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."