя.

4. Рост дождевых капель

В главе I мы рассматривали странную теорию Аристотеля о том, что самые большие дождевые капли — и градины — рождаются вблизи от земной поверхности. Это оказалось неприем­лемым уже в 17-м столетии, и все авторы, обсуждавшие этот предмет, насколько я знаю, соглашались, что обычно дождевые капли растут по мере их падения. По-видимому, вообще этим вопросом интересовались не очень многие. Очевидно, существуют два механизма роста дождевых капель: объединение капель при их падении и конденсация воды на каплях.

Вторая составляющая этой альтернативы привлекла Антуана Ле Грана, картезианского философа, жившего в Оксфордшире. Летом, говорит он, дождевые капли больше, потому что «они па­дают с более высоких уровней и, проходя в воздухе более длинный путь, увеличиваются при этом в размерах, собирая на себе воду» [209]. Точно такое же мнение было высказано в 1686 г. Эдме Мариоттом, добавившим, что зимой облака располагаются ниже ([232], стр. 18—19).

Первую часть альтернативы защищал Барлоу, приписывавший слияние элементов, образующих осадки, различной скорости их падения, из-за которой большие по размерам перехватывают меньшие ([28], стр. 47). В одном из своих лучших параграфов Мушенбрук приписывает различия в скорости падения неодинаковому соотношению между поверхностью и объемом и отмечает также, что скорость дождевых капель быстро достигает максимума, соответствующего их размерам. Он дает также правильное объяснение максимальных размеров дождевых капель (около 6 мм): сопротивление воздуха разрывает их, если они становятся сколько-нибудь больше, и «способность притяжения» оказывается недостаточной ([249], стр. 794).

Гамильтон также принял теорию слияния, чтобы объяснить рост дождевых капель:

«…и по этой причине капли, выпадающие из более высоких летних облаков, обычно оказываются большими, чем зимой, когда облака располагаются ниже» [158].

Однако вскоре, после некоторых опытов с дождемерами, проведенных в Вестминстере знаменитым врачом Уильямом Геберденом старшим [163], появился новый стимул для развития этого вопроса. Он установил три сходные воронки: одну — вблизи поверхности земли, другую — выше самых высоких дымовых труб дома и третью — на крыше Вестминстерского аббатства, так чтобы она не затенялась западными башнями. Во все месяцы с июля 1766 г. до июня 1767 г. количество собранных осадков уменьшалось с ростом высоты, причем общие суммы осадков составляли 22,608 дюйма в саду, 18,139 дюйма на доме и только 12,099 дюйма— на крыше Аббатства. Ясно, что такой разительный эффект должен иметь свою причину: таковая, как говорит Геберден, не была открыта, но

«возможно, что к этому явлению имеют отношение некоторые, до сих пор неизвестные, свойства электричества. Эта сила несомненно принимает большое участие в падении дождя, которое вряд ли вообще осуществилось бы, если бы воздух и электрические приборы были достаточно сухими и не было признаков электричества в воздухе» ([163], стр. 361).

Те, кто знал об электричестве больше, были более осторожными, используя его в качестве объяснения. Бенджамин Франклин в 1771 г. в письме к Томасу Персивалю говорил, что каждая дождевая капля «получает непрерывное пополнение на своем пути вниз», и предлагал два возможных механизма: один, с помощью которого бутыль, наполненная холодной водой, притягивает влагу «из окружающего ее с виду сухого воздуха», и второй, с помощью которого наэлектризованное тело притягивает пылинки. Тогда уже было известно, что капли, приходящие сверху, холодны и что они наэлектризованы, но Франклин не думал, что этих знаний достаточно, чтобы предложить обоснованную теорию [267].

Важность опытов с дождемерами была ясна Дэйнису Баррингтону. Услышав об экспериментах Гебердена, он установил два дождемера в северном Уэльсе, оба у земли, но с разницей в высоте в 1350 футов. Благодаря исключительной удаче — или неудаче — он обнаружил лишь несущественное различие в показаниях дождемеров [29]. Сдержанное примечание Гебердена, добавленное к статье Баррингтона, заканчивалось так:

«Следовательно, разница … не зависит от большей мощности атмосферы, сквозь которую падает дождь, хотя это и предполагали многие, которые сделали отсюда вывод, что этот факт может быть легко объяснен накоплением большего числа капель при падении через большой слой атмосферы» ([29]* стр. 297).

Мы, вероятно, не должны придавать большое значение словам «большее число капель» в этой цитате. Тогда считали возможным решить с помощью таких экспериментов лишь вопрос о том, растут ли капли, объединяясь с более мелкими, или эта происходит путем заимствования дополнительной воды из влажной атмосферы. Теперь мы знаем, что в росте капель участвуют оба процесса, но и до сих пор одна из наиболее сложных проблем современной физики облаков — это решить, каков их относительный вклад. Что же касается проблемы дождемеров, установленных на разных высотах, то она была решена значительно позднее, как это станет ясно из главы VIII.

В этой части нашего повествования снова появляется Бенджамин Франклин. 22 декабря 1784 г. он направил Манчестерскому литературному и философскому обществу статью под названием «Метеорологические фантазии и догадки». Одна из них может быть процитирована здесь полностью:

«Возможно, что летом большая часть того, что выпадает на землю дождем, могло быть снегом, когда только начиналось его падение, но, растаяв при прохождении сквозь теплый воздух вблизи земли, оно превратилось из снега в дождь» [132].

Это мнение было предвосхищено Дж. Г. Ламбертом, который вывел его из того факта, что дождь часто холоднее, чем воздух у поверхности земли [202]. В настоящее время считается, что во многих случаях дождь начинает свое выпадение в виде снега.

5. Влияние местности

Из наблюдений на побережьях, как обращенных к западу, так и к востоку, вероятно, уже давно было известно, что большее количество дождя выпадает на холмах, расположенных в глубине материка, чем на плоских равнинах вблизи морского побережья. Сегодня осадки, вызванные наличием холмов, называют орографическими, и мы знаем теперь, что причина выпадения больших количеств осадков в горах заключается в охлаждении воздуха в процессе его вынужденного подъема при перетекании через них. Но задолго до того, как это стало понятно, Галлей сделал свое первоклассное описание гидрологического цикла, в котором вначале предполагалось, что земля полностью покрыта океаном [156].

Однако фактически на ней существуют высокие горы,

«высота которых намного превосходит ту, на которую сами по себе поднимаются водяные пары, и на вершинах которых воздух столь холодный и разреженный, что он в состоянии удержать лишь небольшую часть тех паров, которые туда приносят ветры» ([156], стр. 470).

Таким образом, вода выпадает,

«просачиваясь вниз через трещины в камнях, а часть паров проникает в пещеры в холмах, и вода, образовавшаяся из них, собирается, как в перегонном кубе, в находимых ею каменных бассейнах. Так, если мы можем проследить конечные причины, то таковыми должны быть формы холмов, а именно что их гребни, расположенные в центре континентов, должны действовать как если бы они были перегонными кубами для дистиллирования воды на пользу человеку и животным, а их высоты дают возможность этим потокам спокойно сбегать вниз, подобно многим кровеносным сосудам вселенной, и становиться весьма благотворными для творения» ([156], стр. 473).

Примерно до 1780 г., по-видимому, лишь Дезагюлье (1729 г.) и Мушенбрук отмечали роль холмов, хотя Делюк (1772 г.) видел в них одну из причин «сжатия облаков». Делюк сделал много наблюдений в горах, но их главной задачей было усовершенствование барометрической гипсометрии, что повлекло за собой некоторую односторонность в анализе результатов этих наблюдений. Он предложил также две неудачные конструкции гигрометров [240], и это оказало влияние на его представление о дожде. Мы еще вернемся к Делюку в главе VI.

Наиболее настойчиво указывал на влияние местности Дю Карла в книге, уже упоминавшейся в главе III [109], и в более поздних статьях [110]. Он приводил дюжины примеров того, как ветер откладывает приносимую им влагу на наветренных склонах гор. Наиболее впечатляющий пример этого дают южноамериканские Кордильеры, достаточно высокие для того, чтобы захватить почти всю влагу, приносимую восточными ветрами, так что затем они приходят в Перу, как выжатая губка, и высушивают все по дороге, стремясь восстановить свою влажность. В статье 1781 г. Дю Карла поясняет эту идею, предлагая представить себе стену в несколько тысяч саженей высотой на меридиане Парижской обсерватории и постоянно дующий восточный ветер. Это, говорит он,

«приведет к тому, что в Венсенне будет вечным потоп, а Марли превратится в абсолютную пустыню, хотя Венсенн и Марли отстоят друг от друга менее, чем на шесть лиг» ([110], стр. 447).

Если бы ветер дул с запада, то распределение климатов было бы обратным. Стена — или горный хребет — меньшей высоты лишь частично осушала бы текущий над ними воздух, но даже очень небольшое возвышение будет заставлять осаждаться часть влаги из насыщенного воздуха. Вообще говоря, влажными ветрами являются ветры восходящие, а сухие ветры — те, которые опускаются.

Книга Дю Карла, которая, конечно, не могла быть издана очень большим тиражом, привлекла внимание меньше, чем она заслуживала. Он не только подчеркнул значение гор для образования дождя, но и ясно представлял себе причину образования «стационарных» облаков с подветренной стороны гор. Он был также, насколько я знаю, первым, кто понял, что воздух может быть вытеснен вверх протекающим под ним потоком более плотного воздуха, хотя он и относил это представление только к Центральной Африке. Соответствующая цитата гласит:

«Солнце, перешедшее в северное полушарие, находится над Лунными горами в начале апреля. Это там, где располагаются «глаза» Нила; покрывающий их воздух, более разреженный в это время, чем весь остальной воздух на этом же меридиане, вытесняется вверх воздухом с севера, который, как приходящий; из районов зимы, наиболее уплотнен…» ([109], стр. 27).

6. Конвекция

Мы уже отмечали, что Дю Карла, вероятно, независимо от Франклина и Ламберта, обнаружил, что неравномерное нагревание различных частей местности создает конвекцию. Всякий раз, когда поверхность гор теплее, чем воздух, возникают восходящие течения, приводящие к конденсации и, в конечном счете, к дождю. Заслуживает внимания и та идея Дю Карла, что горные вершины почти постоянно оказываются теплее, чем окружающий их воздух, благодаря внутреннему теплу Земли. Более того, он, по-видимому, думал, что горы сохраняют почти постоянную температуру в 10° R во все сезоны.

Соссюр, читавший Дю Карла, развил сложную теорию поднятия пара конвекцией [308]. Он исходил из того, что первоначально имеется совершенно сухая атмосфера над влажной поверхностью земли, нагреваемой солнцем. Воздух, нагреваясь, поднимается и «непрерывно замещается северным ветром». Вероятно, он думал при этом о Женеве, где ветер, называемый «sechard» («осушающий ветер»), поднимается при установившейся хорошей погоде около 8 или 9 часов утра.

Если вместо этого воздух уже насыщен, то вблизи земли будут образовываться отдельные облачные частицы — конечно, «пузырьки». Однако затем они снова рассеиваются слегка нагреваю­щимся воздухом, и этот воздух увлекается вверх вертикальными течениями до уровня, где снова могут образовываться облака. Плотность облаков будет расти, пока будет продолжаться приток пара, но в конце концов они прекратят доступ солнечного света и тепла к нижним слоям и облака опустятся или начнется дождь.

Соссюр часто пишет о столбе воздуха, смежных столбах и т. д.; это позволяет думать, что у него имелось хотя бы смутное представление о том, что мы теперь называем ячейками кон­векции. В заметке на стр. 277 его «Essais» он пишет, что поднимающийся воздух должен замещаться ветрами, дующими из более прохладных районов. Но он не уяснил это себе полностью, как, очевидно, и Делюк, который в 1787 г. энергично отрицал существование восходящих течений воздуха ([90], стр. 600, 651). Один из его доводов состоял в том, что если теплый воздух поднимается под действием тепла, получаемого им от солнца, то он не будет становиться холоднее на вершинах гор, хотя, как мы сейчас увидим, этот довод был опровергнут И. Г. Ламбертом. Но некоторые из его возражений настолько нелепы, что их можно объяснить лишь желанием любой ценой опровергнуть идею вертикальной конвекции, поскольку она угрожала собственной теории Делюка о дожде, которая будет рассмотрена в следующей главе. Например:

«Г-н Де Соссюр продолжает говорить о столбе, но все рассматриваемые причины являются общими для очень большой части полушария, освещенной солнечными лучами» ([90], стр. 661).

Я не склонен думать, что такой бывалый альпинист, как Делюк, не понимал — хотя бы тогда, когда на это обратили его внимание,— что воздух над склоном, обращенным к югу, будет на­греваться значительно больше, чем над склоном, обращенным на север. Нельзя ожидать, чтобы он знал, как мы это знаем теперь, что различные поверхности неодинаково отражают и поглощают тепло, но, несомненно, различие между скалами и снегом он мог заметить.

В тот же период Эндрью Оливер из Салема, Массачузетс, использовал понятие конвекции, чтобы объяснить смерч [258], и на протяжении многих лет лучшего объяснения этого поразительного явления не было дано.

7. Охлаждение при разрежении

Дю Карла ясно понимал, что именно разрежение поднимающегося воздуха приводит к конденсации части содержащейся в нем воды, и даже утверждал, что количество осадков на единицу площади за единицу времени пропорционально скорости подъема ({109], стр. 29). Но знал ли он, что существует необходимая связь между разрежением и охлаждением? Очевидно, да, ибо в 1781 г. он ясно говорил, что

«воздух … не может подниматься в атмосфере, не охлаждаясь и не разрежаясь и не теряя, по той и другой причине, своей способности содержать в растворе инородные субстанции».

Из слов, выделенных мною курсивом, ясно, что его познания о процессе были полностью эмпирическими и что он верил, что одно разрежение способно вызвать конденсацию водяного пара. Это представление господствовало среди ученых, начиная со времени эксперимента Герике с «облачной камерой».

В 1755 г. Уильям Кэллен, позднее профессор медицины в Глазго, заметил охлаждение воздуха, подвергавшегося в лаборатории быстрому расширению, но приписал это испарению первоначально содержавшейся в приборе воды [65]. Теория не прогрессировала до опубликования И. Г. Ламбертом его «Ругоmetrie» в 1779 г., где он объяснил как это явление, так и нагревание воздуха при сжатии изменением концентрации частиц «жара», т. е. упругой жидкости, из которой, как предполагалось, состоит тепло [203]. Легко увидеть, как логично было это объяснение. Но Ламберт сделал более того. Он теоретически объяснил понижение температуры с высотой в зависимости от относительной легкости «жара». Отметив, что тепло поднимается в воздухе, он продолжает:

«Такое восходящее движение тепла продолжается в воздухе все время. Поскольку тепло, получаемое Землей в течение года от Солнца, поднимается в воздух, то Земля нуждается в новом тепле от солнца для того, чтобы не охлаждаться все больше и больше. Так как движение тепла вверх зависит от его меньшего веса, его скорость будет продолжать возрастать по мере подъема. В результате частицы жара, следующие друг за другом вверх, все больше и больше отдаляются друг от друга — явление того же рода, что можно увидеть, если наблюдать за падающей сферой через каждую десятую секунды. Расстояние между ними будет увеличиваться соответственно ряду чисел 1, 3, 5, 7 и т. д. По этой причине плотность частиц жара в верхних слоях воздуха меньше и воздух там, таким образом, холоднее» ([203], стр. 232).

Это в высочайшей степени ясное объяснение, по-видимому, не было замечено метеорологами.

Так или иначе, заново за разрешение этой задачи взялся исключительный человек — Эразм Дарвин, дед Чарльза Дарвина, — который был недооценен в значительной степени благодаря тому, что писал стихи, быстро вышедшие из моды, и придерживался политических взглядов, ставших немодными еще быстрее. Но он был человеком многосторонним, и для нас особо интересна его статья, написанная в 1788 г. [80], в названии которой изложена программа: «Эксперименты с охлаждением воздуха механическим расширением, объясняющие причину великого холода на вершинах высоких гор, внезапной конденсации воздушного пара и постоянных превращений атмосферного тепла».

Таких «холодильных экспериментов» было четыре, а именно:

1) когда воздух из «баллона приемника пульверизатора» направляется на шарик термометра — ртуть опускается;

2) она опускается также, если термометр поместить в сосуд, воздух из которого выкачивается воздушным насосом;

3) она опускается, когда шарик подставлен под струю воздуха из «воздухосборника фонтана», т. е. из сосуда, который, кроме того, что в нем собирается воздух, сглаживает пульсации, вызываемые поршневым насосом;

4) наблюдение, о котором в 1761 г. сообщал (К. Ф.?) Вольф; речь идет о том, что у выходного отверстия «Фонтана героя» в Венгрии, которое находилось на высоте 260 футов, скапливались снег и лед [369]. Все это, говорит Дарвин

«служит хорошим основанием для вывода, что при всех обстоятельствах, когда воздух подвергается механическому расширению, он становится способным притягивать вещество флюида тепла от других тел, соприкасающихся с ним» ([80], стр. 47).

И он совершенно правильно использует это явление для объяснения холода в горах и в высоких слоях воздуха, что уже начало тогда подтверждаться воздухоплавателями, поднимавшимися на воздушных шарах. Он также вычеканил новое слово «devaporation», являющееся синонимом конденсации пара, но на самом деле лучшее, поскольку «конденсация» может также означать и другие явления, как по этимологии, так и по употреблению. Но Оксфордский словарь английского языка, который ссылается на Дарвина, приводя это слово, не нашел, к сожалению, продолжателей.

В своей статье он также отмечает, что при «воздушной де-вапорации»

«некоторое количество тепла высвобождается вместе с избытком девапорации (т. е. с конденсатом) и атмосфера становится теплее, чем перед началом конденсации» ([80], стр. 51),

но это, конечно, было ссылкой на принадлежавшее Джозефу Блеку открытие скрытого тепла, которое формально не было опубликовано Блеком, но было хорошо известно группе людей в Бирмингеме, к которой принадлежали как Эразм Дарвин, так и Джеймс Уатт и Джозеф Пристли [319].

Джон Дальтон удовольствовался в 1793 г. только тем, что интерпретировал нагревание воздуха при сжатии как результат осаждения части содержащегося в нем пара, отдающего свое скрытое тепло воздуху. Он, очевидно, оставался при этом мнении до 1834 г. ([67], 2-е изд.). И, действительно, роль скрытой теплоты конденсации в явлениях погоды начала становиться понятной только в 30-х годах 19-го столетия.

Мы как будто ушли далеко в сторону от собственно теории дождя, но уместность этих рассуждений обнаружится в главе VIII, когда речь пойдет о развитии науки в 19-м столетии.

8. Теория дождя по Хэттону

В том же году, что и статья Эразма Дарвина, была опубликована теория дождя, представленная на обсуждение Королевскому обществу в Эдинбурге несколько ранее, в 1784 г., знаменитым шотландским геологом Джеймсом Хэттоном, чья «Theory of the earth» была вехой в истории этого предмета. Свою статью, озаглавленную «Теория дождя [181], Хэттон начал с вопроса, почему дыхание видимо в холодную погоду. Это не может быть объяснено, говорит он, «общими законами тепла и холода», а должно зависеть от «растворяющей способности» воздуха, неравномерно изменяющейся с изменением температуры. Известно, что более теплый воздух «растворяет» больше воды, но какова точная связь между температурой и «растворяющей способностью»? Она может иметь один из трех видов (рис. 1): прямой линии mr, некоторой кривой mr, выпуклой вверх, или некоторой кривой теr, выпуклой вниз. Если теперь ординаты am и br характеризуют количества воды, необходимые для насыщения заданного объема воздуха при температурах а и 6, то количества «растворенной» воды (т. е. находящейся в парообразном состоянии) или нерастворенной при любых отношениях смеси насыщенного воздуха при этих двух температурах будут характеризоваться ординатами прямой mr. Таким образом, если бы закон представлялся линией тr, то все смеси насыщенного воздуха наверняка были бы насыщенными. Если одна или обе составные части не были насыщены, то никакая их смесь не была бы насыщенной.

Но если закон описывается, например, кривой теr и смешиваются любые количества насыщенного воздуха при температурах а и b, тогда ор, например, т. е. количество имеющейся воды, будет равно количеству ое, требующемуся для насыщения смеси, плюс ер, которое появится в виде жидкой воды. Если кривая имеет вид, подобный mkr, то любая такая смесь будет ненасыщенной, поскольку ok>op. Сам тот факт, что дыхание и пар становятся видимыми, показывает, что кривая не может иметь такую форму и что «растворяющая способность» воздуха является возрастающей функцией температуры.

002

Видимая конденсация требует достаточной степени насыщения в двух смешиваемых атмосферах. «Достаточно, чтобы разность температур смешиваемых порций более чем компенсировала бы недостаток точки насыщения» [181]. Хэттон легко мог показать это на графике, но не сделал этого.

Он считал, что такое смешение и есть основная причина дождя и снега, и приводил в поддержку этой идеи два случая, когда снег образовывался после того, как очень холодный воздух внезапно проникал в теплое помещение,— наблюдение, вообще говоря, не необычное для зимы в субарктических климатах. Но это далеко не всегда так. Он утверждал, что если бы конденсация не происходила при смешении нижнего полярного течения и верхнего экваториального, то на протяжении всего лета мы имели бы засуху, а всю зиму — дождь. У нас нет места для изложения во всех подробностях более тридцати страниц in quarto «Теории дождя применительно к явлениям природы», составляющей часть II его статьи ([181], стр.52). Он сделал благородное усилие, но статья его страдала от одного фатального недостатка: рассуждения ее были качественными, и если бы он мог выразить их в числах, то увидел бы, насколько это смешение недостаточно, даже если бы удалось показать, что оно имеет место. То, что в холодную погоду дыхание становится видимым, как пар над котелком, превосходно объясняется его теорией, но среди метеорологических явлений лишь небольшой класс туманов действительно образуется в результате указанного им процесса.

На теорию Хэттона немедленно напал Ж. А. Делюк ([90], стр. 580), который не признавал результатом смешения даже видимое дыхание животных или пар над котелком, не говоря уже о каком-либо дожде. В этом отношении аргументы Делюка совершенно неубедительны. Хэттон ответил статьей, представленной Обществу в декабре 1787 г. [182], в общем очень вежливой, однако в конце ее он позволил себе заметить, что

«… любой человек, читавший последние публикации [Делюка], вряд ли будет ожидать, что наш автор при его метеорологических идеях будет в этом случае свободен от предвзятости» ([182], стр. 55).

В следующей главе мы увидим, насколько это было справедливо. Хотя я читал книги и статьи Делюка по этому вопросу с интервалом в двадцать лет, я только недавно понял, что в 80-х годах он был жертвой навязчивой идеи: он не мог стерпеть, чтобы кто-либо еще предложил теорию дождя, отличающуюся от его собственной теории. Как только он увидел ответ Хэттона, он написал ему длинное письмо, датированное 4 декабря 1789 г., и поспешил отдать его в печать в «Monthly Review» [91]. Здесь он повторяет свои прежние доводы и затем говорит, что возражает не против гипотезы смешения, а против основанной на ней теории дождя. Характерно, что он даже претендует на первенство в создании этой гипотезы. Затем на одном численном примере он показывает количественную недостаточность теории, и этот единственный параграф оправдывает письмо. Я не нашел, что об этом думал Хэттон, но нет сомнений, что Делюк был гораздо более умелым спорщиком. На обвинение в предвзятости он отвечает в конце письма забавной жалобой на то, что его новые идеи также заставили его отказаться от его собственной прежней теории, так что несправедливо обвинять его в небеспристрастности!

Теории Хэттона следовало бы умереть ранней смертью, но она продолжала жить в энциклопедиях. Джон Лесли был удовлетворен ею еще в 1824 г. [218], но в 1833 г. Люк Говард во втором издании своей знаменитой книги о климате Лондона уже почувствовал, что наступило время поработать над ее разрушением. Отбрасывая «хэттоновскую теорию дождя», он писал:

«Наиболее надежный путь, которым мы можем пойти, обсуждая предметы, связанные с явлениями природы, несомненно путь прямой индукции по данным наблюдений и опытов: и на этом пути нам может быть разрешено пользоваться не только нашими собственными результатами, но также и опубликованными результатами других. Тем не менее иногда случается, что лишь беглая реплика изобретательного мыслителя, особенно если она подкрепляется видимостью математического доказательства, находит общее признание из уважения к его имени и к его предшествовавшим трудам — без малейшего притязания на экспериментальную проверку или какие-либо наблюдения природы. Такова на самом деле столь превозносившаяся теория дождя Хэттона» ([179], I, стр. 124).

На этом сентенционном приговоре мы можем расстаться с этой темой.