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.

Нельзя полагать, что любую погоду, нормальную или аномальную, можно приписать единственной причине.

N. Shaw. «Manual of meteorology»

1. Введение

К 1800 г. объект нашего исследования находился в особенно неудовлетворительном состоянии. Большинство идей, которые позднее доказали свою плодотворность, таких, как формирование восходящих токов и охлаждение воздуха при подъеме, было почти позабыто. Их место заняли идеи почти или вовсе не имевшие будущего, такие, как псевдохимическая теория Делюка, которую мы изучали в главе VI. Типичное для XVIII в. построение систем, особенно ярким примером которых была система, созданная Делюком, только еще начало отступать перед лицом экспериментальных данных или ввиду их недостатка.

Что также, вероятно, было неудачным, так это то, что большинство деятельных метеорологов второй половины XVIII в. происходило из Альп. Погода в горах часто представляет эффектное зрелище, и, возможно, именно это стимулировало активность ученых в этом вопросе; но в то же время погода горных мест очень сложна, или, вернее, присутствие гор затрудняет понимание ее запутанных физических процессов. Показательно, что первый реальный прогресс в XIX в. пришел из такой страны, как Соединенные Штаты, где рельеф значительно менее существен по отношению к размерам области, доступной для изучения. Это возрождение зависело также от наличия хорошо организованной синоптической сети; и хотя Соединенные Штаты не были первой страной, где возникли синоптические метеорологические наблюдения, они были первыми, где проводилось много наблюдений на достаточно обширной площади.

Прогресс теории нашего вопроса в XIX в. был основан на достижениях термодинамики. Когда они были должным образом поняты, был сразу совершен большой шаг к пониманию различных крупномасштабных механизмов образования дождя. Только к концу периода был достигнут значительный успех в понимании более сложных мелкомасштабных процессов. Эта тема, чрезвычайно подробно изучаемая в наше время, будет затронута вкратце в двух последних разделах этой главы.

2. Первая четверть века

Непосредственно после 1800 г. наибольшая активность в данном вопросе наблюдалась на Британских островах. Приятно отметить, что даже независимо от Дальтона, о котором шла речь в главе VII, она была весьма важна. Мы признательны Л. Говарду и будем неизменно благодарны ему за создание первой пригодной для практики классификации облачных форм, однако он не был настолько компетентен в точных науках, чтобы внести сколь-нибудь существенный вклад в теорию дождя. Он никогда не мог освободиться от веры в электричество как в важный фактор образования дождя: «дождь почти всегда — результат электрического действия одного облака на другое» ([177], стр. 99). Однако электричество — только «вторичный фактор, который видоизменяет действие двух основных предопределяющих причин — падения температуры и притока пара» ([177], стр. И). Восемью годами позже он говорит, что формы перистых облаков отражают структуру электрических токов в верхней атмосфере ([178], стр. 57). При этом он остается верным своему мнению о важности электричества (хотя он и считает его вторичным фактором) для формирования дождя ([179], стр. 128). Он знал, что кучевые облака формируются в восходящем потоке, но, не зная ничего о необходимой связи между подъемом и охлаждением, он полагал, что восходящий пар «изменяет свой климат и приходит туда, где окружающий воздух имеет более низкую температуру» ([178], стр. 51). Это пример широко распространенного мнения, что пар может быстро подниматься совершенно независимо от движения воздуха, в котором он содержится. Вероятно, теория Дальтона о независимости газовых атмосфер в течение ряда лет поддерживала существование этой идеи.

Химики, подобные Кирвану и Томасу Томсону, не отказались от идеи, что вода растворяется в воздухе. Это заводило в тупик и могло привести лишь к заключениям, подобным следующему заключению Кирвана:

«Когда барометр поднимается, облака отчасти растворяются, поскольку плотный воздух является лучшим растворителем, чем разреженный воздух, и отчасти поднимаются выше вследствие возросшего удельного веса воздуха, находящегося ниже; когда барометр падает, происходит обратное» ([191], стр. 258).

Более плодотворный, хотя все еще весьма эмпирический подход использовал Хэмфри Дэви, который отметил обычное уменьшение температуры с высотой, но каким-то образом сумел спутать его с эффектом простого удаления от земли:

«Когда воздух расширяется … происходит уменьшение температуры … исходя из этого, легко объяснить соотношение между уменьшением температуры атмосферы и высотой; для этого можно представить себе, что емкость (по отношению к теплу) воздуха, разреженного за счет нагрева, возрастает при его подъеме; теплота, определяемая температурой, которая послужила причиной подъема, должна на определенной высоте стать теплотой, определяемой теплоемкостью; и чем выше и более разрежен воздух, чем более он удален от источников тепла, тем энергичнее происходит уменьшение его температуры» ([83], стр. 90).

Дэви был химик, и мы можем оценить это просто как случайное замечание в книге по химии. Однако мы не можем оправдать подобным же образом Джона Лесли, чье исключительное невежество в вопросах метеорологии мы уже отметили выше*. В книге, опубликованной в 1813 г. [217] и интересной для историка метеорологических инструментов, мы видим, как подхваченные Лесли идеи Дэви развиты в качественную теорию конвективного равновесия:

«Увеличенная емкость (по отношению к теплу) разреженного воздуха является истинной причиной холода, преобладающего в верхних областях атмосферы. Из-за неодинакового воздействия солнечных лучей и смены дня и ночи между верхними и нижними слоями поддерживается непрерывная и быстрая циркуляция; и несомненно, что для каждой порции воздуха, которая поднимается с поверхности, существует равная и соответствующая порция воздуха, которая должна опускаться. Но те из них, которые поднимаются и испытывают увеличение емкости про­порционально этому, охлаждаются, в то время как соответствующие опускающиеся массы уносят тепло с собой и распространяют его внизу» ([217], стр. 11—12).

Слова, выделенные мною курсивом, являются наиболее ясным описанием процесса конвекции из тех, которые, насколько мне известно, имелись к тому времени. До этого было много разговоров о «восходящих потоках», но наконец настало время отметить, что то, что поднимается, должно и опускаться. Было бы анахронизмом искать в выдержках, подобных этой, интуитивное понимание принципа сохранения энергии, но, безусловно, понятие о меняющейся «емкости» для тепла было уже пригодно для перевода в термины термодинамики.

Мне кажется, что Лесли редко возвращался к раз уже им написанному. Во всяком случае далее в своей книге он поддерживает теорию дождя Хэттона:

«Воздух при охлаждении готов расстаться со своей влагой. А как он охлаждается в свободной атмосфере? Обязательно только при контакте или смешении с более холодной порцией того же флюида» ([217], стр. 125).

Далее он стремится показать, что лишь малая доля всей влажности двух масс воздуха при обычной температуре конденсируется при смешении, по принципу Хэттона. Но, кроме того, он предлагает нам представить, что два потока дуют навстречу друг другу, скользя один над другим вдоль их общей границы. Он считает, что так может образоваться большое количество дождя. На первый взгляд, здесь налицо ложный вывод: он как будто бы полагает, что весь дождь, образующийся на большом протяжении этих потоков, концентрируется в сравнительно небольшой области. Но несколькими страницами дальше мы останавливаемся как вкопанные перед следующим утверждением:

«В хорошую тихую погоду, после того как лучи заходящего солнца перестают нагревать землю, опускание более высоких масс воздуха постепенно охлаждает самый нижний слой» ([217], стр. 132).

Что же случилось с теплом, принесенным вниз опускающимся воздухом, емкость которого уменьшается? Видимо, Лесли был хорошим лабораторным ученым, совершенно терявшимся, когда он выходил на открытый воздух.

Интересно, что объяснение низким ночным температурам приземного воздуха было дано лишь немного позднее Уильямом Чарлзом Уэллсом, о котором мы еще много будем говорить в главе IX [357]. Объяснением служила, конечно, невидимая радиация.

Восходящий поток (Courant ascendant) становится модным. В 1816 г. на собрании Берлинской академии наук Леопольд фон Бух заявил, что «принцип восходящего потока воздуха должен поистине быть ключом ко всей науке метеорологии». Беллани [32] в 1817 г. одобрительно цитировал аналогичные идеи Дэви. Тем более удивительно, что в 1820 г. Генрих Вильгельм Брандес — значительная фигура в истории метеорологии, — зная, что кучевые облака образуются при конвективном подъеме влажного воздуха, усомнился, что пар конденсируется при смешении с холодным воздухом наверху, как все полагали тогда ([48], стр. 314), и придерживался мнения, что при этом существенную роль играет электричество. Он также полагал, что для возникновения непрерывного дождя, а особенно дождя сильного или длительного, необходимо присутствие двух взаимодействующих слоев облачности ([48], стр. 327).

Еще более крупным метеорологом — возможно, я должен назвать его климатологом, — чем Брандес, был Генрих Вильгельм Дове, с которым мы еще встретимся ниже. Известно, однако, что и Дове — по крайней мере в течение многих лет — не понимал правильно процесс адиабатического охлаждения при подъеме. Я полагаю, дело тут в том, что это явление можно понять только с помощью математических выкладок, а и Дове, и Брандес были людьми другого склада ума.

Математические выкладки эти появились примерно с 1823 г., когда Симон Дени Пуассон вывел формулы, связывающие температуру и давление, или температуру и плотность газа, сжи­маемого или расширяемого адиабатически (т. е. без потери или притока тепла), ([276], стр. 337.) Было ясно, что они относились только к ненасыщенному воздуху. Вскоре, как мы увидим, было понято, что насыщенный воздух должен вести себя иначе; но правильное математическое описание подъема насыщенного воздуха было создано лишь много лет спустя.

3. Классификация дождей

Как я пытался показать в предыдущих главах, убеждение, которое существенно тормозило развитие теории дождя, заключается в том, что все дожди образуются одинаковым образом. Около 1825 г. для нескольких человек уже стало очевидно, что это отнюдь не так. Одним из них был молодой Г. В. Дове, который в 1826 г. в Берлине получил степень доктора и немедленно развил бурную деятельность в области метеорологии, продолжавшуюся свыше 50 лет. Он выбрал в качестве главного поля деятельности область, которая ныне была бы названа «динамической климатологией», и его мышление было всегда скорее статистическим, нежели физическим. Поскольку модель, созданная осреднением ряда гроз, не похожа ни на одну из реальных гроз, его теория гроз никогда не приносила много пользы. Однако его авторитет был настолько велик, что, по мнению некоторых позднейших метеорологов, он в течение примерно 30 лет ([169], стр. 45) препятствовал признанию более правильных теорий. Климатологический подход был виден уже в диссертации Дове, а к 1828 г. он стал окончательно преобладать, что видно и из названия статьи, которую нам теперь следует рассмотреть ([107], стр. 305). Эта статья сослужила большую службу для классификации дождей по процессу их образования.

Осадки, говорит Дове, «должны возникать, когда температура воздуха понижается до точки конденсации (точки росы) водяного пара, содержащегося в нем» ([107], стр. 307). Таким образом, изучая осадки, мы должны выяснить, почему происходит понижение температуры. Различая причины охлаждения, он устанавливает четыре класса гидрометеоров.

1. Охлаждение за счет излучения. Роса, изморозь, иногда гололед.

2. Охлаждение при орографическом подъеме (он приводит примеры).

3. Теплопроводность — от или к поверхности:

а) соприкосновение с холодной поверхностью; вечерние туманы;

б) внезапная адвекция теплого воздуха над холодной поверхностью (он приводит в качестве примера выпадение осадков, сопутствующее юго-западному шторму [!], а также снегопад у границы ледяного поля или на холодном побережье);

в) понижение температуры без изменения направления ветра;

г) подъем воздуха над сушей (примеры: дневные грозы в тропиках, град, вулканические облака).

4. Смешение ветров (примеры: торнадо [!], грозы, переходящие в устойчивые дожди, ливни из мокрого снега, «апрельская погода», устойчивый снегопад, перистые и перисто-слоистые облака).

«Дождь смешения», по словам Дове, встречается наиболее часто, а другие осадки существенны лишь при слабом ветре. Дожди четвертого класса наиболее сильно влияют на показания барометра. Из своих статистических исследований он вывел, как ему казалось, ясное правило: барометр падает при дождях с восточным ветром и поднимается во время дождей при западном ветре.

Классификация Дове, безусловно, несовершенна; особенно это относится к примерам, приводимым в классах 3 б и 4. Интересно видеть, как он пытается дать статистическое толкование сведениям о дожде и ветре, полагая, что то, что мы называем фронтальными дождями, возникает либо при смешении, либо при охлаждении за счет контакта с землей. Еще интереснее его подстрочное примечание о том, что «южные ветры… натекают на сопротивляющийся им более холодный воздух, как на гору» ([107], стр. 315). Удивительно, что такой плодотворной идее, изложенной столь ясно, потребовалось почти столетие, чтобы стать действительно полезной метеорологам.

Предположение, что продолжительные южные дожди образуются при охлаждении от земли, восходит к XVIII в., как мы видели в главе V, и с тех пор не произошло ничего, что могло бы его поколебать. Более удивительны примеры Дове для «дождя смешения», особенно «апрельская погода», т. е. ливневые осадки. По-видимому, лучшее место таким явлениям по его классификации в классе 3 г.

Гораздо более последовательная и лучше обоснованная классификация была предложена в 1841 г. Элиасом Лумисом, который в метеорологии интересовался больше синоптикой, чем статистикой ([221], стр. 125). Лумис постулировал четыре причины выпадения осадков, во многом схожие с указанными Дове: 1) излучение; 2) теплый воздух, вступающий в контакт с холодной землей или водой; 3) смешение теплого и холодного потоков; 4) внезапный перенос воздуха в возвышенные области. Лумис отличался от Дове в своей оценке их относительной влажности.

Излучение, по его мнению, может образовывать лишь росу. Вторая причина вызывает туманы, такие, как в районе Ньюфаундлендской банки. За счет третьей причины может образовываться слабый дождь. Четвертая же причина — подъем воздуха— намного более важна, чем прочие, и заслуживает более подробной классификации, а именно: а)подъем по склону горы, б) извержение вулкана, в) вихри и г):

«Когда встречаются теплый и холодный потоки, двигающиеся в противоположных направлениях, более холодный, имеющий большой удельный вес, сместит более теплый, который, будучи таким образом внезапно поднят над поверхностью земли, охладится и часть содержащегося в нем пара выпадает в осадки. Эта причина может действовать в любом месте и почти с любой интенсивностью. Она, вероятно, является наиболее общей причиной дождя, по крайней мере в наших широтах» ([221], стр. 157).

4. Бури большие и малые

Период между 30 и 50-ми годами XIX в. увидел беспримерную активность в изучении бурь — торнадо, тропических ураганов и больших штормов на суше и на море, названных впоследствии циклонами. Результатом всех этих исследований явился чрезвычайно большой прогресс в понимании систем ветров на земном шаре — в том, что позднее было названо Гильдебрандссоном и Тейсеран де-Бором «динамической метеорологией» в книге, о которой уже шла речь [169]. Читатели, интересующиеся этим вопросом, могут обратиться к ней; здесь я попытаюсь, по возможности, лишь охарактеризовать прогресс в понимании процесса образования дождя в этих бурях.

С изучением этого вопроса после 1830 г. связаны имена Эспи, Лумиса, Пекле, Рейда, Редфилда — трех американцев, француза и англичанина. Я добавлю потом еще второго француза, оказавшегося совершенно забытым. После 1850 г. европейцы захватили почти всю инициативу, а сам вопрос перешел в большой степени в область теории.

Уильям К. Редфилд начал изучать тропические бури в 20-х годах. Для нас важно, что он впервые истолковал такие бури, как род вихрей ([286], стр. 17). Сам по себе этот вывод еще не помог полностью разобраться в теории дождя, но знание его было необходимо. К сожалению, Редфилд приписал падение барометра при приближении такой бури центробежной силе, заметив, что поверхность воды в цилиндрическом сосуде становится вогнутой, если ее там перемешивать.

Прискорбно также, что впоследствии Дове использовал свой авторитет для поддержки этой бесполезной и в принципе неверной идеи. Тем не менее было ясно показано, что такие бури представляют собой большие вихри, и если и были необходимы какие-либо другие доказательства, то они были даны подполковником Рейдом, губернатором Бермудских островов, который, используя сообщения Адмиралтейства, опубликовал большое количество убедительных данных о бурях [290]. Но Рейд интересовался теорией дождя еще меньше, чем Редфилд, и стремился лишь оказать услугу мореплавателям, что ему несомненно удалось.

Примерно в это же время выдающихся успехов в решении этой проблемы добился Джеймс Поллард Эспи. Он оставался глубоко преданным ей до конца своей жизни — столь преданным, что оказался пленником собственных теорий. Его первое публичное выступление иа эту тему в довольно мало известном журнале было существенным, поскольку он попытался использовать свойства влажного воздуха для объяснения подъема воздушных масс и образования облаков и дождя ([117], стр. 342; [237], стр. 634).

Хотя в этой статье он не описывает какие-либо лабораторные опыты, из более поздних статей видно, что он делал простые эксперименты, показавшие, что сухой воздух охлаждается примерно в два раза сильнее, чем насыщенный воздух при заданном изменении давления. Он знал также, что влажный воздух легче сухого, так что масса влажного воздуха, окруженная более сухим, должна подниматься. Поэтому,

«… если существует в природе какая-то причина, порождающая движение вверх воздуха, содержащего много пара, и поддерживающая это движение долгое время, то количество сконденсировавшегося таким путем водяного пара может быть очень велико и возникший таким образом дождь длился бы, пока влажный воздух продолжал подниматься» ([117], стр. 342).

Далее излагается важнейшая идея:

«Можно предположить, что равновесие вскоре восстановится, в особенности если, как обычно полагают, благодаря конденсации пара сгустится также и воздух, его содержащий.

Это последнее предположение, однако, не факт, поскольку я рассчитал, что количества скрытой теплоты, выделяемой при превращении пара в воду или облако, достаточно для расширения воздуха, в шесть раз большего, чем сжатие, вызываемое превращением пара в воду. Этот расчет основан на следующих трех принципах, доказанных опытом: 1) сумма скрытой и ощущаемой теплоты пара есть постоянная величина и равна 1212° по Фаренгейту; 2) теплоемкость атмосферного воздуха равна 250, а воды 1000; 3) расширение воздуха при нагревании равно 1/480 от всего объема, взятого при 32°, на каждый градус Фаренгейта.

Из этих фактов следует, что всякий раз, когда в восходящем потоке воздуха пар начинает конденсироваться в облако, происходит расширение всей массы воздуха в объеме облака. Это вызывается преобразованием скрытой теплоты пара. Более того, это тепловыделение предохраняет воздух при подъеме от столь быстрого охлаждения, которое происходило бы, если бы расширяющийся воздух был сухим» ([117], стр. 342).

Эспи никогда не излагал детали этих вычислений. Нам неизвестно, читал ли он работы Пуассона, однако в любом случае он не мог почерпнуть эту идею у последнего.

Пойдем, однако, дальше. Приведя некоторые расчеты, он продолжает:

«Далее из этих принципов следует, что, чем выше поднимается этот воздух, тем сильнее нарушается равновесие и последнее не может восстановиться, пока находящийся у поверхности земли очень влажный воздух продолжает притекать к столбу восходящего воздуха.

Ибо во влажном поднимающемся воздухе будет всегда конденсироваться часть пара и происходить выделение его скрытой теплоты, а следовательно, его удельный вес станет меньше, чем у окружающего воздуха. Пока этот процесс происходит, барометр под формирующимся облаком будет падать, даже если дождь не начался: ведь воздух, когда он расширяется в области облака, будет распространяться там в стороны и тем самым уменьшать количество материи, оказывающей давление на ниже лежащие области, и, если известно, на сколько понизилось давление, можно вычислить скорость движения воздуха вверх» ([117], стр. 343).

Он придает этому процессу огромное значение:

«Короче говоря, несомненно все явления — дождь, град, ливни, изменения ветра, понижение давления — легко и естественно объясняются как следствия выдвинутой теории, согласно которой воздух, содержащий невидимый пар, расширяется, когда этот пар конденсируется в воду…

Уже более трех лет, как я создал эту теорию, и всевозможные факты, собранные мной с тех пор, особенно касающиеся ливня и града, убедили меня в ее правильности» ([117], стр. 344).

На следующий год он опубликовал расширенное изложение своей теории в более доступном месте ([118], стр. 240, 309). Здесь он дает свою собственную, совершенно особую картину тропических бурь и торнадо, исходя из того, что они образованы радиально сходящимися ветрами и что воздух поднимается вверх в их центре. Его вычисления вертикальных скоростей, возникающих таким образом, не совсем ясны, но они привели к эффективным результатам, хотя в то же время могли породить серьезные сомнения в правильности его теории.

Его теория привлекла общее весьма благосклонное внимание, и в 1837 г. он уже — председатель одного временного комитета Конгресса Соединенных Штатов. Теория эта, конечно, противопоставила его Редфилду ([119], стр. 100; [287], стр. 112), утверждавшему, что многие бури по своей природе являются вихрями или смерчами. В первой статье, написанной в 1836 г., Эспи назвал свою радиально-сходящуюся модель «вихрем», употребив это слово несколько раз, и вполне понятно, что Редфилд возражал ему. Он — правда, довольно вежливо — обвинил Эспи и его комитет в том, что они заимствовали некоторые его обобщения, не сославшись на его работы. Я полагаю, что они просто не поняли друг друга: Эспи считал, что Редфилд предполагает наличие нисходящего движения в центре вихря.

В 1840 г. Эспи пересек Атлантику и прочел доклад о своей теории перед Британской ассоциацией ([120], стр. 30). Согласно Эспи, который позднее издал этот доклад в полном виде [121], там возникла дискуссия, во время которой Джон Стевелли заявил, что в 1834 г. он использовал идею об охлаждении при разрежении, чтобы объяснить движение бурь. Однако анализ статьи Стевелли ([328], стр. 564) мало что поясняет: он полагал, что выпадение дождя внезапно создает вакуум, куда устремляется воздух.

Эспи послал также сообщение в Парижскую академию наук. Это сообщение было рассмотрено комиссией, состоящей из Араго, Пулье и Бабинэ, которые необычайно пространно и с большим энтузиазмом доложили его Академии в 1841 г. ([18], стр. 454), выразив в конце надежду, что правительство Соединенных Штатов предоставит Эспи возможность продолжать его важные работы.

Удивительно, что никто из трех весьма заслуженных членов этой комиссии не пытался разобраться в вычислениях Эспи. Так или иначе, принятие его сообщения Академией лишь увеличило самоуверенность Эспи.

В 1841 г. он опубликовал обширную книгу о данном предмете [121], и многие ее страницы были посвящены данным, которые, по мнению Эспи, подкрепляли его идеи о структуре бурь. К этому времени он распространил свою теорию на более обширные перемещающиеся атмосферные системы. В этом случае он истолковывал данные наблюдений, исходя из того, что воздух конвергирует не к центру, а к линии, проходящей обычно в направлении с юго-запада на северо-восток и постепенно продвигающейся через страну. Это, как можно теперь видеть, было правильной и совсем не фантастической интерпретацией имевшихся в то время неполных синоптических данных.

Но еще лучшая интерпретация была разработана Элиасом Лумисом в статье, рассмотренной в конце параграфа 3 настоящей главы и датированной тем же годом, что и книга Эспи. Лумис терпеливо разобрал все метеорологические наблюдения, какие только могли попасть ему в руки, для изучения сильной бури, прошедшей над северо-восточной частью Соединенных Штатов между 20 и 23 декабря 1836 г. Он был поражен резким падением давления на каждой станции и последовавшим за тем быстрым его ростом, а также чрезвычайно неожиданным падением температуры и изменением ветра на северный, произошедшими, когда давление стало расти. Падение температуры было наиболее впечатляющим: в Огасте (Иллинойс) в течение одного утра оно достигло 38° F. Анализируя данные о ветре, Лумис убедился, что «неизбежно следующее заключение: северо-западный ветер оттеснял юго-восточный, подтекая под него… Юго-восточный поток нашел выход, поднявшись выше над поверхностью земли» ([221], стр. 154). На стр. 159 он изображает поперечное сечение того, что теперь можно было бы назвать фронтальной поверхностью.

Лумис, как легко увидит читатель, если он вернется к стр. 135, обратил внимание на процесс «подтекания», в то время как Эспи, проявив гораздо меньшую прозорливость, пренебрег им.

Громадный вклад Эспи в метеорологию заключается в том, что он привлек внимание к одному из источников энергии, приводящих в движение бури, хотя и сильно переоценил энергию поднимающегося воздуха. Вместе с тем он упорно цеплялся за свои ранние заключения и вскоре перестал поспевать за прогрессом науки. В популярной биографической статье, написанной много лет спустя после смерти Эспи, Кливленд Аббе осторожно указывал на его ошибки:

«Эспи был обременен одним научным дефектом — глубокой убежденностью в правильности своей теории, питавшей его энтузиазм. Из-за нее он не мог продвинуться дальше определенной точки в развитии теории, и по этой же причине его умозаключения часто были ненадежны. Он не был склонен проверять и перепроверять свои посылки и заключения, но считал, что вынесенный им однажды приговор является окончательным и непреложным» ([1], стр. 840).

Мы не можем расстаться с Эспи, не отметив его грандиозное предложение, касающееся вызывания дождя, предположение, которое могло быть сделано лишь во время расчистки или унич­тожения— это зависит от точки зрения — величайших лесов Северной Америки.

«Теперь, когда массы древесины с пятидесяти акров леса на расстоянии двадцати миль друг от друга должны быть приготовлены и сжигаться одновременно через каждые семь дней в течение лета на западе Соединенных Штатов на протяжении шестисот или семисот миль с севера на юг, тогда, согласно теории (хотя подобные эксперименты пока не проводились), дождь в области большой протяженности с севера на юг выпадает на линию или рядом с линией огня. Дождь будет продвигаться на восточные окраины и не прекратится, пока не достигнет Атлантического океана. Таким образом, дождь будет по всей стране к востоку от места его возникновения; дождь в любом месте продлится лишь несколько часов … и количество дождя будет достаточно, но не слишком велико в любом месте. ..» ([122], стр. 20).

Эспи, таким образом, обещает всевозможные блага, перечисляемые им, по цене полцента на душу в год. Это всесожжение не одобрялось Конгрессом, который в те дни часто возражал даже против довольно небольших научных расходов; однако предложение Эспи заслуживает упоминания как типичное для американского характера. Если бы оно и было осуществлено, это, конечно, не вызвало бы предсказанных им обложных дождей.

Возвращаясь к Лумису, который в 1846 г. опубликовал исследование еще нескольких бурь ([222], стр. 161), мы обнаруживаем, что он в это время знал о том, что энергия, выделяемая при конденсации водяного пара в поднимающемся воздухе, будет мощной добавкой к эффектам «подтекания», и понимал, что вертикальный градиент температуры устанавливается за счет вертикального перемешивания.

Однако до этого во Франции профессором физики Ж. К. Э. Пекле был сделан интересный и важный для будущего вклад в теорию [266]. Пекле, по-видимому, был первым, кто указал, что охлаждение при изменении давления, рассчитанное по уравнению Пуассона, больше, чем обычно наблюдавшееся на воздушных шарах, при котором теплый воздух нижних слоев не может подниматься и даже масса очень теплого воздуха может подняться лишь до определенной высоты. Он указал, как найти эту высоту для массы воздуха, имеющей определенную начальную температуру, при помощи диаграммы, где по оси абсцисс было отложено давление, а по оси ординат температура, строя две кривые — кривую состояния атмосферы и кривую Пуассона для нагретого воздуха. Этот воздух не может подниматься выше уровня, на котором давление соответствует точке пересечения кривых Пуассона и состояния атмосферы. Это было, насколько я представляю, первым использованием аэрологической диаграммы, и это было возможно лишь для ненасыщенного воздуха, к которому применимо уравнение Пуассона.

Теперь я хочу вернуться к 1832 г., году, когда Парижская академия возобновила конкурс на премию за лучшую и полную теорию града. Первоначально конкурс был объявлен в 1830 г., но ни один конкурент не удовлетворил Академию, что было неудивительно ввиду того, что поставленные требования были слишком определенны. На повторное приглашение поступило своевременно девять работ. Снова никто не получил приз: Академия требовала невозможного. Однако статья № 7 была отмечена довольно пространно в Заключительном отчете о конкурсе.

Эту статью прислал П. X. Майль из Сент-Флорентина (департамент Йонна), и если бы она была опубликована, то оказалась бы первой среди всех других попыток применения теории Пуассона к атмосфере, и в частности, для изучения подъема влажного воздуха. Она, конечно, не удовлетворяла всем требованиям конкурса, но если бы комиссия, состоявшая из Араго, Беккереля, Гей-Люссака и Дюлонга (докладчик), действовала не столь административно, а с большей научной проницательностью, это блестящее творение безусловно увидело бы свет.

К счастью, благодаря интересу и помощи г-жи П. Гожа — секретаря-архивариуса Академии — в архивах последней был найден оригинал рукописи Майля вместе с приложением. Основная рукопись, представленная 28 февраля 1834 г., содержит сорок пять листов, исписанных с обеих сторон, а приложение — размером в двадцать одну страницу — поступило 30 сентября 1836 г., гораздо позднее окончания конкурса. Это — пример бескорыстной преданности науке, ясно видимой повсюду в работе Майля, вероятно, не имевшего систематической научной подготовки.

Манускрипт является замечательным документом, доказывающим ясное понимание проблем метеорологии в их тогдашней постановке и столь же похвальную способность к самокритике. Майль начинает с напоминания о взаимозависимости метеорологических явлений и о трудностях, порождаемых невозможностью проведения крупномасштабных экспериментов. Затем он рассматривает модель атмосферы, в которой кубический метр воздуха с определенным начальным давлением, температурой и влажностью поднимается потому, что он немного теплее окружающего воздуха. Используя формулу Пуассона, он прослеживает подъем воздуха до уровня насыщения, однако над этим уровнем — и это собственный вклад Майля — он принимает во внимание как тепло, высвобождаемое при конденсации, так и изменение объема, обусловленное той же причиной, и находит, что поднимающийся насыщенный воздух охлаждается не столь быстро, как ненасыщенный. Он откровенно добавляет, что не способен аналитически разобрать эту проблему, и разрешает ее численно после ряда попыток и ошибок.

При этом, как он с сожалением указывает, он пренебрег эффектом теплопроводности от окружающего воздуха, перемешиванием на краях и радиацией. Не умея надежно оценить их количественно, он показывает, что эти факторы не могут опорочить его главный вывод. Далее он исследует количество воды, выпавшей из всего столба воздуха, и показывает, что этого более чем достаточно для объяснения ливня. Его, конечно, затрудняет нехватка знаний о вертикальном профиле температуры в окружающем воздухе, и он просто допускает, что последний повсюду на 2° С холоднее, чем восходящий поток, хотя окончательный вывод и не зависит от более точной цифры.

Не больше, чем Эспи, он понимает, что высота, до которой сможет подняться его объем воздуха, непосредственно зависит от распределения температуры в окружающем воздухе.

Но, как бы то ни было, нет сомнения, что он имел бы приоритет перед Эспи, если бы его статья была опубликована. Его приоритет признал Бабинэ в 1849 г. ([23], стр. 301), но по какой-то причине Академия наук не опубликовала его мемуар, даже в том значительном расширенном и улучшенном виде, в каком он, наконец, выпустил его в свет в 1853 г. за свой собственный счет [228]. Он, видимо, так и не привлек внимания ученых.

Но, так или иначе, развитие теории дождя продолжалось и без Майля, и с некоторого времени оно стало зависеть от физиков-теоретиков ([236], стр. 203). В 1862 г. Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин), исходя из указаний Джоуля, разработал теорию конвективного равновесия ([336], стр. 170; [337], стр. 125). Непосредственный метеорологический подход к ней предложил Теодор Рейе, который объяснил, что восходящий влажный воздух требует особого рассмотрения, и подчеркнул заключение Пекле о необходимости изучения вертикального распределения влажности и температуры в окружающем пространстве ([293], стр. 250—276).

В результате он показал, что оценка развиваемой восходящим воздухом мощности, сделанная Эспи, слишком оптимистична и что для того, чтобы вообще произошло выделение энергии, необходимо, чтобы вертикальный градиент температуры превышал определенную величину.

Однако наиболее важная статья 60-х годов по этому вопросу— возможно, самая существенная работа по метеорологии за десятилетие — была написана горным инженером из Тарба А. Пеленом ([269], стр. 299). К несчастью, работа была опубликована в журнале, где ее вряд ли увидели бы метеорологи, и Пелен имел шансы быть упомянутым в истории лишь в скобках *. Пелен начинает свою работу с расчета адиабатического градиента как для насыщенного, так и для ненасыщенного воздуха и сравнивает результаты своих вычислений с реальными величинами, находя их чрезвычайно хорошо согласующимися. Далее он спрашивает, как получается, что этот эффект существеннее, чем влияние солнечной и земной радиации, ветров и бурь. Это не случайно, но зависит от того факта, замечает он, что величины, даваемые его формулами, указывают предел устойчивости атмосферы.

Представим атмосферу, в которой уменьшение (температуры) быстрее, чем соответствующее предельное уменьшение. Для этого рассмотрим

«бесконечно малую массу воздуха и проследим за ее виртуальными перемещениями по вертикали. Она будет охлаждаться при подъеме, но, согласно нашему предположению, понижение ее температуры будет меньше, чем разность температур между слоем, из которого она вышла, и слоем, в который она прибыла. Следовательно, масса воздуха после своего перемещения окажется теплее, чем воздух в слое, в который она пришла; таким образом, она будет легче при том же давлении и будет стремиться продолжать свой подъем за счет одной плавучести, не нуждаясь в каком-либо новом импульсе…

Эти восходящие потоки, видимые глазом благодаря образованию и движению кучевых облаков… можно сравнить с терморегулятором — они возникают в наиболее быстро нагревшихся местах и прекращают там повышение температуры, они переносят теплый воздух в слои, где атмосфера пока еще холодна» ([269], стр. 306—307).

Благодаря совокупности всех этих эффектов градиент температуры стремится к постоянству. Энергия аккумулируется главным образом в нижних слоях в силу большого поглощения солнечной энергии водяным паром атмосферы и землей.

Пелен затем покушается на динамическую теорию бурь, используя, как и Пекле, диаграмму, на которой, однако, отложена высота по оси абсцисс и температура по оси ординат. Он учитывает, что было бы неверно рассматривать только горизонтальную компоненту перемещения воздуха. Учитывая вращение, он заключает, что энергия, движущая бурю, берется из скрытой теплоты конденсации и что она тем больше, чем больше вертикальный градиент и чем ближе воздух к насыщению. Если воздух станет устойчивым, буря сразу уляжется. Таким образом, каждая вихревая буря сопровождается дождем, ибо лишь тогда, когда воздух охлаждается ниже точки насыщения, возникает движущая сила. Пелен также показывает, что даже очень сильный дождь в умеренных широтах уносит меньше половины воды, находящейся в атмосфере. Чтобы подкрепить свою теорию, он ссылается на большие величины градиента температуры, наблюдавшиеся при граде, и на тот факт, что бури в Северной Атлантике часто как бы следуют Гольфстриму, где преобладают нужные для них условия температуры и влажности.

Рейе, в бытность свою профессором в Страсбурге, поддержал основные выводы хорошо продуманной статьи Пелена в книге, опубликованной в 1872 г. [295]. Рейе сделал шаг вперед по сравнению с Пеленом, предположив, что поступательное движение вихревых бурь обусловлено обильной конденсацией с их передней стороны, однако в своей рецензии на эту статью Ю. Ганн отметил, что все еще нет объяснения, почему бури движутся на восток и к полюсу, а не по какому-либо другому направлению ([159], стр. 111).

В следующем году, анализируя движение бурь за период в 314 дней в 1872—1873 гг., Элиас Лумис объяснил, что циклоны движутся на восток потому, что к востоку от их центра выпадает больше дождя ([223], стр. 1). Высвобожденная скрытая теплота расширяет воздух, который поднимается и уходит в более высокие области, создавая к востоку от центра бури пониженное давление. Здесь следует отметить, что даже в четвертом издании «Закона штормов» Г. В. Дове ([108], стр. 161) — великого климатолога, которого, однако, не коснулся прогресс динамической метеорологии, — утверждается, что восходящий поток воздуха не поддерживает движение бури и не управляет им, но допускается, что вихри наблюдались над большими пожарами.

В своей уже упомянутой статье 1874 г. Ганн дает блестящее обобщение современной ему теории. Но из него видно, что даже Ганн — безусловно один из крупнейших метеорологов — не по­нимал всех следующих из теории выводов. Описывая то, что теперь мы называем теплым фронтом, у которого перисто-слоистые облака предшествуют слоисто-кучевым, он так объясняет дождь, выпадающий из них:

«… образование нижнего слоя слоисто-кучевых облаков происходит незаметно из опускающихся перисто-слоистых. Это значит, что потоки воздуха наверху должны быть относительно столь холодными, что они могут охлаждать ниже лежащие слои даже при опускании» ([160], стр. 340).

Так происходит летом. Для зимы Ганн мог лишь допустить, что верхнее теплое течение становится сильнее и перемешивается с более холодным воздухом внизу близ их границы. В оправдание ошибки Ганна следует сказать, что это явление оставалось непонятым вплоть до первой мировой войны.

Упоминание перисто-слоистых облаков дает нам повод вернуться к 1866 г. — к двум статьям Рену ([291], стр. 825), более известного как климатолога. Он полагал, что для образования осадков нужны два слоя облаков: перистообразные облака вверху, из которых ледяные кристаллы попадают на переохлажденные капли облаков нижнего слоя. Эта идея на несколько десятилетий опередила свое время и — конечно, в скрытой форме — поставила много вопросов, на которые тогда не было ответа. Но Рену отметил возможную роль воды в твердом состоянии— факт, приведший Генриха Герца к дальнейшему развитию термодинамики влажной атмосферы ([167], стр. 421). Герц указал, что если объем воздуха поднимается достаточно высоко, он пройдет последовательно четыре состояния: 1) сухую стадию, пока он не насыщен; 2) стадию дождя, когда в нем присутствуют насыщенный пар и жидкая вода; 3) стадию града, когда вместе присутствуют насыщенный пар, вода и лед; 4) стадию снега, при которой в воздухе присутствуют пар и лед.

В 1888 г. В. Бецольд, тогда профессор метеорологии в Берлине, написал первую ([37], стр. 485, 1189) из серии статей, показавших, как применять теорию к данным о верхних слоях воздуха, которые к тому времени стало возможным изучать. Эти методы, однако, выходят за рамки нашей книги.

Я закончу этот раздел цитатой из статьи, открывающей блестящую серию статей Фрэнка Г. Биджлоу из Бюро погоды США, дающей представление о том, каким образом термодинамическая теория взаимодействовала с синоптическими и аэрологическими наблюдениями в первом десятилетии XX в.:

«Окончательно установлено, что над Соединенными Штатами в атмосфере не бывает местных циклонов или антициклонов с холодными или теплыми центрами и что все дискуссии о них шли по ложному пути. Наблюдения показывают, что в нижней атмосфере истинный механизм заключается скорее в мощных противотечениях холодного и теплого воздуха, которые текут под преобладающим здесь переносом к востоку. Центры вихрей находятся неизменно в области, где встречаются друг с другом приземные потоки, на краю, а не в середине теплых или холодных областей. Примерно половина циклона — относительно теплая, а другая половина — холодная, в то время как у антициклона теплой является противоположная половина» а другая половина — холодная. Таким образом, в Соединенных Штатах восточный и северный секторы циклона, а с ними западный и северный секторы антициклона теплые, а остальные секторы — холодные. Теплый воздух течет с юго-запада на восток в циклоне и на запад в актициклоне, а холодный воздух течет с северо-запада на восток в антициклоне и в западную часть циклона. Тот и другой образуют два потока, чьи температуры отличаются друг от друга и от общей температуры преобладающего восточного переноса. Эти потоки стремятся выравнять их температурное различие посредством взаимопроникновения, образуя циркуляционные структуры, известные как циклоны и антициклоны. Тепло, полученное тропическими зонами земли от солнечной радиации, в значительной степени переносится в умеренные зоны протяженными горизонтальными течениями в нижних слоях и там расходуется на образование локальных циркуляции. А те проникают в верхние потоки восточного переноса и стремятся замедлить его движение до умеренных скоростей, которые существуют в пределах десятимильной зоны над землей. Эта стратификация и взаимопроникновение потоков с раз­личными температурами являются истинными источниками энергии бурь. Тепловая энергия, создаваемая конденсацией водяного пара, и энергия, произведенная чисто динамическими вихрями, совершенно второстепенны по сравнению с термодинамической энергией, выделяющейся при столкновении и натекании теплых южных потоков на холодные северные потоки под восточным воздушным течением» ([38], стр. 9).

Таков был материал, который получил применение позднее, между двумя мировыми войнами.

5. Рост дождевых капель

Имеются два очевидных способа роста мелких капелек до размеров дождевых капель, которые падают с неба и стучат по мостовой: они либо накапливают воду, пролетая через влажный воздух, либо растут за счет слияния. Возможно, что происходит то и другое, и оценка относительного вклада этих двух процессов — важная задача физики облаков.

Читатель может вспомнить, что в XVIII в. было показано, что с увеличением высоты установки того же самого дождемера зарегистрированное им количество дождя уменьшается. Согласно объяснению, принятому тогда почти всеми, капли растут за счет конденсации на них пара по мере приближения к земле. Со временем возникло сомнение в правильности такого объяснения: например, X. Боаз из Пензанса в 1822 г. заметил, что различие осадков на разных высотах по какой-то причине пропорционально скорости ветра ([43], стр. 18), и, предполагая, что оно вызвано вихрями, рекомендовал измерять осадки дождемером, отверстие которого расположено на уровне большой площадки Земли. Но в это время почти никто не сомневался в том, что капли растут по пути вниз.

Здесь нет места, чтобы вдаваться в детали этого вопроса. В. Грей младший и Дж. Филипс в Йорке провели исследование, нашедшее большой отклик, о котором было доложено Британской ассоциации в 1833—1835 гг. ([146], стр. 171, 401, 560). Обнаружив, что различия осадков в зимнее время больше бросаются в глаза, чем летом, они предположили, что эти различия определяются температурой и отказались в довольно ясных выражениях от идеи зависимости явлений от ветра и вихрей.

Это исследование было аккуратно изложено в сообщении Поггендорфа в его «Annalen», однако он дополнил его некоторыми вычислениями ({275], стр. 222). Делая довольно широкие допущения о содержании водяного пара, он показал, что наблюдения Грея и Филипса нельзя объяснить, если конденсация является единственной причиной обнаруженных различий. В 1838 г. профессор А. Д. Бейк из Филадельфии, не согласившийся с заключениями Грэя и Филипса, сделал сообщение ([24], стр. 25) о том, что он установил четыре одинаковых дождемера по углам парапета квадратной артиллерийской башни высотой 162 фута и со стороной 12 футов. Он нашел, что в дождь при сильном западном ветре показания юго-восточных и северозападных дождемеров относятся как 2,32 к 1. Когда дождемеры на шестах поднимали на 6 футов над парапетом, их показания почти выравнивались.

Этот простой и, как можно видеть, убедительный эксперимент остался, по-видимому, незамеченным. Так, в 1840 г. известный физик Джеймс Форбс из Эдинбурга в официальном отчете Британской ассоциации принял теорию Грэя и Филипса, оптом и в розницу ([129], стр. 112). Однако опыт накапливался, и в 1861 г. У. С. Джевонс смог окончательно доказать связь явления с ветром и с возмущением линий тока ветра вблизи такого препятствия, как дождемер ([185], стр. 421).

В результате всех этих работ было доказано, что крупные дождевые капли не растут заметно на последнем участке своего пути к земле; однако что же происходит в облаках? В XIX в. сведения об этом могли быть получены лишь косвенным путем.

В теоретическом аспекте чрезвычайно важный шаг вперед был сделан Томсоном в 1870 г. ([338], стр. 63). Он показал, что из-за поверхностного натяжения давление пара над искривленной поверхностью жидкости отличается от давления над плоской поверхностью. Над капелькой избыток давления по сравнению с плоской поверхностью пропорционален обратной величине радиуса капельки. Применение этого вывода к нашей проблеме очевидно. Пусть облако состоит из большого числа капель различных размеров. Тогда давление пара над поверхностью более мелких капелек будет больше, чем над более крупными, и вода, следовательно, будет испаряться с более мелких и конденсироваться на более крупных.

Таким образом, рост облачных капелек должен в некоторой степени происходить за счет накопления пара. Но в какой мере? Знаменитый инженер О. Рейнольде в 1877 г. рассмотрел этот вопрос в [296] и нашел, что процесс этот развивается слишком медленно. А следовательно, капли должны расти, присоединяя другие облачные частицы, пока не достигнут своего предельного размера, при котором они разбиваются на брызги под напором встречного потока воздуха.

Но к концу XIX в. было очень немного известно о действительных размерах дождевых капель и о скорости их падения. Последние были исследованы обстоятельно П. Ленардом в 1904 г. ([214], стр. 249).

Капли, установил он, можно по их диаметру разделить на три группы: А — малые капли, конечная скорость которых пропорциональна квадрату радиуса; В — более крупные капли, диаметром до 1,1 мм, скорость которых растет как корень квадратный из радиуса благодаря турбулентности; С — капли эти настолько крупные, что они деформируются при падении; последние можно изучать лишь экспериментально. Он утверждает, что наблюдал эту деформацию уже в 1887 г. при освещении вспышкой; фактически Г. Магнус наблюдал ее таким же образом еще в 1859 г. ([226], стр. 21). Ленард проводил тщательные эксперименты, в которых капля определенного размера подвешивалась в направленном вверх потоке воздуха. Наиболее неожиданный результат заключался в следующем: капли любого диаметра более 4,5 мм имеют скорость около 8,0 м/сек.-1; эта скорость лишь в два раза больше скорости падения капли диаметром 1 мм.

Вычисления показывают, полагал Ленард, что капельки могут часто сталкиваться, если они отличаются размерами, — как это и происходит в природе. Но тем не менее многие облака не образуют дождя. Очевидно, многие столкновения не приводят к слиянию, и Ленард полагает, что этому мешает абсорбированный ими слой воздуха или, возможно, электрические заряды.

Распределение дождевых капель по размерам было изучено в 1895 г. Юлиусом Визнером ([359], стр. 1397) в тропиках и более подробно в Европе в 1905 г. А. Дефантом ([85], стр. 585). Проверив точность метода Визнера — улавливания дождевых капель на фильтровальную бумагу, покрытую краской (эозином), и измерения образовавшихся пятен, — Дефант измерил 10 017 дождевых капель. Он нашел, что веса капель группируются около значений, кратных некоторому небольшому весу, особенно около значений 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16 и т. д. с главными максимумами около 1, 2, 4, 8. Так было в отдельных дождях, как в спокойных и затяжных, так в сильных и бурных.

Этот вывод, очевидно, подкреплял теорию роста капель посредством слияния. Дефант полагал, что перегонка пара на крупные капли происходит очень медленно и что основной рост обусловливается слиянием. Его результаты позволили считать, что капли одинаковых размеров сливаются легче, чем капли разных размеров.

В 1908 г. Вильгельм Шмидт ([315], стр. 496) объяснил это гидродинамическим притяжением, возникающим, когда две капли падают бок о бок с одинаковыми или почти одинаковыми скоростями. Он показал, что необходимые для слияния начальная скорость и время соответствуют наблюдаемым.

Эти исследования заложили фундамент для большой части той увлекательной области знания, которую ныне называют физикой облаков. Усовершенствование техники и теории быстро пошло вперед, особенно после 1945 г.

6. Ядра конденсации

Теперь мы должны вернуться к процессам, которые превращают невидимый водяной пар в видимые осадки, и вспомнить сравнительно недавнюю историю физики первой стадии этого процесса — конденсации пара в мельчайшие частицы облаков и туманов.

В течение более чем двух столетий, прошедших после того, как Герике заметил облачко в своем воздушном насосе, считалось, что это изменение состояния происходит без какого-либо посредника. Когда стало известно, что при расширении воздух охлаждается, было без колебаний предположено, что водяной пар конденсируется в облако или туман, как только воздух, в котором он содержится, достигает точки росы. Никаких осложнений в толковании этого процесса не предвиделось вплоть до 1875 г., когда П. Ж. Кулье сообщил о нескольких поразительных экспериментах ([63], стр. 165, 254).

Кулье проводил опыты с туманом, возникающим при внезапном расширении воздуха. Его прибор состоял из стеклянной колбы, содержавшей некоторое количество воды; она соединялась трубкой с полым резиновым шаром. Это была полностью замкнутая система, и давление в колбе могло быть внезапно понижено или повышено по желанию без проникновения в систему свежего воздуха извне. Кулье обнаружил, что при повторных опытах туман образовывался не каждый раз. Это с очевидностью противоречило обычному объяснению. Кулье также обнаружил, что, если воздух оставить в колбе на несколько дней или если несколько минут встряхивать колбу с водой, при расширении воздуха в нем не будет образовываться туман. Однако если некоторую часть этого неактивного теперь воздуха заменить комнатным воздухом, облака вновь появятся. Кулье предположил, что при этом в колбу попадает что-то помимо атмосферных газов; он попытался фильтровать комнатный воздух через вату. Воздух стал неактивным, и Кулье пришел к заключению, что для образования облака в колбе необходима пыль. Понимая, как это важно, он обратился к очень известному физику Э. Э. Н. Маскару, который повторил его эксперименты и подтвердил их результат.

Интересно, что еще в 18-м столетии к этому же открытию был совсем близок виртуоз эксперимента аббат Нолле ([253], стр. 243), когда он искал причину появления «пара» в приемнике его воздушного насоса при первых движениях поршня. Первоначально он предположил, что это конденсируется влага из кольца влажной кожи, на котором стоял колокол насоса. Тогда он удалил его и приклеил колокол к плате мягким воском. Сделав это, он думал, что отделался от источников влаги; но «пар» вновь появился, когда он привел в действие насос. Тогда он заключил, что:

«Есть все основания полагать, что этот род пара, причину которого мы ищем, является не чем иным, как инородными телами, которые находятся в воздухе, содержащемся под колоко­лом» ([253], стр. 244).

Заметим, что Нолле представлял туман состоящим из невидимых инородных частиц, которые становятся видимыми, слипаясь в комки. Многие из его многочисленных опытов были очень остроумны. Он обнаружил ослабление тумана в своем сосуде, когда эксперимент проводился в чистой комнате со стороны дома, противоположной его лаборатории, в которой он перегонял лаванду, пользуясь различными сортами красок. Он, по-видимому, не пытался фильтровать воздух. И, конечно, он не представлял, что влаги, содержавшейся в воздухе при условиях, в которых он работал, достаточно для образования тумана, состоящего из жидких капель.

Возвращаясь к Кулье, мы с удивлением обнаруживаем, что его замечательный результат был заново открыт Джоном Айтке-ном, который доложил о нем Королевскому обществу в Эдинбурге в 1881 г., будучи уверенным, что его работа вполне оригинальна ([6], стр. 337). И только когда письмо в «Nature» ([149], стр. 337) обратило его внимание на опыты Кулье, он понял, что его обогнали, и легко это признал ([7], стр. 374).

Исследования Айткена пошли значительно далее, чем сделанные Кулье и Маскаром. Он обнаружил, что чем меньше частиц, тем крупнозернистей структура образовавшегося тумана. Очевидно, наличный пар распределился по частицам. Из чего же состоит пыль? Должно существовать много источников ее:

«Все то в природе, что стремится разрушать вещество на мельчайшие частицы, вносит свой вклад.

Вероятно, брызги морской воды, после того как они высохнут, оставив лишь мельчайшую соляную пыль, создают один из наиболее важных источников облакообразующей пыли. [Имеются также] метеоритная пыль, вулканическая пыль и сконденсировавшиеся газы» ([8], стр. 343).

Различные вещества доставляют ядра конденсации при нагревании, но прокаленные металлы, стекло и т. п. потом перестают образовывать (если их поддерживать чистыми) ядра при более низкой температуре. Продукты сгорания, даже те, что находятся в бездымном пламени обеспыленного газа в профильтрованном воздухе, содержат многочисленные частицы, на которых при подходящих условиях будет формироваться туман.

«Из этого следует, что видимые частицы пыли не образуют ядра тумана и облачных капель… Ядра тумана и облаков — гораздо более тонкий род пыли и совсем невидимы. И, хотя они всегда присутствуют в нашей атмосфере в громадных количествах, действие их чаще всего нельзя обнаружить» ([8], стр. 350).

Айткен писал в манере, даже тогда нечасто встречавшейся в научных трактатах. Я не устою перед искушением процитировать заключение первой части статьи, о которой идет речь:

«Океан, который под тропическим солнцем спокойно отдает воду, уносимую текущим воздухом, как будто раскаивается в содеянном. Когда он мрачен и взволнован бурным ветром, он раз­брасывает свои брызги, которые, высохнув и превратившись в мельчайшую пыль, становятся его посланцами. Они принуждают воду прекратить ее существование в виде пара, выпасть оплодотворяющим дождем и вновь вернуться в свою водяную-обитель» ([8], стр. 355).

В дальнейших опытах он показал, что различные вещества в состоянии мельчайшего раздробления крайне неодинаковы по своей способности становиться ядрами. Многие гигроскопические «пыли» могут образовывать «сухой туман» в ненасыщенном воздухе, и Айткен использует это в качестве еще одного доказательства важности высохших морских брызг для метеорологии.

У нас нет возможности проследить за дальнейшими исследованиями этого великого экспериментатора касательно ядер атмосферы*. В 1888 г. он сообщил Королевскому обществу в Эдин­бурге, что может сосчитать не только частицы, содержащиеся в единице объема воздуха, но и частицы, активные при любой данной степени перенасыщения ([9], стр. 1). Из-за зависимости давления пара от радиуса частицы для конденсации на более мелких частицах требуется большее перенасыщение. Эта работа была выполнена с помощью очень громоздкого прибора. Позднее Айткен сделал портативный прибор; в конце концов он создал «простой карманный счетчик пыли» ([11], стр. 39), который и служил ему и многим другим наблюдателям всего мира много лет.

У меня нет возможности разбираться в деталях исследований Айткена, но я считаю необходимым дать представление о его выводах. Наиболее существенный из них заключался в том, что на многих ядрах вода осаждается, даже если воздух не насыщен. Облако, образующееся при этом из мелких капелек,— это то, что мы знаем как дымку. Если относительная влажность возрастает, частицы собирают большее количество воды и вырастают, так что дымка становится плотнее. Близ точки насыщения меняется природа конденсации; обильный пар конденсируется предпочтительно на более крупных капельках и быстро формируется облако с иными оптическими свойствами, чем у дымки ([10], стр. 193). Однако гигроскопичность ядер уменьшает тенденцию более крупных капель расти за счет более мелких. Это происходит из-за того, что по мере испарения более мелких капель в них возрастает концентрация гигроскопических веществ, в то время как в больших каплях она уменьшается, когда их размер увеличивается ([12], стр. 416).

Как было отмечено Генрихом Махе ([284], стр. 554), при небольшом перенасыщении могут становиться активными даже негигроскопические ядра. При данной степени перенасыщения капли определенного радиуса находятся в равновесии с окружающим водяным паром; однако требуемая величина перенасыщения быстро возрастает с уменьшением радиуса и, поскольку перенасыщенность атмосферы всегда очень невелика, очень малые негигроскопичные ядра не могут стать в ней активными. Газовые ионы и группы молекул воды также не будут действовать как ядра конденсации в атмосфере.

Информацию об истинном составе ядер было трудно получить, но Айткен не сомневался, что морская соль и продукты сгорания — два главных класса ядер. Это было подтверждена Альбертом Вигандом, по крайней мере для нижней атмосферы ([360], стр. 10). Виганд, который весьма интересовался верхней атмосферой, полагал, что там должны играть большую роль «растворенные газы», и искал доказательство этому. Он также делал опыты, которые показали, что твердые частицы реальной пыли в процессах конденсации играют незначительную роль, если пыль негигроскопична. Прибор Айткена, как он правильна предложил, было бы вернее называть счетчиком ядер (Kernzahler), а не счетчиком пыли. В дыме содержится очень большое число ядер из-за присутствия в нем гигроскопичных продуктов сгорания.