Предисловие

Нет ничего более близкого и важного для нас, чем погода, — и нет, кажется, другой науки, кроме науки о погоде, о которой существовало бы столь распространенное мнение, как о сухой и скучной отрасли знания.

Авторы "Занимательной метеорологии" пытаются рассеять это предубеждение. Первая часть книги, составленная Т. Н. Кладо ( главы I–VIII ), посвящена описанию повседневных явлений погоды, их наблюдений и соответствующих инструментов, а также вопросу о строении атмосферы. Вторая часть ( главы IX–XII ), составленная Д. О. Святским, затрагивает вопросы атмосферной оптики и атмосферного электричества и проблему влияния Солнца и Луны на погоду, затем останавливается на попытках предсказания погоды, а также на вопросе изучения погоды в прошлом и колебаний климата.

Последняя глава книги, написанная Т. Н. Кладо, посвящена новому отделу метеорологии — попыткам вмешательства человека в ход погоды.

Авторы не стремились исчерпать все вопросы метеорологии и климатологии, а выбирали лишь наиболее занимательное с целью заинтересовать читателя наукой о погоде.

Авторы

Предисловие ко второму изданию

За четыре года, прошедшие со времени первого издания этой книги, метеорология, как и вся наша советская наука, насчитывает много достижений. В популярной книге не было возможности уделить им большое место, поскольку они преимущественно носят специальный характер; но о наиболее важных из них необходимо было упомянуть хотя бы в самой общей форме, — например, о введении метода радиозонда в исследованиях свободной атмосферы, о некоторых новых воззрениях в области динамической метеорологии и др. Зато обращено возможно большее внимание на вопросы приложений метеорологии к самым различным областям нашего грандиозного строительства, на то, чтоб подчеркнуть ту роль, которую играет наука о погоде в нашей практической работе, — роль, которая только теперь начинает полностью оцениваться.

Авторы выражают благодарность всем рецензентам книги, указавшим на те или иные недочеты в ее содержании и изложении; все эти указания по мере возможности приняты во внимание.

Авторы

Введение

НА ЧТО НУЖНА МЕТЕОРОЛОГИЯ?

Прекрасный майский день; тепло; на небе клубятся блестящие белые облачка. К вечеру становится ясно и прохладно. Будет заморозок или нет? Если будет, надо бы закрыть рассаду в парниках и развести костры в саду, где цветут яблони. Напрасно работать не хочется, а погубить урожай — страшно. Садовод сберег бы много напрасного труда, если б знал наверное, какой ждать погоды.

На юге, где-нибудь на Кавказе или в Крыму, собираются посадить растения, требующие много тепла и света, — например, хлопок или чай. Достаточно ли им будет солнца и влаги? Не грянут ли зимой такие морозы, что посадки погибнут? Иногда тут на помощь приходят старожилы, которым полагается все помнить. Но если больших морозов или засух не было до сих пор, можно ли надеяться, что их тут вообще быть не может? Прежде чем браться за новое дело, очень важно знать, на что мы должны рассчитывать, независимо от малонадежных людских свидетельств.

В степи, где часто дует ветер, было бы выгодно использовать его энергию и поставить ветряный двигатель. На какой высоте его поставить? На сколько часов работы можно рассчитывать? Есть ли смысл вообще устанавливать здесь ветряк, или расходы по его установке не окупятся?

Метель, снежные заносы остановили движение поездов; телеграфные столбы поломаны бурей. Много дала бы железная дорога, чтобы уметь предвидеть снежную бурю, размывы, гололед. Едва ли не еще важнее предсказание бури на море, где нежданно налетевший шторм может быть причиной гибели ценностей и даже человеческих жизней.

Бурное таяние снега, разливы, паводки… Как важно знать запасы снега в области, знать, сколько воды он может дать при таянии и где нужно опасаться наводнения!

А наводнения в Ленинграде? Сколько бедствий и убытков можно предотвратить, если знать о них наперед!

Авиатор собирается совершить перелет. Внизу, у земли, ветра нет; погода спокойная, тихая. Но что ждет его наверху? Такая же тишина, или там подстерегает его буря?

Больной хочет ехать на курорт. Ему необходимо знать, какое место лучше всего выбрать, где больше солнца, меньше ветров и дождей, где воздух чище, — вообще, какого климата надо ждать на том или ином курорте.

Вот ряд примеров из самых различных областей жизни. Он далеко не исчерпывает всех тех вопросов, на которые отвечает или стремится ответить метеорология. Наука эта сравнительно мало известна в широких кругах, а между тем нет человека, который в той или иной мере не пользовался бы ее услугами. Вся жизнь людей тесно связана с погодой и климатом страны, где они живут и работают. В городе это ощущается меньше, чем в деревне, но погода и климат не остаются без влияния и на горожанина. Метеорология — это и есть наука о воздухе, который нас окружает, об изменениях, которые в нем происходят и создают для каждого места то, что называется его погодой, а в конечном счете — климатом.

ЧТО ЗНАЛИ О ПОГОДЕ В ДРЕВНОСТИ

Некоторые из сейчас перечисленных вопросов возникли лишь в позднейшее время. Но прежде люди гораздо больше зависели от погоды, чем теперь, и простейшие наблюдения над погодой, особенно в связи с земледелием и мореплаванием, велись уже в глубочайшей древности. Старейшие из дошедших до нас метеорологических записей — это глиняные дощечки из Вавилонии, хранящиеся теперь в Британском музее, в Лондоне.

На них записаны различные приметы погоды большею частью в связи с урожаем, — например:

"Когда гром гремит в месяце Себат, то появится саранча".

"Когда солнце окружено кругом, то пойдет дождь", и т. п.

Подобные же заметки встречаются в Библии, а также у древних греков и римлян. У греков существовали особые календари погоды со своего рода "расписаниями" погоды на долгие сроки вперед; они, по-видимому, пользовались успехом, хотя предсказания эти переплетались с самыми нелепыми суевериями и религиозными предрассудками. Грекам же — именно Аристотелю — принадлежит и первый научный труд по метеорологии, относящийся, впрочем, скорее к физике. Он был написан в IV веке до нашей эры, а в 1923 г. издан впервые на английском языке.

Древние индусы и китайцы также не остались в стороне от метеорологии; в их дошедших до нас книгах встречаются иногда интересные отрывки из области наблюдений над погодой. В начале нашей эры индусский поэт Калидаза написал целую поэму под названием "Облачный Вестник". В ней поэтически описывается движение облака во время муссонов — дождливого периода в Индии. Вот некоторые стихи оттуда:

"Отдохни на горе, когда слишком утомишься… Остановись на время на холме Амракута, излей влагу, стань легче и спеши далее…

На горе Кайлаза твое тело замерзнет внутри тебя, и страшный гром будет сопровождать тебя…

Когда принесешь весть любви моей возлюбленной в Алахе близ Кайлаза, ты свободно, и пусть никогда не будешь ты разлучено со своей возлюбленной, молнией, как я, несчастный разлучен со своей…"

Индусами, очевидно, было правильно прослежено направление облаков, их образование на горах, когда теплый влажный ветер с моря встречает на пути Гималаи, и выпадение из облаков дождя, а иногда и образование сильных гроз и града ("тело замерзнет внутри тебя").

Целый ряд суеверий, связанных с погодой, и до настоящего времени сохранился у всех народов; некоторые из народных примет имеют под собой, впрочем, известные здравые основания. Во всяком случае, начало научной метеорологии было положено только тогда, когда были изобретены важнейшие приборы и стало возможно правильное наблюдение погоды.

Глава 1

ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА

СКОЛЬКО ВЕСИТ ВОЗДУХ?

За нормальное давление условно принимается давление воздуха на уровне моря и при температуре 0°. Тогда оно уравновешивается столбом ртути в барометрической трубке высотой в 760 мм. Может быть, кто-нибудь спросит: "Причем тут температура?" Надо вспомнить, что все тела от теплоты расширяются; стало быть, расширяется и ртуть в трубке; значит, при одном и том же давлении атмосферы столбик ртути будет выше, чем при 0°, если температура выше 0°, и ниже, чем при 0°,— если температура ниже 0°. Строго говоря, так как вес всякого тела зависит от его расстояния до центра Земли, Земля же, как известно, не шар, а сплюснута у полюсов, то нужно еще присоединить и поправку на широту места; но она очень незначительна и необходима лишь для самых точных измерений.

Сколько же, однако, весит столб воздуха, давление которого уравновешивается столбом ртути в 760 мм длиной? Это, конечно, зависит от площади основания столба. Положим, что нас интересует давление на площадку в квадратный метр. Если бы мы имели не ртуть, а воду, столб ее в барометрической трубке был бы не 760 мм, а в 13 1 / 2 раз больше, т. е. примерно 10 1 / 2 м, и объем такого столба при основании 1 кв. м был бы 10 1 / 2 куб. м; вес его был бы 10 1 / 2 т, т. е. 10 500 кг, или более 650 пудов.

Наш организм вполне приспособлен только к тем давлениям, которые нам постоянно приходится переносить. Резкие повышения или понижения давления обычно сказываются на человеке, особенно если он не вполне здоров. Подъемы в высокие, разреженные слои воздуха при полетах на шарах или аэропланах или восхождениях на горы сказываются и у здоровых людей различными болезненными явлениями. Отчасти здесь играет роль недостаток кислорода, но в значительной степени — и самое понижение давления.

Привычка, играющая такую большую роль в жизни человека, проявляется однако и в этой области. Во время длительных экспедиций на высокие горы, когда людям приходилось сравнительно долго оставаться на больших высотах, они вначале чувствовали себя очень скверно: страдали заметной слабостью, не могли спать и т. п. Но с течением времени наступало приспособление к разреженному воздуху, и уже через 4–5 дней путешественники чувствовали себя довольно сносно. Последняя экспедиция на Эверест летом 1924 года, когда была достигнута наивысшая точка около 8 580 м (высота Эвереста около 8 845 м), показала, что и на этих грандиозных высотах можно существовать и даже совершать переходы без искусственного дыхания кислородом, при условии предварительной тренировки. А ведь давление там — примерно 260 мм, почти втрое меньше нормального! Значительно ниже этих головокружительных высот, но все же на весьма почтенной высоте около 5200 м (всего на 400 м ниже вершины нашего Эльбруса), там же на Эвересте постоянно живет отшельник-индус и, по-видимому, чувствует себя хорошо, хотя давление не превышает 400 мм.

Если же каким-нибудь образом выкачать внутренний воздух из полых предметов, внешнее давление, сразу проявит себя. В учебниках физики описывается знаменитый опыт с "Магдебургскими полушариями", которые, когда из них выкачали воздух, так плотно прижались друг к другу под действием атмосферного давления, что их не могли разнять 16 лошадей. А вот любопытный пример из другой области. На побережьи океана в С. Америке часто проносятся бури колоссальной силы, так называемые "торнадо". Давление при этих бурях падает иногда в короткий срок до 700 мм и даже ниже. Оказывается, что давление внутри зданий при таких резких падениях, наружного давления не успевает следовать за последним; разности давления могут получиться настолько большие, что дом как бы взрывается изнутри!

Рис. 1. Ниагарский водопад, замерзший во время сильных морозов в феврале 1926 г.

Рис. 3. Наружный вид дома Галилея во Флоренции.

ГДЕ ГРАНИЦА АТМОСФЕРЫ?

По мере поднятия над Землей давление и плотность воздуха уменьшаются; при этом давление убывает не пропорционально высоте, а гораздо быстрее. Если бы вся атмосфера имела температуру 0°, то у земли было бы давление 760 мм, на высоте 18,4 км — 76 мм, на высоте 36,8 км — 7,6 мм, на высоте 55,2 км — 0,76 мм и т. д. Так как в верхних слоях температура ниже 0°, то в действительности давление убывает еще быстрее, и на 40 км составляет уже около 1 мм, а на высоте 500 км — около 0,001 мм. Это величины уже исчезающие малые, и практически атмосфера для нас не существует выше 10–15 км. Определенную границу между такими "следами" воздуха и безвоздушным пространством провести вряд ли можно: переход совершается постепенно уловить его нельзя. Можно решить другую задачу: как высоко простиралась бы атмосфера, если бы плотность воздуха была всюду одинакова, а не менялась бы с высотой? Это определить не трудно. Мы знаем, что столб воздуха, простирающийся до самых пределов атмосферы, весит 10 500 кг при основании в 1 кв. м. С другой стороны, известно, что 1 куб. м сухого воздуха весит 1,29 кг. Стало быть, такая "однородная атмосфера" простиралась бы на высоту во столько раз большую 1 м, во сколько раз 10500 больше 1,29. Расчет дает 8140, т. е. искомая высота равна приблизительно 8 км. Таким образом, уже вершина Эвереста лежала бы за пределами однородной атмосферы.

БАРОМЕТР И ПОГОДА

Даже из образованных людей многие убеждены, что барометр "показывает погоду", настоящую или будущую. В этом заблуждении поддерживает публику обыкновение мастеров, изготовляющих барометры-анероиды, писать на их циферблате: "ясно", "переменно", "дождь", "буря" и т. п. Барометры-анероиды основаны на том, что металлическая коробка, из которой выкачан воздух, немного сплющивается под влиянием внешнего атмосферного давления, и эти изменения коробки передаются при посредстве рычагов стрелке, движущейся по циферблату. Циферблат обычно разделен на деления, отвечающие миллиметрам ртутного столба (в старых приборах — на дюймы). Анероид, даже выверенный и точный, должен постоянно сравниваться с ртутным барометром, так как показывает, строго говоря, лишь изменения давления, а не абсолютную его величину. Правда, в хороших и правильно установленных анероидах ошибка сравнительно невелика. В публике же чаще всего распространены дешевые анероиды, установленные без сравнения с ртутным барометром и, конечно, не принимая в расчет высоты того места, для которого предназначен анероид. Публика этим, впрочем, не интересуется. Она смотрит прежде всего на надписи, которыми украшен циферблат, и когда стрелка стоит на "великой суши", а моросит дождь, или если стрелка показывает "дождь" в солнечную погоду, владелец барометра бранит и его и метеорологов. Виноват между тем он сам, потому что не потрудился узнать, что не только анероид, — который прежде всего может быть неправильно установлен, — а и самый совершенный ртутный барометр вовсе не обязан предсказывать погоду.

Барометр показывает давление воздуха, а оно зависит от высоты места. В одну и ту же погоду барометр на вершине горы будет стоять на "великом дожде", в то время как внизу он покажет "ясно". Давление, низкое для Ленинграда, будет высоким для Москвы, лежащей выше. Но допустим, что мы учли это, введя поправку на высоту, или, как говорят, "приведя давление к уровню моря". (Это делается при помощи особых таблиц, а для высот, близких к поверхности земли, до 900—1000 м, можно грубо принять, что разность давлений в 1 мм отвечает разности высот в 11 м). Все же, как увидим дальше, погода вообще зависит не столько от давления, сколько от его изменений, а кроме того еще от целого ряда многообразных условий. Правда, до известной степени можно сказать, что при продолжительном высоком стоянии барометра обычно бывает ясная и тихая погода, при резком же падении — надо ждать дождя и сильного ветра. Но это имеет значение лишь относительное, и сердиться на барометр, когда он "врет", нет никаких оснований.

Глава 2

СОЛНЦЕ И СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

ЧТО ДАЕТ НАМ СОЛНЦЕ?

Вся энергия, которой мы пользуемся на Земле, берется от Солнца. На первый взгляд, это не совсем понятно. Ведь зимой в средних и, тем более, высоких широтах Солнце почти не греет, однако мы обходимся без помощи солнечной теплоты и жжем в печах дрова или уголь. Кроме того мы применяем энергию мощных паровых и электрических двигателей, пользуемся силой воды, иногда силой ветра, и даже не вспоминаем о Солнце!

Рассуждая так, забывают, что наши паровые и электрические двигатели работают не сами собой, а требуют топлива. Их топят дровами или углем. Но дрова — это деревья из лесу, а дерево не растет без достаточного тепла и света, даваемого ему Солнцем. Вся ткань дерева — это словно вместилище накопленной солнечной энергии. Уголь же не что иное, как остатки первобытных лесов, произраставших много миллионов лет тому назад, — то есть опять-таки накопленная солнечная энергия.

А водяные двигатели? Тут как будто Солнце не причем: колеса вертит вода. Откуда, однако, берется вода и как она накопляется? Если бы на Земле не было дождей и снега, все реки давно иссякли бы, а дождь и снег образуются из влаги, поднятой с Земли Солнцем.

Точно так же и ветер возникает от того, что различные части земной поверхности нагреваются неравномерно и тем дают начало движениям воздуха. Итак, вся энергия на Земле происходит от Солнца. Наша мускульная и умственная энергия, в конечном счете, зависит тоже от Солнца: без пищи человек существовать не может, а пища его — та же солнечная энергия, скопленная в клетках животных или растений.

Сколько же тепла дает нам непосредственно само Солнце? В одну секунду Солнце излучает кругом себя такое количество тепла, которое может растопить слой льда в виде столба диаметром в 4 км и протяжением от Земли до Солнца, т. е. 150 миллионов км! А если выразить в свечах силу солнечного света, то получится 1275 с 24 нулями! Из всего этого громадного количества тепла и света Земля получает менее миллиардной части. Но и этого вполне достаточно для поддержания жизни на Земле.

Значительная часть солнечных лучей задерживается атмосферой, — тем больше, чем большую толщу воздуха им приходится проходить, т. е. чем ближе Солнце к горизонту. У границ атмосферы каждый кв. см поверхности, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, получает за 1 минуту около 2 мал. калорий (калория — количество тепла, которое нагревает 1 г воды на 1° Ц); на поверхности Земли кв. см получает в среднем около 1,3 мал. калории^[1]. Когда Солнце в зените, атмосфера поглощает около 30 % его излучения, когда оно у горизонта — около 75 %. И все таки Земля за сутки получает больше тепла, чем дает все топливо, сжигаемое человечеством за 1000 лет! Часть земного шара, занятая сушей, получает от Солнца менее чем в год энергию, равную запасу ее в каменном угле всего земного шара.

ПОГАСНЕТ ЛИ СОЛНЦЕ?

Вопрос этот, конечно, имеет для нас очень серьезное значение. Положим, "на наш век хватит", но человеку сознательному свойственно задумываться о будущем Земли и человечества далеко за пределами нашей ограниченной жизни. В самом деле, не может же Солнце "безнаказанно" излучать в пространство такие колоссальные количества энергии! Откуда они берутся, как восполняются и на сколько времени их может хватить?

Нельзя сказать, чтоб эти вопросы были в полной мере разрешены, но все же астрономы дают на них пока довольно утешительные ответы. С исторических времен нет никаких указаний на то, чтобы солнечная энергия уменьшилась. Как пополняются ее запасы — это иное дело. Если принять гипотезу о том, что теплота Солнца пополняется путем его постепенного сжатия, то оказывается, что запасов теплоты хватило бы не более чем на 15 миллионов лет, — а между тем, согласно исследованиям геологов, даже Земля много старше. Приходится поэтому думать, что энергия Солнца поддерживается иным образом, вернее всего — процессами внутриатомного превращения элементов, а как именно — это пока еще является загадкой.

По мнению астрономов, Солнце имеет шансы дожить до возраста в несколько сотен биллионов лет, если только какая-нибудь звезда не налетит на него случайно и не уничтожит его вместе со всей планетной системой; но такие столкновения крайне маловероятны, хотя теоретически и возможны.

СОЛНЕЧНЫЕ МАШИНЫ

Раз энергия Солнца, получаемая Землей, так велика, отчего бы не использовать его лучи в качестве двигательной силы для машин? Это была бы даровая и практически неистощимая энергия.

Однако, теплоту Солнца можно с выгодой использовать только в таких странах, где небо по большей части безоблачно, иначе у нашей машины будут большие простои. Да и в жарких странах солнечное освещение далеко не постоянно в течение суток. Во-вторых, для получения от Солнца нагревания воды до такой температуры, чтобы ее пар мог приводить в движение паровую машину, нужны по большей части очень громоздкие, широко раскинутые установки.

Чтоб сосредоточить солнечные лучи на котле такой машины, употребляются системы вогнутых зеркал, углы наклона которых меняются соответственно движению Солнца по небу, — для более полного использования его лучей. И все же получается машина с очень невысоким "коэффициентом полезного действия", т. е. очень незначительная часть падающей на них энергии превращается в работу.

Тем не менее, солнечные машины работают в некоторых странах, например, в Каире (станция Шумана), в Калифорнии и др. По подсчету известного шведского физика Аррениуса, энергия от станции Шумана обходится примерно в 5 коп. за киловатт-час.^[2] В Америке, на горе Вильсон, при обсерватории устроена профессором Абботом "солнечная кухня", без топлива, обслуживающая всю обсерваторию.

Ряд усовершенствований, внесенных в последнее время в конструкцию солнечных двигателей работами американских и французских ученых, нашего физика проф. Б. П. Вейнберга и других, позволяет надеяться, что полезное действие этих двигателей может быть значительно увеличено. Разве не великолепная перспектива — использовать громадные площади бесплодных жгучих пустынь для установки мощных солнечных двигателей? Учеными рассчитано, что даже 1 % солнечной энергии, приходящейся на Сахару, в 10 раз превышает мировую потребность в энергии. Дело, значит, лишь за техническими усовершенствованиями, а это не непреодолимо, Думать же о замене нашего теперешнего топлива другими источниками энергии поневоле приходится, так как, не говоря уже о дровах, даже запасы каменного угля и нефти ограничены, и трудно сказать, на сколько времени их хватит человеку, имея в виду колоссальный рост их потребления.

В плане нашей метеорологической службы имеются специально вопросы "солнечного кадастра", т. е. исследования и учета запасов солнечной энергии в нашем Союзе. Этими вопросами занимаются наши "солнечники" — Н. Н. Калитин, Б. П. Вейнберг и др. Наиболее благоприятными в отношении солнечной энергии являются те части Союза, где Солнце бывает сравнительно редко покрыто облаками, — по преимуществу наши среднеазиатские республики с их сухим и жарким климатом. Именно там проф. Вейнбергом и рядом местных работников устроены первые солнечные силовые установки.

Выдающийся интерес представляют работы К. Г. Трофимова в Ташкенте: им построены баня, прачечная, водоподъемник, опреснитель и др. установки, действующие исключительно за счет энергии Солнца; некоторые из них используются промышленностью.

ОТЧЕГО МЫ ЗАГОРАЕМ?

Всем известно, что мы загораем от Солнца, но не столь многие знают, что загар вызывается не всеми лучами, испускаемыми Солнцем, а преимущественно теми невидимыми лучами солнечного спектра, которые называются ультрафиолетовыми. Эти лучи, действуя на кожу, образуют в ней особое красящее вещество — пигмент, который в дальнейшем предохраняет клетки организма от более глубокого проникновения этих лучей: избыток их вреден. Если, не будучи привычным, подвергаться действию Солнца чрезмерно долго, можно получить очень серьезные ожоги, а иногда и более опасные расстройства здоровья. Это надо помнить всем, кто, попав летом на юг, начинает увлекаться солнечными ваннами.

Загореть и обжечься можно, впрочем, не только на юге, но и в более высоких широтах и даже на крайнем севере. Летом Солнце стоит там достаточно высоко, а прозрачность воздуха, лишенного пыли, позволяет сравнительно легко проникать солнечным лучам, в том числе и ультрафиолетовым. Мы привыкли думать, что полюс получает очень мало солнечного тепла и света в сравнении с экваториальными областями. Но "полярная ночь" и низкое стояние Солнца над горизонтом в значительной степени уравновешивается долгим "полярным днем" с незаходящим Солнцем. В среднем за год полюс, как оказывается по подсчетам, получает 41 % солнечной энергии, получаемой экватором; не так уж мало! А во время летнего солнцестояния северный полюс получает на 36 % больше солнечного тепла, чем экватор.^[3] Не приходится удивляться, что там можно и загореть; это и испытывали на себе многие полярные исследователи.

СТЕКЛО ЖИЗНИ

Опасности получить ожоги от Солнца подвергаются также путешественники на высоких горах, где разреженный и чистый воздух легко пропускает солнечные лучи. Зато в комнате, при закрытых окнах, загореть невозможно: оконные стекла совершенно не пропускают как раз тех ультрафиолетовых лучей, от которых зависит загар. А так как ультрафиолетовые лучи в небольшом количестве бесспорно полезны для организма, возбуждая его жизнедеятельность, то изобретатели давно стремились найти такой состав стекла, чтоб оно пропускало эти лучи. Кварц обладает этим свойством; отсюда лечебное действие кварцевых ламп; но этот минерал слишком дорог. В последнее время немцам удалось изобрести дешевое стекло, названное "стеклом жизни"; делают его теперь и у нас. В комнате с такими окнами и даже при электрической лампочке из такого стекла можно загореть дома не хуже, чем на открытом воздухе. Врачи, однако, не советуют чрезмерно увлекаться этим стеклом, так как слишком широкое его распространение, подвергая человека очень длительному воздействию ультрафиолетовых лучей, может дать больше вреда, чем пользы.

ГДЕ ТЕПЛЕЕ: БЛИЖЕ К ЗЕМЛЕ ИЛИ К СОЛНЦУ?

Всякий скажет, что чем ближе к Солнцу, тем должно быть теплее. Конечно, если б мы могли приблизиться вплотную к Солнцу, нам стало бы не только тепло, а, пожалуй, и очень жарко, так как температура даже внешних слоев Солнца исчисляется примерно в 6000 градусов. Но если не предпринимать таких грандиозных путешествий, а оставаться в пределах нашей земной атмосферы, то окажется, что чем дальше мы удаляемся от поверхности Земли, тем становится холоднее. Это хорошо знают туристы, поднимающиеся на высокие горы, а также авиаторы, которые при полете надевают даже летом теплую одежду в расчете на холодные верхние слои воздуха.

В чем же тут дело? В том, что для Земли и ближайших к ней слоев воздуха главнейшим источником тепла служит не непосредственно само Солнце, а уже нагретая им земная поверхность, которая играет роль как бы печки. От нее ближайшие слои воздуха нагреваются путем передачи от частицы к частице — теплопроводностью— а также и от того, что теплый воздух становится легче и вытесняется вверх более холодным ("конвекция"). Большое значение имеет также "турбулентность" или беспорядочные движения воздушных частиц вверх и вниз под влиянием как различного нагревания соседних участков, так и неровностей земной поверхности. Эти движения иногда можно видеть непосредственно глазом в теплые солнечные дни, когда воздух у земли словно дрожит и струится и очертания предметов у горизонта кажутся размытыми.

Глава 3

ВЫСОКИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ

ЧТО ДЕЛАЕТСЯ В ВЫСОКИХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ?

Как же далеко простирается нагревание от земной поверхности? И каких температур надо ожидать в верхних слоях атмосферы?

Вопрос этот, естественно, давно интересовал ученых, и первым шагом к его разрешению были измерения температуры при полетах на воздушных шарах. Наибольшая высота на воздушном шаре была достигнута в июле 1901 г. метеорологами Берсоном и Зюрингом: 10 800 м, где они отметили температуру около минус 40°. В 1931 и 1932 г. этот рекорд был значительно превышен проф. Пикаром, а в 1933 году полетом советского стратостата "СССР" и в 1934 — стратостата "Осоавиахим 1". Эти полеты описаны дальше.

Подъем на воздушном шаре, однако, дело сложное, и поскольку человек стремится всюду, где можно, заменить себя машиной, так и здесь возникла мысль отправить в неведомые высоты прибор, который сам записал бы температуру воздуха.

Мысль о таких подъемах была высказана еще Ломоносовым в 1754 г.: он построил "маленькую машинку, которая бы вверх поднимала термометры и другие малые инструменты метеорологические".

И в протоколе заседания Академии Наук от 1 июля этого года говорится: "Ломоносов показывал изобретенную машину, которую он называет аэродромическою. В этой машине при помощи крыльев, приводимых в движение часовой пружиной, нагнетается воздух, и машина поднимается вверх, чтоб при помощи присоединенных к ней метеорологических приборов можно было исследовать состояние верхнего воздуха".

Однако, о дальнейшей судьбе этой машины и о полученных с ее помощью результатах до нас ничего не дошло.

Практическое осуществление научных подъемов на шарах, о которых дальше будет сказано подробнее, принадлежит французам — Эрмиту и Безансону (1893), но систематические исследования этим путем были произведены лишь в 1899–1902 гг. французом Тейссерен-де-Бором и немцем Ассманом. Их по справедливости и можно назвать "отцами аэрологии" — науки о верхних слоях атмосферы. Они применяли небольшие шары из бумаги или материи, наполнявшейся водородом; привязанный к ним легкий прибор записывал во все время полета температуру и давление воздуха, а затем, когда шар лопался, спускался на особом парашюте. Впоследствии стали делать шары из резины, что гораздо удобнее.

Ряд подобных подъемов в различных странах обнаружил неожиданный факт: оказалось, что температура падает лишь до высоты 10–12 км, где достигает примерно лишь 55°, а дальше, сколько ни поднимались (в отдельных случаях шары достигали высоты 36 км), температура остается почти постоянной или даже слегка повышается.

Это показалось вначале настолько удивительным, что метеорологи склонны были приписать такой результат ошибкам приборов; но так как все подъемы, когда бы и где бы их ни делали, давали примерно все тот же результат, пришлось признать его реальным. Это явление получило название "верхней инверсии" (обращения) температуры: вместо падения — повышение.

Рис. 6. Первый подъем большого шара-зонда ("Аэрофил") во Франции. (Со старинного рисунка.)

Вскоре ученые нашли и теоретическое его объяснение: вследствие равновесия между лучистой энергией, идущей от Солнца, и энергией, излучаемой обратно в пространство от Земли, на некоторой высоте должен образоваться слой постоянной температуры.

В настоящее время вполне установлено, что наша атмосфера состоит из двух областей. Нижняя простирается от поверхности Земли примерно до 10–12 км и носит название "тропосферы". В ней происходят непрерывные подъемы и опускания воздушных масс, образуются облака, дожди, вихри; вообще это неспокойная и неустойчивая зона. В сравнении с размерами Земли слой этот чрезвычайно мал: если изобразить земной шар окружностью диаметром 10 см, то толщина самой линии этой окружности — примерно 0,1 мм — будет отвечать толщине тропосферы. И однако, этот слой играет наиболее значительную роль в земной погоде.

Как показывают наблюдения, в тропосфере температура падает примерно на 0°,5–0°,7 при поднятии на каждые 100 м (летом несколько больше, чем зимой) и у границы тропосферы достигает минус 50–60° Ц. Граница эта у экватора выше, чем над полюсами, и температура у границы там ниже, чем в более высоких широтах. Для средних широт тропосфера кончается на высоте около 10–11 км, и температура на ее границе составляет около минус 55°; наблюдения же над озером Виктория Нианца (в экваториальной Африке) показали, что тропосфера кончается там на высоте около 16 км с предельной температурой около минус 80°.

Рис. 7. Кривые, изображающие изменение температуры с высотой в свободной атмосфере зимой (левая кривая) и летом (правая). Перегиб кривой показывает конец тропосферы и начало стратосферы, которое летом лежит несколько выше, чем зимой.

Выше тропосферы лежит слой, где температура почти не меняется; там, по-видимому, уже нет никаких восходящих или нисходящих движений воздуха, остаются одни горизонтальные перемещения; эта сфера носит название "стратосферы". Она исследована очень мало, и где она кончается, — неизвестно. Самый высокий шар, поднимавшийся до высоты около 36 км, обнаружил до самого конца все ту же температуру, что и при начале стратосферы. Теоретические выводы различных ученых также расходятся в этом вопросе. Одни считают, что с некоторой высоты опять начинается падение температуры и на высоте 80 км она уже ниже — 100°. Другие предполагают, что в верхних слоях начинается возрастание темпера туры, и в результате она доходит до очень высоких значений. Кто прав, пока неизвестно. Неизвестен и состав воздуха на больших высотах, если вообще то, что там имеется, можно назвать "воздухом" в привычном для нас смысле: даже на высоте 40 км он разрежен почти в тысячу раз по сравнению с воздухом близ поверхности Земли.

ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВОЗДУХ НА ОЧЕНЬ БОЛЬШИХ ВЫСОТАХ?

До высот, доступных человеку, воздух имеет примерно один и тот же состав: 79 частей азота, около 21 части кислорода и незначительные примеси углекислоты, аргона, гелия и водорода. Каждый ив газов ведет себя так, как если бы он был один и составлял свою особую атмосферу. С удалением от Земли уменьшается и давление каждого из газов; причем чем тяжелее газ, тем его давление с высотой падает быстрее, так как его больше остается внизу. Поэтому чем выше, тем меньше воздух должен содержать тяжелых газов — кислорода, азота — и больше легких — водорода и гелия. Сколько именно и на какой высоте, — можно рассчитать по содержанию каждого газа в нижних слоях; но это дело очень тонкое, и для тех газов, которых у Земли весьма мало, малейшая ошибка в определении их количества внизу даст значительную разницу наверху. Поэтому различные метеорологи получили неодинаковые схемы состава воздуха на высоте. Здесь приведена одна из позднейших по времени схем — схема Гемфриса.

ЧТО ГОВОРЯТ ПУШКИ О СТРОЕНИИ АТМОСФЕРЫ?

Оказывается, пушки могут сказать в этом вопросе довольно веское слово. При очень сильной орудийной пальбе (или при взрывах) замечено, что гул от них бывает слышен на некоторое расстояние от места стрельбы, дальше он не слышен, а еще дальше — примерно на 100 км — опять слышен. Отчего получается такая "зона молчания"? Естественно было предположить, что вторичное появление звука вызвано отражением звуковых волн от границы между слоями воздуха различной плотности. Расчет показывает, что такая граница должна лежать на высоте около 70 км. Эта высота примерно отвечает высоте водородной сферы, теоретически вычисленной Гемфрисом.

Любопытно, что на ту же высоту указывают и наблюдения над, светом неба во время сумерек. Если в ясный вечер мы будем внимательно наблюдать небо после захода Солнца, то заметим, что оно темнеет не постепенно, а как бы скачками; происходит словно опускание за горизонт нескольких последовательных светлых дуг. Первая дуга скрывается тогда, когда Солнце опустилось на 8° ниже горизонта. Вычисление показывает, что это соответствует отражению лучей Солнца от слоя, лежащего около 11 км над Землей: это — граница стратосферы. Вторая более слабая дуга исчезает при опускании Солнца на 17° ниже горизонта; высота этого отражающего слоя определяется примерно в 74 км; очевидно, это — предполагаемый слой водорода, о котором свидетельствуют и пушки. Есть еще третья, очень слабая дуга, момент исчезновения которой отвечает еще какому-то слою на высоте около 200 км. После этого сумерки кончаются, наступает ночь. Все это можно видеть и утром, до восхода Солнца, но в обратном порядке.

СЕВЕРНЫЕ СИЯНИЯ И ТАИНСТВЕННАЯ ЗЕЛЕНАЯ ЛИНИЯ

Полярные сияния, эта великолепная небесная иллюминация, о которой у нас еще будет речь ниже, — представляют собою в грандиозном масштабе подобие того свечения, какое мы наблюдаем в Круксовых трубках при прохождении через них электрического тока. В этих трубках воздух чрезвычайно разрешен, примерно так же, как в высоких слоях атмосферы. В последнее время удалось получить фотографии различных видов северных сияний; снимая одно и то же сияние с двух станций, расстояние между которыми известно, норвежский ученый К. Штермер определил их высоту. Оказалось, что сияния разыгрываются на громадных высотах от 90 км до 700 км. Значит, еще и на 700 км есть следы какого-то газа, потому что в пустоте свечения быть не может. Что же это за газ?

В спектре северных сияний открыта особая зеленая линия, которой нет в спектре ни одного из известных на земле элементов. Об ее происхождении физики до сих пор ломают себе голову. Германский метеоролог А. Вегенер высказал догадку, что самые высокие слои атмосферы состоят из очень легкого газа "геокорония" ("гео" — земля), опираясь на то, что подобная же зеленая линия встречается в спектре солнечной короны Норвежец Вегард предположил, что таинственная линия принадлежит кристаллическому азоту, носящемуся в пространстве в крайне распыленном состоянии. Действительно, в лаборатории ему удалось получить кристаллический азот, спектр которого давал похожую зеленую линию. Но обе теории встречают очень серьезные возражения, и вопрос о зеленей линии и вообще о составе воздуха на этих громадных высотах надо пока считать открытым. Самые последние работы заставляют скорее всего предполагать, что зеленая линия принадлежит кислороду, атомы которого переходят в особое состояние под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца.

АТМОСФЕРНАЯ ШИРМА ОТ СОЛНЕЧНЫХ УДАРОВ

Недавно исследованиями французских ученых установлено, что на высоте 35–40 км в атмосфере лежит слой озона, крайне разреженный, но имеющий для обитателей Земли весьма большое значение. Полагают, что этот слой задерживает излучения Солнца, которые вредны и даже могут быть смертельны для живых организмов. Иногда этот слой озона меняет свою плотность. Н которые ученые тот факт, что солнечные удары в жарких местностях иногда особенно учащаются, объясняют такими колебаниями плотности, а следовательно, и проницаемости для излучений Солнца.

В 1929 г. собралась в Париже международная конференция по исследованиям озона в атмосфере. Оказывается, что распределение озона различно в различное время года и при различных условиях погоды, но причины этого пока не выяснены.

В СТРАТОСФЕРУ НА РАКЕТЕ

Вот как много интересного кроется в высоких слоях атмосферы: целый ряд загадок, разрешение которых стоит на очереди. Только туда не легко пробраться. В последнее время Гемфрис предложил такую идею прибора для определения состава воздуха на очень больших высотах: выпускается ракета с герметически закрытой трубкой в своей головной части; трубка изолирована от окружающего воздуха (из нее воздух по возможности выкачан) и окружена водой или льдом. Когда ракета достигает наибольшей высоты, конец трубки автоматически обламывается, в нее входит внешний воздух, и трубка опять автоматически запаивается. В этот же момент ракета дает световой сигнал, позволяющий с поверхности Земли определить ее высоту. Если бы проект Гемфриса удалось осуществить, мы имели бы пробу воздуха, взятую с определенной высоты. Тейссерея-де-Бору удавалось брать такие пробы при помощи приборов, поднимавшихся на шарах, но ракета позволит взять их с таких высот, куда шары не достигают.

Конечно, осуществление такого проекта связано с целым рядом технических трудностей, но они безусловно преодолимы. И если надеются со временем осуществить межпланетные перелеты на ракете, то проникнуть на ракете в стратосферу, а тем более пустить туда ракету без пассажиров — вероятно, дело уже недалекого будущего.

Рис. 8. Схема строения атмосферы по Гемфрису. До высоты 60 км состав воздуха почти не меняется. Между 60 и 80 км количество азота резко падает, уступая место водороду и гелию. Выше 200 км — водородная атмосфера.

В СТРАТОСФЕРУ НА ВОЗДУШНОМ ШАРЕ

Как бы хорошо ни выполнила свою задачу ракета, все же человек лучше проведет наблюдения! И вот нашелся ученый, который решился на смелый полет в недоступные до сих пор слои атмосферы. Это брюссельский профессор Пикар, швейцарец по происхождению, имя которого, благодаря его полету, получило мировую известность.

Несмотря на тщательно обдуманный план этой воздушной экспедиции, первые попытки полета в 1930 г. окончились неудачей. Но вот, 27 мая 1931 г. Пикар с ассистентом-физиком Кипфером вновь поднялись из Аугсбурга (в Германии) на специальном аэростате емкостью в 14000 куб. м. У земли он был раздут лишь на 1 / 6 своего объема; поднимаясь, он постепенно должен был все более приближаться к шарообразной форме, и на высоте 15 км диаметр его должен был дойти до 30 м! Сами путешественники сидели в алюминиевом шаре, который был закрыт герметически, и таким образом им обеспечивался запас воздуха нормального состава и давления, необходимый для человека. Эта кабина была окрашена в черный цвет, чтоб ее поверхность поглощала солнечные лучи и благодаря этому нагревалась.

Шар поднялся необычайно быстро и уже через 20 минут достиг высоты почти 16 км — подъем совершался с громадной скоростью, около 9 м/с. От столь быстрого подъема и начального толчка произошла авария с некоторыми приборами и было повреждено приспособление для маневрирования. Из-за этого смелые воздухоплаватели были вынуждены оставаться на высоте 16 км в течение 16 часов, что в виду ограниченного запаса воздуха в кабине грозило им удушьем. К тому же "отопление" солнечными лучами оказалось столь сильным, что, несмотря на низкую температуру (около —55°) окружающего воздуха, в кабине получилась температура до +40°. В конце концов воздухоплавателям удалось благополучно спуститься уже поздно вечером, в горах, на поверхности ледника близ деревушки Гургль (Тироль).

Сенсация, произведенная этим полетом, была грандиозна. В маленькую тирольскую деревушку наехало столько корресподентов и прочей публики, что оказалось невозможным их прокормить и пришлось посылать за продовольствием в Инсбрук! Пикар, однако, хотя и достиг высоты, на которой до того еще не бывал ни один человек, остался недоволен результатами полета, так как ряд задуманных им наблюдений не удался из-за порчи приборов и невозможности регулировать высоту шара; он тут же решил повторить свое смелое предприятие.

Рис. 9. Стратостат Пикара.

ЛУЧИ ИЗ НЕВЕДОМЫХ ПРОСТРАНСТВ

Основной задачей Пикара было изучение "космических лучей". Дело в том, что воздух обладает известной радиоактивностью, источником которой служат, казалось бы, радиоактивные вещества почвы. Однако подъемы на аэростатах на сравнительно небольшие высоты обнаружили, что радиоактивность воздуха не уменьшается, а увеличивается по мере поднятия над Землей. Это означает, что есть и иные источники радиоактивности, помимо земных; может быть, они находятся на Солнце, может быть где-то еще дальше, на звездах, в глубинах мирового пространства. Усилия ученых различных стран направлены к выяснению происхождения этих "космических лучей", проникающих через толщу атмосферы на земную поверхность.

С высотой влияние атмосферного поглощения становится все меньше: на высоте 16 км над наблюдателем остается всего только 1 / 10 всей массы атмосферы, а подъем в еще более высокие слои дал бы возможность изучать космические лучи в еще более "чистом" виде. Понятно поэтому стремление ученых достичь возможно большей высоты.

Рис. 10. Гондола стратостата Пикара

ВТОРОЙ ПОЛЕТ НА ШАРЕ В СТРАТОСФЕРУ

Пикар вторично поднялся на том же шаре в стратосферу 18 августа 1932 г. с Цюрихского аэродрома; спутником его на этот раз был д-р Козине. Пикар принял ряд предосторожностей, чтоб подъем произошел не так быстро, и регулирование высоты шара было обеспечено. На этот раз ему удалось подняться на 500 м выше; эта высота—16500 м — была достигнута примерно через 7 часов после вылета шара. Вечером того же дня шар благополучно спустился в Италии. Интересно заметить, что, наученный предыдущим опытом чрезмерного "отопления" кабины, Пикар теперь окрасил ее в белый цвет. Теперь она не поглощала, а отражала солнечные лучи, и температура в ней упала до —15°, так что на этот раз воздухоплаватели мерзли. Пикар резонно замечает по этому поводу, что следовало выкрасить кабину в серый цвет.

ВПЕЧАТЛЕНИЯ ПРИ ПОЛЕТЕ В СТРАТОСФЕРУ

Вот несколько выдержек из дневника Пикара во время полета и из его статьи, перевод которой был напечатан в "Известиях" осенью 1932 г.

"5 часов 45 м. Давление 257 мм. Через две минуты шар, почти принявший сферическую форму, достигает 8500 м — высоты Эвереста. Внутри кабины образуется легкий белый налет… Вследствие наружного холода кабина быстро покрылась внутри слоем великолепного инея. 7 ч. 11 м. Давление 93 мм. Температура на полу кабины —5°, на высоте головы человека +1°. Кабина сверкает, как хрустальный грот; свисают тонкие ледяные иглы, сталактиты… 10 ч. 36 м. Давление 73 мм. Небо имеет цвет не синий, а средний между темно-лиловым и аспидно-серым. 12 ч. 13 м. Высота около 16500 м. Клапан открыт, чтоб возможно скорее спуститься в Италии. Спуск начался". "Мы научились отмечать на карте необитаемое небесное пространство, которое раньше или позже должно стать "стратосферными путями" сообщения и транспорта, как старинные мореплаватели учились отмечать на морских картах неоткрытые моря… Мой последний полет доказал, что полеты в стратосферу могут производиться без всякой опасности. Управление аэростатом не оставляло желать лучшего. Мы убедились, что посеребренная гондола так же мало желательна, как и черная. В последней мы страдали год назад от жары. На этот раз мы должны были выносить мороз в —15°, тогда как термометр с наружной стороны гондолы стоял между —50° и—60°".

ЧТО ЖЕ ТАКОЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ?

Об этом втором своем полете Пикар пишет:

«Хотя наша работа над произведенными мною и Козинсом наблюдениями еще не закончена, мы уже обладаем достаточными знаниями, чтоб открыто признать, что до сих пор ничего еще нельзя считать установленным и космические лучи продолжают ревниво охранять свою тайну. Понадобится еще произвести многочисленные экспедиции на воздушном шаре, в частности, по крайней мере один успешный подъем в полярной области, где могут быть произведены наблюдения над действием; магнитных волн… Каковы бы ни были наши будущие открытия, можно с уверенностью сказать, что в скором (будущем мы сделаем крупный шаг вперед.

Объяснение природы космических лучей будет, быть может, иметь значение и для практического технического прогресса, что в первую очередь должно заинтересовать читателя. Я думаю бодрствуя, а не во сне, — о дешевой энергии будущих дней, о раздроблении бесконечной энергии атомов и молекул, находящихся повсюду вокруг нас. Хотя осуществление этих возможностей и может стать делом будущих поколений, они уже не являются мечтой, но занимают место среди реально осуществимых задач физики".

ШТУРМ СТРАТОСФЕРЫ

Исследование стратосферы представляет громадный практический интерес и помимо космических лучей. Ввиду отсутствия вертикальных течений, в виду ничтожной плотности воздуха, высокие слои атмосферы представляют заманчивый путь для воздушного транспорта; интересуется ими и артиллерия, так как сопротивление летящему снаряду сводится там к минимуму.

Овладение стратосферой — важная и вполне реальная очередная задача. И новый громадный — почти в 4 1 / 2 километра! — шаг вперед сделан здесь советскими работниками.

СОВЕТСКИЕ СТРАТОСТАТЫ

30 сентября 1933 года — исторический день не только для советского воздухоплавания, для советской науки, но и для мировой науки. В этот день стратостат "СССР" под командой Г. А. Прокофьева, с конструктором инженером Годуновыми пилотом Бирнбаумом поднялся на высоту 19 километров, более чем на 2 километра, побив рекорд Пикара.

Стратостат "СССР" был значительно больше, чем у Пикара: в то время как у стратостата Пикара максимальный объем был около 14000 куб. м, объем "СССР" был 25000 куб. м. Кабина, как и у Пикара, была шарообразная и имела голубую окраску. Как стратостат, так и кабина были построены целиком на советских заводах и из советских материалов.

В отличие от полета Пикара, который был в значительной мере частным предприятием, полет нашего стратостата происходил при самом широком участии общественности и научных работников Ленинграда и Москвы. Нашими метеорологическими учреждениями во главе с Главной геофизической обсерваторией была проведена громадная работа по постройке специальных приборов для исследования атмосферы на высоте, по исследованию условий погоды с целью выбора наиболее благоприятного времени полета, по организации наблюдений стратостата с земли: последнее было важно для сравнения высоты, полученной приборами на стратостате, с высотой, полученной геометрическим путем. Для определения высоты полета была создана специальная комиссия. Приборы для определения высоты были при подъеме запломбированы особыми металлическими пломбами.

Рис. 11. Наполнение|оболочки стратостата "СССР" перед полетом 30 сентября 1933 г.

Старт стратостата состоялся в 8 ч. 41 м… 30 сентября при великолепной тихой и ясной погоде. Приводим некоторые детали этого исторического полета, заимствованные из газет.

"29 сентября началось ярким солнечным утром. Стих ветер. Погода позволяла начать предварительные работы но подготовке стратостата "СССР" к полету. Днем был отдан приказ. На Центральный московский аэродром им. Фрунзе была доставлена огромная оболочка стратостата и все необходимое для старта.

В 2 часа ночи огромные газгольдеры, с водородом, каждый вместимостью по 125 куб. м, доставляются на аэродром и устанавливаются на стартовой площадке.

В небольшом здании главной аэрометестанции ВВС идет беспрерывная работа. Научные работники определяют точный режим погоды. В воздух пускаются шары-пилоты, проникающие в стратосферу. Все данные говорят о великолепных метеорологических условиях.

В 6 час. 20 мин. из ангара на поле выносится голубая гондола. Рядом с оболочкой стратостата — два "шара-прыгуна", которые предназначены для подъема, чтобы иметь возможность осмотреть уже наполненную оболочку.

8 часов утра. Еще 20 минут, и начинается пробное взвешивание всей системы стратостата в воздухе. Через 21 минуту — в 8 ч. 41 мин. — начальник старта тов. Гараканидзе подает команду:

— Отдать кабину!

И, обращаясь к командиру стратостата тов. Прокофьеву, говорит:

— В полете!

— Есть в полете! — отвечает тов. Прокофьев.

Быстро поднимается стратостат "СССР" в воздух.

Уже через 4 минуты стратостат достиг высоты в 3 тыс. метров и поднимался затем со скоростью 2 м в секунду.

В 9 час. 32 мин. стратостат достиг 17 500 м. Наружная температура —45 град. Скорость подъема около 1 м. Серебристый стратостат виден со всех концов Москвы невооруженным глазом. Огромные толпы людей собираются на улицах и наблюдают за полетом первого советского стратостата, который уже через 44 мин. поставил новый мировой рекорд.

Рис. 12. Оболочка стратостата "СССР" перед полетом 30 сентября 1933 г.

Следующая радиограмма, полученная со стратостата в 9 ч. 58 м. и адресованная начальнику военно-воздушных сил РККА тов. Алкснису, гласит:

"Давление 60 мм. По альтиметру высота 17 900. Руководствуюсь вашими указаниями. Привет от первого экипажа стратостата "СССР". Кислородные приборы работают пока хорошо. Кислорода достаточно. Температура в гондоле — +14 град. Солнечная сторона гондолы горячая, теневая — холодная, но не особенно сильно. Сейчас гондола поворачивается, таким образом — разогрев будет со всех сторон".

Напряжение растет. В небольшой комнате ГАМСа с волнением ждут и прислушиваются к передаваемым со стратостата радиограммам, В 12 ч. 13 м. экипаж стратостата сообщал:

"После израсходования маневренного балласта высота достигнута 18400. Давление 51 мм ртутного столба. Механизм сбрасывателя балласта работает хорошо. Клапан управления в порядке. Оболочка наполнена полностью. Через апендикс хорошо видна внутренность оболочки около клапана. Приветствуем рабочих заводов "Каучук" и им. Менжинского, НИИ Резинотреста, Главную геофизическую обсерваторию, Бюро постройки стратостата, как организаторов и строителей стратостата "СССР". Самочувствие экипажа хорошее".

В 12 ч. 49 м. принимается новая радиограмма:

"Алкснису, Хрипину. 12 ч. 45 м. Высота 19 км. Давление 50 мм. Радиограммы все приняты. Просим точнее следить за нашей высотой с земли."

И вслед за этим в 12 ч. 50 м.:

"Иду на посадку. Срочно отвечайте, снизились ли мы".

Стратостат шел на снижение. В район предполагаемой посадки выслали автомобили с научными работниками и представителями советской печати.

Рис. 13. Тов. Прокофьев, командир стратостата "СССР".

Несколько аэропланов быстро поднялось с аэродрома и пошло по направлению на Коломну. В 15 ч. 25 м. стратостат находился на высоте 14 км, в 15 ч. 40 м. — 13500 м, в 16 ч. 23 м. — км и быстро шел на снижение.

Ровно в 17 ч. на расстоянии 1/4 километра от Коломенского завода стратостат опустился на лугу у берега Москвы-реки. Стратостат и оборудование в исправности. Экипаж здоров.

После снятия комиссией пломб с приборов, результаты записей были переданы специалистам для обработки. Результаты записей самописцев, регистрировавших давление и температуру, хорошо сошлись с непосредственными наблюдениями по специальным барометру и термометрам. Вполне сошлась и высота, вычисленная на основании этих данных по барометрической формуле, с высотой, определенной помощью точных наблюдений стратостата с земли. Таким образом, одним из важных научных результатов подъема является проверка барометрической формулы.

Рис. 14. Тов. Годунов — строитель стратостата "СССР".

Другой важный результат: состав воздуха, согласно пробе, взятой с высоты 18500 м, оказался тот же, что и близ земли. Это, как будто, говорит не в пользу теории о преобладании на больших высотах более легких газов.

Получены также интересные данные по измерениям интенсивности космических лучей, сходные с данными, которые были получены Пикаром.

Единичные измерения могут иметь вообще хотя и весьма важное, но все же, лишь ориентировочное значение. Необходимо дальнейшее накопление наблюдательного материала с больших высот.

Важно, что сейчас мы имеем в руках испытанное орудие для научных наблюдений в виде стратостата; последующие полеты состоятся, вероятно, с участием специалистов-физиков, и сочетание искусного руководства полетом и научной тренировки должно дать еще более богатые результаты. И недалеко, повидимому, время, когда полеты в стратосферу станут столь же обыденным делом, как полеты на аэроплане в более низких слоях в настоящее время. Но честь и слава бесстрашным пионерам стратосферы!

Рис. 15. Тов. Бирибаум — пилот, третий участник полета стратостата — "СССР".

Что достичь столь большой, высоты — дело не такое уж простое, доказывает прежде всего то, что в Америке, признанной технически передовой стране, подъем в стратосферу 20 ноября 1933 г. достиг всего лишь 17700 м — ниже стратостата "СССР" на 1300 м. Научные результаты этого полета пока неизвестны.

Интересно отметить, что по получении известий об этом полете наши "стратоплаватели" одни из первых послали американцам свой привет и пожелание дальнейших успехов. Пикар же в значительной мере омрачил славу своего полета тем, что после успеха советских стратоплавателей стал распространять в публичных выступлениях слухи об аварии нашего стратостата, о неверности указанной в печати высоты подъема 19 км, и т. п. Так различно отношение к научным достижениям у нас и в капиталистических странах.

"ОСОАВИАХИМ 1"

Построенный ленинградскими инженерами при Осоавиахиме стратостат "Осоавиахим 1" (в общем сходный с "СССР") имел объем 25000 куб. м, диаметр свыше 35 м. Оболочка стратостата была сшита из прорезиненной алюминированной балонной материи. К стратостату подвешивалась металлическая, герметически закрытая гондола шарообразной формы, диам. 2,4 м, вместимостью 7 кбм. Она была целиком сварная и изготовлена из антимагнитной хромоникелевой стали, имела 6 окон и лаз, герметически закрываемый крышкой специальной конструкции. Все управление стратостатом было сосредоточено внутри гондолы. Клапанная веревка была введена в гондолу через трубку со ртутью, предохраняющую от просачивания воздуха из гондолы наружу. Балластом в стратостате "Осоавиахима" служила мелкая свинцовая дробь, и для выбрасывания ее в гондоле установлен был специальный выбрасыватель.

Рис. 16. Гондола стратостата "СССР".

Стратоплаватели, как при полете "СССР", так и участники полета "Осоавиахим", прошли под наблюдением врачей и физиологов длительную тренировку. На земле стратостат наполняется водородом всего на 0,1 своего объема; поэтому оболочка сначала напоминает собою грушу, а на большей высоте шар уже раздувается до полного объема, вследствие уменьшения давления. В гондоле стратостата "Осоавкахим" был установлен ряд научных приборов. Специальная камера Вильсона была предназначена для фотографирования путей космических лучей. Полет состоялся 30 января 1934 года и, благополучно достигнув рекордной высоты, при спуске закончился катастрофой, стоившей жизни отважным летчикам.^[4]

Глава 4

ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА

КТО ПРИДУМАЛ ТЕРМОМЕТР?

О расширении тел от теплоты знали уже древние греки, но применить это к измерению температуры воздуха и других тел догадался впервые только Галилей. Прибор его состоял из стеклянного шара С с тонкой трубкой, которая вставлялась шаром вверх в сосуд В, наполненный жидкостью. Перед тем как вставить трубку, шарик слегка нагревался, так что часть воздуха выходила из трубки. Если теперь внести прибор в более холодное помещение, воздух в шаре сожмется и жидкость в трубке поднимется до более высокого уровня г; если, напротив, станет теплее, воздух в шаре расширится и уровень жидкости в трубке опустится.

Ясно, что по такому прибору можно судить только о том, теплее ли стало, или холоднее, но насколько именно — измерить нельзя; и сам Галилей назвал прибор "термоскопом", т. е. прибором, показывающим лишь разницу в теплоте, но не дающим меры этой разницы. Кроме того, уровень жидкости в трубке такого прибора зависит не только от температуры, но также и от давления воздуха. Чтобы получить то, что мы сейчас называем термометром, нужно было прежде всего разобщить жидкость трубки от наружного воздуха, а затем наметить постоянные точки, от которых и отсчитывать температуры.

Эти необходимые усовершенствования постепенно были сделаны, и уже Гюйгенс (XVII в.), открыв, что вода замерзает и кипит всегда при одних и тех же температурах, предложил взять температуры замерзания и кипения воды за постоянные точки термометра.

Фаренгейт в 1724 г. пошел еще дальше, установив, что температура кипения воды зависит от давления воздуха; но так как в то время уже был известен барометр, то принять во внимание давление было нетрудно. Фаренгейт был искусный стеклодув и делал очень хорошие термометры, но за низшую постоянную точку он взял не точку замерзания воды, а наиболее низкую известную ему температуру — именно замерзания смеси воды, соли и нашатыря. Это точку он принял за 0° и промежуток между нею и точкой, таяния чистого льда разделил на 32°; таким образом он определил величину градуса. На точке кипения воды у него получилось 212°. В этом виде термометр Фаренгейта до сих пор еще принят в Англии, в ее колониях и в Америке.

Рис. 17. "Термоскоп" Галилея

Распространенный у нас термеметр Реомюра первоначально был изготовлен Реомюром так, что вместо ртути был взят спирт с водой, на точке замерзания воды стояло 1000, на точке кипения —1080. Впоследствии тысячи были отброшены, и осталось 0° и 80°. Делюк, сохраняя деление на 80 частей, взял вместо спирта ртуть и правильно определил точку кипения (Реомюр не принял во внимание давления воздуха). Наш комнатный термометр вернее было бы поэтому называть термометром Делюка, а не Реомюра.

В метеорологии, как и вообще в науке, принят термометр Цельсия, предложенный шведом Цельсием; в этом термометре промежуток между точкой таяния льда и точкой кипения воды разделен на 100 частей. Им пользуются во всех странах, кроме Англии и Америки, которые даже в Научных сочинениях держатся Фаренгейта, несмотря на происходящие от этого неудобства.

Перевод градусов Реомюра в градусы Цельсия и обратно без труда делается в уме. С Фаренгейтом дело обстоит несколько хуже, так как помимо того, что расстояние между постоянными точками поделено у него на 180 частей, его нуль лежит на 32° (его шкалы) ниже, чем у Р и у Ц. Поэтому прежде всего нужно из числа градусов по Ф вычесть 32 и полученное число множить на 100 / 180°, т. е. на 5 / 9, чтобы получить градусы Ц, или на 80 / 180°, т. е. на 4 / 9, чтобы перейти к градусам Р. Это уже не так удобно делать в уме. Существует и более простой прием для перевода градусов Ф в градусы Ц. Вычтя 32° из числа градусов Ф, берут половину полученного числа и прибавляют к ней ее 1 / 10, 1 / 100 и т. д. части для перевода в градусы Ц, или вычитают 1 / 10, 1 / 100 и т. д. — для переводов в градусы Р. Например, если нам дано 150 °Ф, то, вычитая 32° из 150°, имеем 118; деля пополам, получаем 59 Далее:

Зная десятичные дроби, нетрудно проверить это правило, которое в сущности является лишь другим выражением предыдущего. Оно может пригодиться всякому, кто читает английские сочинения. В переводах столь популярного у нас Джека Лондона можно встретить такие температуры, что только диву даешься; в "сильный мороз" термометр стоит на нуле, "температура больного 105°" и т. д., так как переводчик не учел, что американцы считают по Фаренгейту.

СКОЛЬКО СЕГОДНЯ ГРАДУСОВ?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы бросаем взгляд на термометр. Однако, термометр может висеть на южной стороне, куда попадает солнце, а может находиться и в тени, на северной стороне, где солнца не бывает; может висеть на окне, выходящем во двор, или же находиться на ветру. Если даже все эти термометры сами по себе показывают правильно, можно сказать заранее что они покажут различную температуру.

Для общежития это не имеет большого значения: нам бывает важно знать, тепло или холодно на улице, в каком платье выходить и т. д.; разница в 2°— 3° не играет здесь роли. Но для измерений научных и точных это уже не годится. Если, например, надо сравнить температуру в двух различных местах, нам важно, чтоб тут и там она измерялась в одинаковых условиях, иначе мы не узнаем, чему приписать разницу в температурах. Точность метеорологических измерений доходит до десятой доли градуса. Поэтому принято, чтобы всюду, где температура измеряется для научных целей, термометры помещались определенным образом. Их помещают в особые деревянные будки с дверцами, открывающимися на север. Стенки будок делаются в виде жалюзи и красятся белой краской; в них может свободно проходить воздух, но солнце не может непосредственно нагревать ни термометр, ни будку. Термометр в будке должен находиться на высоте двух метров от земной поверхности.

Такая установка принята во всех странах, чтоб обеспечить сравнимость наблюдений между собою; эта высота выбрана потому, что здесь температура воздуха уже более или менее свободна от искажающих влияний земной поверхности.

В общежитии часто приходится слышать: "сегодня на солнце столько-то градусов". И мало кто отдает себе отчет, что это выражение, в сущности, не имеет смысла. Если температура в тени, в зависимости от положения термометра, колеблется на 2–3 градуса, то на солнце трудно даже указать пределы, в которых меняется температура в зависимости от того, как помещены термометры, под каким углом на них падают лучи Солнца, какие предметы находятся вблизи них и т. п. В одном и том же месте в одно и то же время два термометра, оба "на солнце", могут дать совершенно различные показания. Под температурой в метеорологии всегда разумеется температура в тени, если дело не идет о каких-нибудь специальных наблюдениях при особых установках.

Рис. 18. Метеорологическая будка английского типа, принятая на станциях СССР. Внутри видны термометры и гигрометр.

НОРМАЛЬНЫЙ, СРЕДНИЕ И КРАЙНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Часто мы слышим, как говорят: "температура ниже нормы" или "выше нормы". Если в любой день посмотрим на бюллетень Главной геофизической обсерватории в Ленинграде, то найдем там для этого дня "нормальную температуру с 1743 г.". Что же это за нормальная температура?

Это — не что иное, как арифметическое среднее из температур этого дня, взятых за много лет наблюдений, — в данном случае с 1743 г. до текущего. Метеорологические наблюдения на станциях делаются обычно три раза в сутки: в 7 ч. утра, в 1 час дня и в 9 ч. вечера по местному времени. Средняя из этих трех величин называется " средней суточной температурой за данный день".^[5] И вот если мы хотим знать нормальную температуру, например, для 15 января, мы берем все такие средние суточные температуры для 15 января в 1743, 1744 году и т. д. до последнего года, складываем и делим на число лет. Это и будет «нормальная" суточная температура для 15 января.

Но не всякую среднюю температуру можно назвать нормальной. Это право она получает только тогда, когда выведена из большого числа лет наблюдений. Если мы взяли всего два года, взятые из них средние могут случайно дать слишком высокую или слишком низкую температуру, а не ту, которая характеризует Ленинград. Чем больше лет мы берем, тем меньше вероятности, что на среднее влияют случайные отклонения. Сколько именно лет надо взять, чтобы получилась в среднем надежная величина (с точностью до десятой градуса, обычно принятой в метеорологии), — позволяет вычислить особая математическая наука — теория вероятностей.

Означает ли нормальная температура ту, которая чаще всего встречается в этот день? Или ту, которая должна наблюдаться в этот день? Ни ту, ни другую.

"Нормальная" не есть вообще какая-либо реальная температура, а просто некоторая условная величина, которая, строго говоря, никогда и не наблюдается; конечно, может оказаться, что в каком-нибудь году 15 января температура равна многолетней средней для этого дня, — но это чистая случайность. Однако, какое то значение эта нормальная температура имеет: если возьмем средние за один и тот же день года для Ленинграда и для Ялты, то, конечно, для Ленинграда получится температура значительно ниже. Следовательно, нормальная температура характеризует температуру каждой местности. Но значение ее в метеорологии отнюдь не такое, как, например, значение нормальной температуры человеческого тела в медицине у человека всегда нормальная температура около 37 Ц, и отклонение ее на несколько десятых градуса от нормальной уже указывает на что-то неблагополучное в организме. В метеорологии же температуры могут отклоняться от нормы в очень широких пределах. Если однако взять все отклонения температур, которые наблюдались в отдельные годы, со знаком плюс (температура выше нормы) и со знаком минус (ниже нормы), то сумма всех этих отклонений равна нулю.

Мы говорили о нормальной температуре дня; совершенно так же берутся и нормальные температуры каждого месяца и целого года. Чем больше период, за который взяты средние, тем меньше бывают случайные отклонения для каждого отдельною года. Температура каждого дня в одном и в другом году может различаться очень значительно, до 10°—15° и больше; средняя температура месяца, — например, января или июля, — тоже может разниться для отдельных лет, но уже заметно меньше; а средняя температура целого года обычно отличается от средней температуры другого года всего на какие-нибудь десятые доли градуса. Для вывода надежных нормальных суточных величин нужно поэтому очень много лет, а для вывода нормальных годовых — гораздо меньше.

Как много лет нужно для получения нормальной температуры данного дня, видно из изображенной здесь кривой. На ней нанесены все средние температуры каждого дня для Ленинграда за 118 лет, с 1743 по 1860 год. Сплошная кривая представляет теоретический ход температуры для Ленинграда вне зависимости от отдельных случайных влияний. Здесь видно, насколько истинная кривая, следуя в общем ходу теоретической, отклоняется от нее отдельными зигзагами. И это за 118 лет! А если бы было взято всего десять лет, зигзаги были бы еще больше. Отсюда ясно, какое большое значение имеют долголетние наблюдения на одной и той же станции.

Для характеристики температурных условий места, средних температур, очевидно, мало. Положим, в одном месте очень жаркое лето и очень холодная зима, в другом — умеренное лето и умеренно холодная зима. Годовые средние этих двух мест могут оказаться довольно близкими друг к другу, хотя условия тут и там совершенно различны. Суточные средние могут также быть примерно одинаковы в двух местах, но в одном из них температуры дня и ночи резко отличаются друг от друга, в другом— не дают больших разностей. Поэтому кроме средних очень важно знать еще и крайние пределы, в которых могут меняться температуры.

С одними средними вообще надо обращаться осторожно, помня, что это величины условные. Вы знаете, что тень, отбрасываемая Землею, в среднем короче, чем расстояние от Земли до Луны? Поэтому, если рассуждать "в среднем", пришлось бы сказать, что лунных затмений быть не может. Мы знаем, однако, что они бывают, — потому что в крайних своих значениях тень Земли длиннее расстояния до Луны.

Рассказывают об одном математически настроенном охотнике, который утверждал, что убил зайца, так как один заряд пролетел вправо от зайца, другой на таком же расстоянии влево; в среднем, стало быть, он попал прямо в зайца.

ГДЕ НА ЗЕМЛЕ ВСЕГО ТЕПЛЕЕ И ГДЕ ВСЕГО ХОЛОДНЕЕ

В среднем за год теплее всего должно быть на экваторе и близко к нему, где получается больше всего тепла от солнца. Холоднее всего полярные местности, почти полгода лишенные солнца. Но самые большие крайние температуры должны встречаться на юге, в таких местностях, где солнечная жара не умеряется ни ветром, ни влиянием моря.

Самым теплым местом на свете является Массауа на Красном море: там годовая температура, мало колеблясь от зимы к лету, равна в среднем 30°! Но там не бывает такой жары, как в Долине Смерти, в Калифорнии. Эта долина расположена еще далеко от экватора (36°-37° с. ш.) и представляет замкнутую котловину в горах в 130 км длиной, около 13 км шириной и на 67 м ниже уровня моря. Туда почти не проникает ветер, и нет воды, которая смягчала бы солнечное нагревание. Средняя температура лета доходит там до 34°, одного июля — до 39°, а отдельные наблюдавшиеся температуры превышали 50; самая же высокая из них была 56° Ц. Трудно даже представить себе, как должен чувствовать себя человек при подобной температуре в тени!

Это не единственное такое место на земном шаре. В Сахаре, в Судане, в Новом Южном Уэльсе (Австралия) наблюдались неоднократно температуры немногим ниже этой — около 55°. При такой температуре воздуха почва в этих местностях накаливается еще сильнее, и немудрено, что там в песке можно печь яйца, а ходить по нему босиком — не рекомендуется! В пустынях Центральной Азии наш исследователь Обручев наблюдал температуры на поверхности почвы до 60°—70°.

Что касается холодных мест, то холоднее всего на севере там, где малая влажность и облачность зимой способствует сильному охлаждению от лучеиспускания. На северном полюсе, где нет материка, особенно низких температур, повидимому, не наблюдается; в северном полушарии "полюсом холода" считается Верхоянск в Якутской республике, где средняя температура января —51°, а крайняя, наблюдавшаяся в январе 1892 г., Доходила до —70°. Там, в январе нормальными являются значит такие морозы, которых в Северной Европе даже и вовсе не бывает. Непривычным человеком они переносятся с большим трудом, и единственно, что еще их облегчает, это сухость воздуха и обычное отсутствие ветра при таких морозах. Сибиряки утверждают, что у них при морозе —30°—40° "теплее", чем в Ленинграде при —20°. Так как ощущение тепла или холода, испытываемое человеком, зависит не от одной температуры, а и от влажности и от ветра, то сибиряки в значительной мере правы.

В последнее время славу "полюса холода" оспаривает Оймекон, лежащий на 63° с. ш., т. е. южнее Верхоянска, также в Якутии. Повидимому, вся обширная область вокруг Верхоянска отличается очень суровыми зимами; в частности Оймекон лежит в котловине между высокими горными хребтами и представляет очень благоприятные условия для застаивания холодного воздуха; возможно поэтому, что зима там еще холоднее, чем в Верхоянске. Пока там велось еще очень мало наблюдений.

Весьма низкими температурами, повидимому, должны отличаться внутренние пространства Гренландии, а в южном полушарии — материк Антарктики; но наблюдения в таких местах почти отсутствуют.

Во время экспедиции Берда в Антарктику в 1929–1930 г. он наблюдал наинизшую температуру —72°, 4 по Фаренгейту, т. е. около — 575 Ц (28 VII 1929); треть всех дней года имела среднюю температуру —40° и ниже.

ТЕМПЕРАТУРА В ВОДЕ И НА ЗЕМЛЕ

Вода нагревается медленнее, чем суша, и медленнее отдает тепло, как бы сохраняя его в запас. Вот почему на берегах морей зимой теплее, а летом прохладнее, чем в континентальных местностях; также и дни там жарки, а ночи менее прохладны. В местностях, удаленных от моря, разницы между зимой и летом, а также между ночью и днем очень велики. Если б на Земле не было воды, ничто не смягчало бы этих разностей, и температура на Земле давала бы если не такие же контрасты как на Луне, — где температура на освещенной стороне доходит до +80°, а на темной — падает до минус 120°, — то во всяком случае несравненно большие, чем мы наблюдаем сейчас. Условия жизни на Земле были бы гораздо менее благоприятны для человека, если бы вообще возможна была жизнь без воды.

"ШОПОТ ЗВЕЗД"

При морозах ниже —48° наблюдается особое явление, которое у якутов получило название "шопота звезд", вероятно в связи с тем, что при таких морозах бывают ясные звездные ночи. Влажное дыхание человека мгновенно замерзает в воздухе и издает особый треск, похожий на шум сена или пересыпаемого зерна. Лесков описывает это явление в одном из своих рассказов "На краю света":

"Настала такая невозмутимая тишина, что я слышал свой собственный пульс внутри себя и свое дыхание: оно как-то шумит, как сено, а если сильно вздохнуть, то точно электрическая искра тихо потрескивает в невыносимо разреженном морозном воздухе, таком сухом и холодном, что даже мои волосы на бороде насквозь промерзли, кололись как проволока, и ломались."

Глава 5

ВЛАЖНОСТЬ, ИСПАРЕНИЕ, ТУМАН

СКОЛЬКО ВОДЫ В ВОЗДУХЕ?

Воздух содержит водяные пары, — воду, которая под действием солнечного нагревания испаряется с поверхности океанов, морей, озер, рек. Содержание в нем водяного пара в наших широтах колеблется от 0,3 % до 2 1 / 2 % по весу и зависит от температуры. При каждой температуре существует предел влажности: если влажность выше этого предела, избыток паров выделяется в виде воды. Чем воздух теплее, тем больше может он содержать водяного пара. Число граммов водяного пара в куб. метре воздуха называется его "абсолютной влажностью".

Большее значение в метеорологии и в практической жизни имеет так называемая "относительная влажность", — отношение количества водяного пара, содержащегося в куб. метре воздуха, к тому количеству, которое необходимо для насыщения при данной температуре. Именно степень близости воздуха к насыщению определяет ощущение "сухости" или «сырости"; от нее же зависит выделение избытка влаги в виде росы, дождя, туманов, облаков и т. п.

Относительная влажность выражается в процентах: полному насыщению отвечает 100 %; чаще всего влажность колеблется от 50 до 75 %.

КАК ПРЕДСКАЗЫВАЮТ ПОГОДУ ПАСТУХИ И МОРЯКИ

Пастушеские народы, в частности горцы в Альпах и у нас на Кавказе, часто предсказывают наступление сырой погоды по овцам: шерсть животных легко вбирает влагу из воздуха и при большой относительной влажности отсыревает. Пощупав шерсть своих овец и заметив, что она сырая, пастух иногда может предсказать наступление сырой, дождливой или туманной погоды.

Говорят, что в старое время матросы вечером разбрасывали по палубе судов шерсть, чтоб собрать "Пресную воду, выделяющуюся из воздуха при ночном охлаждении. На первый взгляд кажется, что таким способом не собрать много воды, однако, по старинным наблюдениям, если подвесить вечером над водой колодца фунт шерсти, то к утру он увеличится в весе чуть не вдвое. Уже в начале XV века было предложено кардиналом Николаем Кузанским определять влажность воздуха по увеличению веса кипы шерсти, положенной на чашку весов, — первая идея гигрометра.

Пеньковые волокна, из которых вьются веревки, обладают свойством разбухать при увеличении влажности; поэтому узлы, свободно завязанные в сухую погоду, в сыром воздухе от закручивания веревок стягиваются более туго, и развязать их становится труднее. Так как увеличение влажности обычно служит одним из признаков приближающейся сырой погоды, то моряки и предсказывают ее по стягиванию узлов.

НА ЧТО ГОДИТСЯ ЖЕНСКИЙ ВОЛОС

Долгий женский волос, по непочтительной поговорке связанный с "коротким умом", оказывается таким удобным средством для определения влажности, что его ничем не могут заменить. Человеческий волос, как и другие волокна, обладает свойством удлиняться в сырую погоду и укорачиваться в сухую, притом настолько закономерно, что может служить настоящим измерительным прибором. Гигрометры на русских метеорологических станциях делаются из обезжиренного женского волоса, закрепленного одним концом; другой — соединен со стрелкой, отмечающей на циферблате изменения влажности. Волосы блондинок, более тонкие и мягкие, оказываются более пригодными для гигрометров, чем волосы брюнеток.

Такой прибор нужно, конечно, постоянно сравнивать с более точными приборами: на один женский волос полагаться нельзя… Волосной гигрометр — прибор относительный; для более точных измерений применяются так называемые "психрометры". Когда воздух охлаждается ниже той температуры, при которой наступает насыщение, избыток влаги выделяется в жидком виде. Если известны температура воздуха и та температура, при которой начинается выделение влаги ("точка росы"), то можно, имея таблицы, вычислить относительную влажность. Чтобы определить точку росы, охлаждают посеребренный шарик термометра и смотрят, когда он начинает запотевать; температура, показываемая термометром в этот момент, и есть точка росы. Неудобство такого психрометра — в том, что заметить в точности момент появления росы при охлаждении, или исчезновения при нагревании, бывает очень трудно.

Рис. 20. Волосной гигрометр.

Чаще пользуются иным психрометром, состоящим из двух термометров одинакового типа; шарик одного из них обвязывается батистом, конец которого погружается в стаканчик с чистой водой. Испарение с батиста понижает температуру термометра, и он показывает температуру низшую, чем термометр с сухим шариком. Влажность вычисляется по особым таблицам, по температуре одного и другого термометров ("сухого" и "смоченного"). Когда температура ниже 0°, стаканчик приходится убирать и смачивать батист лишь перед самым наблюдением;" при температуре ниже 5° прибор становится неточным.

БУДЕТ ЛИ НОЧЬЮ МОРОЗ?

Это — вопрос, чрезвычайно важный для огородников, садоводов и сельских хозяев. Ответить на него с полной определенностью нельзя; но некоторые указания все же можно получить при помощи наблюдений над температурой воздуха. Если температура воздуха достигла "точки росы", то дальше она, вообще говоря, понижаться не должна, так как выделение влаги, а с нею и скрытой теплоты, уже повышает температуру. Если, поэтому, точка росы вечером лежит выше 0°, вероятность мороза очень мала. Так как самую точку росы определить трудно, приходится основываться на температурах смоченного и сухого термометров и по ним, пользуясь данными опыта заключать о точке росы. Способов предсказания заморозков по сухому и смоченному термометрам есть много, хотя и нет пока ни одного абсолютно верного. Один из признаков такого рода дан для средней полосы СССР проф. Михельсоном: если в 9 час. вечера (вечерний срок наблюдений на метеорологических станциях) смоченный термометр показывает в мае и июне больше 5°, в апреле и сентябре — больше 6°, то заморозок мало вероятен.

В вопросе о предсказании заморозков дело осложняется тем, что на станциях по большей части ведутся наблюдения над температурой воздуха на высоте 2 метров, а наименьшая температура оказывается обычно на поверхности земли и в прилегающих слоях; если же на земле имеются посевы, то самая низкая температура получается на их верхней поверхности. Чтобы предохранить растения от замерзания, на плантациях, например, сахарной свеклы, сажают коноплю; с одной стороны, она защищает посевы от потери тепла лучеиспусканием, с другой — образует ту высокую поверхность растительного покрова, где получается самая низкая температура.

Так как для решения вопросов о заморозках важно иметь как можно больше метеорологических наблюдений в разных местностях, а приборы, даже самые простые, требуют все же и затраты средств, и известной подготовки в наблюдениях, — некоторые специалисты по сельскому хозяйству рекомендуют употреблять в качестве "термометров" чувствительные к морозу растения: огурцы, вьющуюся фасоль и др. Помещая такие растения в различных местах поля, на разных высотах и т. п., можно определить места, особенно страдающие от заморозков, распространение мороза в высоту, его силу и т. п.

Рис. 21. Модель, которая была выставлена на гигиенической выставке в Лондоне: такой груз сажи приходится на каждого лондонского жителя.

ОТЧЕГО В ГОРОДЕ БОЛЬШЕ ТУМАНОВ, ЧЕМ ЗА ГОРОДОМ?

Если сравнительно теплый и притом влажный воздух охлаждается от лучеиспускания или от внезапного притока более холодного воздуха, то, дойдя до точки росы, он выделяет избыток влаги в виде мельчайших капелек, которые и образуют пелену тумана. Туман именно потому чаще всего образуется над болотами, озерами, реками и т. п., что там воздух более влажен и легче переходит в состояние насыщения. В сухих местностях не бывает туманов и при холоде, так как паров там настолько мало, что и при значительном охлаждении воздуха они не доходят до предела насыщения.

В городе, казалось бы, нет никакой особой сырости, а между тем в городе туманов бывает больше. Вы не раз, наверное, замечали, что, выехав в туманный день из города, вы уже на небольшом сравнительно расстоянии встречаете ясную погоду без всякого тумана. В чем же тут дело?

Оказывается, что для выделения паров в виде капелек воды (для так называемой конденсации) еще недостаточно, чтоб температура упала ниже точки росы. Бывает так, что, судя по температуре, влажность воздуха уже должна бы достигнуть 100 %, однако воздух не выделяет водяного пара, а остается, как говорят, в перенасыщенном состоянии; это потому, что в нем слишком мало так называемых "ядер конденсации". Эти ядра так малы, что простым глазом невидимы; это электрически заряженные частицы "ионы", или мельчайшие пылинки, частицы соли, дыма и т. п., которые носятся в воздухе. И однако, если их нет, если воздух очень чист, выделение водяного пара происходит с опозданием или вовсе не происходит.

Вот почему над городом чаще бывают туманы: от уличной пыли, дыма печей и особенно фабричных труб в городском воздухе все готово для образования тумана, будь только подходящие условия температуры и влажности. Города Англии с сильно развитой фабричной промышленностью — Лондон, Ливерпуль, Манчестер и др. — при вообще влажном климате Англии особенно страдают от туманов. Один английский метеоролог подсчитал, что на каждого лондонского жителя в сутки приходится весьма солидный груз угля, образующегося из сажи, которая носится в воздухе (см. рисунок); каждый житель платит в среднем около 10 руб. в год на излишние расходы, связанные с загрязнением воздуха; сюда входят: частая стирка белья, расходы на освещение, на ремонтирование зданий, которые разъедаются частичками химических веществ, отлагаемых туманами, и т. п.

Рис. 23. Важность солнечного света для здоровья человека. Нижняя пунктирная кривая изображает количество солнечного сияния в городе в процентах относительно количества его за городом; верхняя — смертность в городе на 1000 чел. С оздоровлением городского воздуха и приближением солнечного освещения к деревенскому смертность падает.

ТУМАНЫ И ПОЛИТИКА

Пока в наших городах не было такого количества фабрик, как в Лондоне, и воздух у нас был значительно чище. Однако и у нас заметно было обилие туманов в городе сравнительно с окрестностями. И вот что интересно: в первые годы революции число туманов в Ленинграде (согласно подсчетам, сообщенным автору одним из наших молодых научных работников) заметно упало, а затем по мере развития и восстановления промышленности вновь пошло вверх. При этом туманы пошли на убыль уже в 1915–1916 гг. когда, казалось, промышленность еще работала полным ходом. Причина в том, что в те годы наши фабрики, зависевшие до революции преимущественно от ввозимого угля, в значительной мере перешли с угольного на древесное топливо, а известно, что именно каменный уголь дает особенно много сажи и дыма. С другой стороны, в настоящее время в Лондоне, отчасти вследствие перехода на другие виды топлива, но очевидно и вследствие кризиса, остановившего большое число фабрик, наблюдается уменьшение числа густых туманов, которые жители называют "гороховым супом". Оказывается, нет худа без добра! Но выход нужно искать в рационализации топлива, а не в остановке фабрик…

СВЕРХУ ИЛИ СНИЗУ

Часто говорят: "роса упала", "иней сел на деревья", и для многих это не поэтические образы, а истинное изображение явления. Между тем и роса и иней не "садятся", не "падают", а образуются на самой поверхности охлажденных предметов. Когда в ясные безветренные ночи земная поверхность под влиянием лучеиспускания теряет тепло, часть водяных паров из ближайшего к земле слоя, не успевшего охладиться, выделяется в виде капель на холодных листьях растений, на траве и т. п. Это — роса; зимой и вообще при температурах ниже 0° вместо капель получаются ледяные кристаллы — иней.

В общежитии часто называют инеем пушистый слой иглистого, рыхлого льда, который появляется зимой на деревьях, на проволоках и т. п. в туманную, но морозную погоду. Про него и говорят чаще всего: "после тумана сел иней". Но это не иней, а изморозь: она тоже не садится, а нарастает с наветренной стороны, достигая, в отличие от инея, очень значительной толщины. В некоторых — правда, редких — случаях она ломает не только ветви кустарников, но даже деревья и телеграфные столбы. Во Франции на горе Пюи-де-Дом на мачте над метеорологической станцией наблюдалась изморозь толщиной до целого метра.

Еще хуже в смысле своих разрушительных действий гололедица, или, как ее в последнее время называют "гололед". Иногда и при температуре даже значительно ниже 0° вода не замерзает, а находится в "переохлажденном" состоянии, оставаясь в жидком виде. Если такой переохлажденный дождь или туман соприкасается с твердыми предметами, он мгновенно замерзает, образуя на них гладкую, иногда очень толстую ледяную кору. Гололедица еще чаще, чем более "воздушная" изморозь, ведет к обрыву проводов и иным авариям; предсказание ее имеет поэтому очень большое значение для железных дорог, почты и телеграфа. Весьма серьезное значение имеет такое оледенение для самолетов и дирижаблей

Рис. 24. Иней на траве

Оледенение, как известно, было одной из причин гибели дирижабля "Италия" при экспедиции Нобиле к сев. полюсу.

В Одессе в феврале 1897 г. наблюдался случай гололедицы, когда тонкий стебель дикой травы весом в 12 г увеличился в весе в 25 раз; на тонких проводах образовался слой льда в 3 см толщины. Деревья под тяжестью льда гнутся так, что вершины их касаются земли. Вот одно из красивых описаний гололедицы: "Буквально все древесные породы и деревья всех размеров были на площади в 2600 десятин закованы в прозрачный, — сверкающий на солнце мириадами разноцветных искр ледяной панцырь, превышавший толщину тонких ветвей в 5—10 раз, толстых — в 2–3 раза". На горах, особенно в приморских местностях, где в воздухе имеется большой запас влаги, наружные метеорологические инструменты так оледеневают, что превращаются в бесформенные массы.

ПРИКЛЮЧЕНИЕ С ПРОФЕССОРОМ

Проф. Б. П. Вейнберг в своей книжке "Снег, лед, град" рассказывает забавный случай с одним из своих коллег:

"Я помню одну гололедицу в Одессе, когда телеграфные проволоки рвались от тяжести покрывшей их толстым слоем хрустальной, прозрачной ледяной оболочки и валили телеграфные столбы… когда, например, один весьма почтенный профессор, подъехав вечером к своей квартире, мог перебраться через тротуар к подъезду, только надев калоши на руки и пойдя на четвереньках"…

Конечно, кроме переохлаждения воды, для образования гололедицы необходимо еще, чтоб поверхность, на которую падает такой дождь, имела также температуру ниже 0°; одного "запаса холода" в капле хватило бы только на то, чтоб обратить в лед не более ее 1 / 8 части.

КАК ЛЮДИ ЗАМОРОЗИЛИ МОРЕ

У Жюля Верна в романе "Гектор Сервадак" есть страница, картинно иллюстрирующая явление переохлаждения.

Компания лиц различных национальностей, случайно унесенных кометой на обломке Земли при столкновении ее с кометой, с нетерпением ждет замерзания водоема, названного ими "Галльским морем".

«Несмотря на низкую температуру, море еще не замерзло. Это происходило от его абсолютной неподвижности: ни одно дыхание воздуха не возмущало его поверхности. В этих условиях вода может охладиться на несколько градусов ниже 0 и не замерзнуть; но незначительный толчок может обратить ее в лед. Маленькая Нина и ее друг Пабло также поспешили явиться на собрание. — Милая девочка, — сказал капитан Сервадак, — сумеешь ты бросить в море кусок льда? — Ну, конечно, — ответила девочка, — но мой приятель Пабло сумеет бросить гораздо дальше. — Ничего, попробуй! — продолжал Гектор Сервадак, вкладывая маленький кусочек льда в ручку Нины. И прибавил: — Вот погляди, Пабло, какая волшебница наша маленькая Нина. Нина примерилась, взмахнула рукой два-три раза и бросила кусок льда в спокойную воду. Тотчас же послышалось хрустение, которое, казалось, наполнило весь воздух и простиралось до самых пределов горизонта. Галльское море замерзло сразу на всем своем протяжении».

Хотя "Галльское море" было не очень велико, но и в таких размерах явление вряд ли могло бы иметь место в природе. В более же скромных размерах, в виде гололедицы, мы можем наблюдать его почти каждую зиму. Сущность гололедицы, как мы знаем, — именно переохлаждение воды.

ЗАМЕРЗАНИЕ ВОДЫ ПРИ 9° ТЕПЛА

Во время экспедиции на Эльбрус в августе 1927 года наблюдался такой интересный случай.

"Для характеристики малой относительной влажности 23 августа, — пишет один из участников экспедиции М. В. Вылов, — приводим следующий факт: после 5 часов один из нас принес ведро воды для хозяйственных нужд экспедиции из ручья, стекавшего с ледника Малый Азау. К 6 часам вода покрылась ледяной пленкой при температуре воздуха + 8°,8, что показывает большое земное излучение, вызванное малым содержанием водяных паров в атмосфере". — К этому можно еще добавить: и большое испарение.

Рис. 26. Гололедица на телеграфных столбах.

САМЫЕ СУХИЕ МЕСТА НА ЗЕМЛЕ

В пустынях — в Сахаре, в Центральной Азии, у берегов Мертвого моря — влажность в отдельные, особенно сухие дни доходила до 2°/0. Если вспомнить, что даже влажность около 25 % уже ощущается человеком, как чрезмерная сухость, то можно себе представить ощущение при 2 % относительной влажности. Губы, а иногда и кожа лица трескаются; появляется непрерывная жажда, беспокойство и т. п.

Очень маленькие влажности наблюдаются также и на высоких горах вследствие убывания содержания водяных паров с высотой. При подъеме на Эверест в 1924 г. путешественники сильно страдали от большой сухости воздуха. Они описывают, как однажды, спустившись с высоты 7 км в нижний лагерь, изнемогали от сухости в горле и мечтали только о питье, даже не об отдыхе; а в палатках, по несчастной случайности, не оказалось не только воды, но даже сосуда, в котором можно было бы растопить снег.

В отдельных случаях, при особых условиях погоды, весьма малые значения влажности могут встречаться и в средних широтах; это, например, бывает при т. наз. "суховеях" на юго-востоке нашего Союза, а также в горных странах (Альпы, Кавказ, Байкал и т. д.) при фенах, о которых будет речь дальше.

Глава 6

ОБЛАКА. ОСАДКИ

КТО ПЕРВЫЙ ДАЛ НАЗВАНИЯ ОБЛАКАМ

Облака, если в них всматриваться внимательно, очень различны по виду. Некоторые из их разновидностей сразу бросаются в глаза. Все знают, что такое "барашки", мелкие и крупные. Эти облачка так напоминают стада белых, мохнатых барашков, что получили такое же название и на немецком, и на французском языках.

Всем знакомы также мелкие "перистые" облака, напоминающие перья, султаны, перепутанные тонкие нити. Иногда ими закрыто все небо и все-таки сквозь них светит и греет солнце, — настолько они легки и прозрачны. Хорошо известны, особенно жителям севера, плотные серые облака, при которых солнца совершенно не видно; из них часто идет долгий мелкий дождь или снег. Есть, наконец, клубящиеся белые облака, появляющиеся на небе в ясные летние дни; они блестящего белого цвета, снизу плоские, местами затененные, а вершины их закруглены. К дневным часам их часто становится так много, что того и гляди они закроют все небо, но сквозь них нет нет и проглянет солнце; к вечеру они постепенно исчезают. Иногда такие облака растут в вышину, нагромождаются, как башни; верхушки их точно вуаль расстилаются по небу, — и вдруг начинает погромыхивать: берегитесь грозы!

Три типичных формы облаков: перистые, слоистые, (сплошные серые облака) и кучевые — белые облака хорошей погоды были впервые отмечены англичанином Люком Говардом в конце XVIII вёка. Он не был ученым-специалистом, служил на химическом заводе в Лондоне, но серьезно занимался естественными науками и был в 1821 г. избран членом ученого Лондонского королевского общества. Он первый обозначил три основные формы облаков особыми названиями, по обычаю того времени, по латыни: перистые — Cirrus, слоистые — Stratus и кучевые — Cumulus (эти названия буквально значат то же, что и по-русски). К ним была еще присоединена четвертая форма — Nimbus (дождевые), — темные, разорванные облака, из которых идут сильные дожди. С тех пор прошло свыше 100 лет, но деление облаков, данное Говардом, сохранилось и сейчас, как основа классификации облаков.

Великий поэт и натуралист Гете, с которым Говард был в деятельной переписке, сразу оценил значение введенных им названий и посвятил как ему, так и каждой из обозначенных им форм облаков особые стихотворения. В одном из них говорится: "Чтоб разобраться в бесконечном разнообразии, нужно сначала отличить, затем объединить. Пусть же славит моя окрыленная песнь человека, который различил облака…"

В дальнейшем классификация Говарда была расширена; к основным формам прибавились промежуточные, названия которых составлены из соединения основных: так, мелкие барашки называются "перисто-кучевыми", крупные барашки — "высоко-кучевыми", грозовые облака — "кучево-дождевыми" и т. п.