Исследование метеорологических явлений, так важных для человека по своим непосредственным, каждому заметным последствиям, занимало давно ученых. Они старались, с одной стороны, постичь причины этих явлений и, с другой, основываясь на них, предсказывать предстоящие метеорологические изменения.

Законы, которым повинуются атмосферические явления, необыкновенно сложны. Климат данной местности зависит не только от положения и очертания ее, но и от положения Земли относительно Солнца и общего рельефа нашей планеты. Поэтому нет отдела физики, где математика оказала бы так мало помощи, как в метеорологии. Весь успех последней зависит только от постоянных, неутомимых и верных наблюдений.

Разные части этой науки – химический состав воздуха, теплота, давление воздуха, водяные, световые и воздушные метеоры, – находясь в тесной, неразрывной связи между собой, не имеют смысла одна без другой. Чтобы представить метеорологическую картину данной местности, необходимо рассматривать их совокупно. Мы видели выше, что Гумбольдт, которому принадлежит честь уже в первых своих метеорологических наблюдениях, сделанных в Зальцбурге, впервые обратить внимание на связь метеорологических отделов между собой, оставил ряд наблюдений по всем из них. Но краткость периода, который они обнимали, а также обстоятельство, что они являлись особняком, касаясь только одной местности, были причиной, почему они не дали положительных результатов. Метеорологические наблюдения в северных местностях только тогда могут представить их, если они распространяются на целый ряд годов, и сделаны добросовестно и одновременно в различных местностях. Но об этом нельзя было и помышлять в начале нашего столетия. Америка представляла в этом отношении гораздо более благодарную почву нежели Европа, так как метеорологические явления под тропиками отличаются от явлений этих в полосе умеренной и северной своим относительным постоянством. Здесь в течение нескольких дней можно уже заключить о правильности явлений, на отыскание которых в Европе необходимо употребить несколько лет усидчивых наблюдений.

Мы попытаемся в общем очерке представить труды Гумбольдта по части метеорологии на американской почве и начнем с химического состава воздуха.

Главная ошибка при исследовании его химиками конца XVIII в., которой не избежал и Гумбольдт, состояла в том, что они принимали слишком высокие процентные цифры кислорода в составе воздуха. Так, Гумбольдт находил его 27%. Ученые того времени не могли помириться с мыслью, чтобы элемент, играющий такую важную роль в экономии природы, мог находиться в воздухе в меньшем количестве. Другая ошибка состояла в том, что химики того времени смотрели на воздух, как на химическое, а не как на механическое соединение составляющих его элементов.

Успехи, сделанные химией, показали, что несмотря на то, что хотя количество кислорода в воздухе и незначительно в сравнении с количеством азота, но все-таки вся масса его громадна и, следовательно, нет причины принимать самые высокие процентные цифры его, ошибочно найденные при исследовании как несомненно верные потому только, что в противном случае окажется количество кислорода, недостаточное для исполнения возложенных на него природой отправлений. Открытие стихиометрии еще более подтвердило это положение. Прежде предполагали (и Бертолле был главным защитником этой теории), что химическое тело может соединяться в произвольном количестве с другим телом. Например, смешивая безводный спирт с водой в каком угодно количестве, каждая капля смеси будет заключать и спирт и воду в таком же отношении, в каком они находятся в целом. Если мы желаем отделить путем дистиллировки составные части смеси, то при перегонке спирт как вещество, превращающееся легче в пары, нежели вода, будет переходить в чан в большем количестве, чем последняя. Таким образом, первоначальная перегонка даст нам много спирта с незначительной примесью воды, последующие – все менее и менее первого и более последней, наконец, окончательная даст большое количество воды и только незначительные следы спирта. Факт, что как первоначально перегоняемый спирт заключает примесь воды, хотя и незначительную, а окончательно перегоняемая вода – небольшое количество спирта, Бертолле объяснял тем, что дистилляция не может преодолеть притяжения, находящегося между обоими химическими веществами. Химическое родство, так утверждал он, тем сильнее между двумя телами, чем больше количество одного в сравнении с другим. Так, по этой теории, пока в смеси частицы спирта сильнее частиц воды, они при перегонке легко отделяются; чем больше уходит первых, тем значительнее остается в первоначальной смеси последних, которые, получая перевес над незначительным количеством остающихся спиртовых частиц, удерживают их с силой, которую преодолеть дистилляция уже не может. Точно таким образом переходившие в начале перегонки в значительном количестве спиртовые частицы увлекали с собой, в силу большого притяжения, незначительное число частиц воды.

Прилагая эту теорию к составным частям воздухе, теория Бертолле утверждала, что при анализе его вовсе нетрудно отделить большую часть кислорода от азота, но все-таки некоторая часть его останется в связи с ним.

Против такого взгляда вооружились Рихтер и Дальтон, основатели стихиометрии, утверждавшие, что отдельные тела соединяются между собой только в определенных отношениях. Так, 14 частей по весу азота соединяются с 8 частями кислорода, затем с 16, с 24, с 30 и наконец с 40 или, следуя Гей-Люссаку, считая по объему, 2 части по объему азота соединяются с 1, 2, 3, 4, 5 частями кислорода, а не с 1 1/10, 1 2/10 и т. д. Все остальные вещества, в которых элементы встречаются в иных чем указанные отношениях, по этой теории не что иное, как механическая смесь, в которой – составные части совершенно самостоятельны, друг от друга независимы. Исследуя атмосферный воздух и находя, что на 27 частей (по объему) кислорода приходится 73 части азота, выходит, что на одну часть первого приходится 2 19/27 частей последнего. Подобное отношение не соответствует указанному выше закону, и из этого следует заключить, что атмосферный воздух представляет не химическое соединение, а просто смесь, которой химическую связь при анализе расторгнуть невозможно по простой причине – потому, что ее вовсе не существует.

Таково изменение, происшедшее во взглядах химиков на этот важный вопрос во время пребывания Гумбольдта в Америке. Возвратившись в Европу, он нашел, что прежняя теория была вытеснена, и кроме того, новые опыты, в особенности Дэви и Гей-Люсскака, показали, что количество кислорода в воздухе гораздо меньше, чем найденное прежде Гумбольдтом (вместо 27 составляет только 20 до 23% по объему). Пытаясь доказать справедливость найденных им чисел, Гумбольдт решился повторить вместе с Гей-Люссаком опыты при помощи новых, усовершенствованных методов. Ученые наши предпочли метод Вольты прочим. Он состоит в том, что к определенному количеству исследуемого воздуха примешивают определенное количество водорода; пропуская через эту смесь электрическую искру, кислород воздуха, соединяясь с частью водорода, образует воду. Из уменьшенного вследствие этого соединения объема смеси газов легко определить количество употребленного на образование воды кислорода.

Исследователи задали себе следующие четыре вопроса:

1) Поглощается ли совершенно кислород или водород при пропущении через смесь их, в эвдиометре Вольты, искры?

Ответ получается утвердительный, но только до тех пор, пока употребленная смесь газов не много удаляется от нормального состава: 1 часть кислорода, 2 части водорода (по объему). Если же одна из составных частей значительно превосходит меру, указанную этим отношением, то исследователи не могли вызвать ни взрыва при проходе электрической искры через смесь, ни поглощения. Из этого следует, что если мы желаем, чтобы при исследовании один газ исчез совершенно, отношение газов в смеси их не должно превосходить известных пределов, потому что в противном случае, если при исследовании воздуха часть находящегося в нем кислорода не будет поглощена, то ясно, что из части поглощенной никак нельзя заключить о количестве всего кислорода. Следовательно, анализируя воздух, следует прибавлять в него водород без избытка. Объяснение этого странного явления, данное Гумбольдтом, не может иметь здесь места; равно как применение его к уяснению световых метеоров. Он доказал, что объяснять последние сгоранием их в атмосфере водорода совсем несостоятельно.

2) Не менее важным был второй вопрос – изменяется ли или нет продукт сгорания обоих газов? Естественно, что если в одном случае большее количество водорода соединяется с определенным количеством кислорода, а другой раз меньшее, то из количества поглощаемого газа нельзя было бы вывести заключения о количестве кислорода. Оказалось, что отношение это совершенно постоянно; что образующаяся при проходе электрической искры вода заключает всегда – 88,9% (по весу) кислорода, ни более, ни менее!

Притом из опытов Гумбольдта и Гей-Люссака видно, что при этом сгорании кроме воды не образуется никакого постороннего продукта.

3) Ответ на третий вопрос – в каком отношении соединяются оба газа для образования воды – показал, что 100 частей (по объему) кислорода всегда соединяются с 200 частей водорода.

Наконец, 4) какая степень точности возможна при исследовании воздуха по методе Вольты? Приняв в соображение все возможные случайности ошибок, происходящие от калибра инструмента, свойства исследуемых газов и проч., Гумбольдт и Гей-Люссак убедились, что метод Вольты в три раза точнее остальных, так что ошибки при употреблении его не превышают 0,001 всего исследуемого количества воздуха; иными словами: полученные при посредстве этого метода данные могут быть только на 1/10% больше или меньше настоящих.

Заручившись такой верной и надежной методой, оба ученых приступили к применению ее. Они исследовали воздух, добытый ими на Сене, в городе и за городом при холодной, умеренной и теплой температуре, в дождливую и ясную погоду, при различных ветрах. Результаты их многочисленнейших анализов, произведенных всегда в тот же самый день, когда воздух был добыт, показали, что: 1) состав атмосферы вообще не изменяется; 2) количество кислорода ее равняется 21%; 3) воздух не заключает в себе водорода.

Найдя, что состав атмосферы вообще подвержен незначительным изменениям, Гумбольдт полагал, что причину различных результатов, добытых анализом его, следует искать в различии местных условий, при которых он был исследован. Конечно, вулканы, стоячая вода болот, брожение и т. п. могут отчасти изменять химический состав воздуха, поглощением кислорода или выделением вредных для дыхания газов, но на общую массу воздуха они не оказывают особенного влияния. Гумбольдт приписывал болезни, господствующие в некоторых местностях, не чрезмерному уменьшению кислорода, а примеси к атмосфере таких испарений, которые обнаружить не в силах никакой анализ. Находя мнение, по которому причина некоторых болезней лежит исключительно в уменьшении кислорода воздуха, он полагал более справедливым искать ее в совокупности разных условий: температуры, сырости, электричестве…

Гумбольдт и Гей-Люссак не ограничились анализом воздуха, собранного в различных местностях; они исследовали также и воздух, поглощенный разными жидкостями. Так, они анализировали его в речной, дождевой воде, в воде, полученной из снега, льда, растворов разных солей и проч., причем оказалось, что отношение кислорода к азоту в воздухе, таким образом добытом, подвержено значительным колебаниям.

Результаты, полученные этими учеными насчет состава воздуха, подтверждены в главном анализами новейших химиков, занимавшихся этим же предметом – Буссенго, Лесли, Реньо, хотя, конечно, определения последних благодаря новым методам еще несколько точнее, но точность эта не превосходит десятичных цифр, выразивших на несколько тысячных точнее данные, найденные Гумбольдтом и Гей-Люссаком.