Барометр: Принцип действия, история и применение

Введение

Научный прибор, используемый для измерения атмосферного давления.

Барометр – это научный прибор, используемый для измерения давления воздуха в определенной среде. Изменение давления может предсказывать кратковременные изменения погоды. Многочисленные измерения атмосферного давления используются при анализе погоды на поверхности для определения областей пониженного давления, барических систем и фронтальных границ. Барометры и высотомеры (наиболее простой и распространенный тип высотомеров) по сути являются одним и тем же прибором, но используются для разных целей. Высотомер предназначен для использования на разных высотах, сопоставляя соответствующее атмосферное давление с высотой, в то время как барометр удерживается на одном уровне и измеряет незначительные изменения давления, вызванные погодными условиями и явлениями. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли варьируется от 940 до 1040 гПа (мбар). Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 1013 гПа (мбар).

Этимология

Слово «барометр» происходит от древнегреческого βάρος, означающего «вес», и μέτρον, означающего «измерение».

История

Хотя Эвангелисту Торричелли общепризнанно приписывают изобретение барометра в 1643 году, исторические документы также указывают на то, что Гаспаро Берти, итальянский математик и астроном, случайно создал водяной барометр где-то между 1640 и 1643 годами. Французский ученый и философ Рене Декарт еще в 1631 году описал конструкцию эксперимента для определения атмосферного давления, однако нет свидетельств того, что он построил действующий барометр в то время. Галилей ответил объяснением этого явления, предположив, что вода удерживается силой вакуума, и на определенной высоте количество воды становится настолько большим, что эта сила больше не может ее поддерживать, подобно веревке, способной выдержать лишь определенный вес. Это было переформулирование теории *horror vacui* ("природа не терпит пустоты"), восходящей к Аристотелю, которую Галилей выразил как *resistenza del vacuo*.

Эксперимент Берти с вакуумом

Идеи Галилея, изложенные в его "Discorsi" (Две новые науки), достигли Рима в декабре 1638 года. Физики Гаспаро Берти и отец Раффаэлло Маджиотти были воодушевлены этими идеями и решили найти лучший способ создания вакуума, чем с помощью сифона. Маджиотти разработал такой эксперимент. Существует четыре описания этого эксперимента, все составленные спустя несколько лет. В эксперименте была достигнута та же предельная высота, что и в наблюдениях Балиани с сифоном. Наиболее важным в этом эксперименте было то, что опускающаяся вода оставляла над собой в трубке пространство, не имевшее прямого контакта с воздухом для заполнения. Это намекало на возможность существования вакуума в пространстве над водой. Традиционно считалось (особенно аристотелианцами), что воздух не имеет веса, то есть километры воздуха над поверхностью не оказывают никакого давления на тела внизу. Даже Галилей принимал невесомость воздуха как данность. Торричелли подверг это предположение сомнению и предположил, что воздух обладает весом, и именно он (а не притягивающая сила вакуума) поддерживает (или, скорее, выталкивает) столб воды. Он полагал, что уровень, на котором останавливалась вода (около 10,3 м), отражает силу веса воздуха, давящего на неё (в частности, на воду в сосуде, тем самым ограничивая количество воды, вытекающей из трубки в сосуд). Он рассматривал барометр как прибор для измерения, подобный весам (а не просто как инструмент для создания вакуума), и поскольку первым стал рассматривать его именно так, его традиционно считают изобретателем барометра (в том смысле, в котором мы используем этот термин сегодня).

Блез Паскаль

В 1646 году Блез Паскаль вместе с Пьером Петитом повторили и усовершенствовали эксперимент Торричелли, узнав о нем от Марина Мерсенна, которому сам Торричелли продемонстрировал этот эксперимент к концу 1644 года. Паскаль затем разработал эксперимент для проверки аристотелевского утверждения о том, что пространство в барометре заполнено парами жидкости. В своем эксперименте он сравнил воду и вино, и поскольку вино считалось более "летучим", аристотелисты ожидали, что уровень вина будет ниже (так как большее количество паров оказывало бы большее давление на столбец жидкости). Паскаль провел эксперимент публично, предложив аристотелистам заранее предсказать результат. Аристотели предсказали, что вино опустится ниже. Однако этого не произошло. Это название отражает происхождение многих ранних барометров-погодников – стеклодувов из Льежа, Бельгия. Барометр-шар состоит из стеклянного сосуда с герметичным корпусом, заполненного водой наполовину. Узкий отросток соединяется с корпусом ниже уровня воды и поднимается над ним. Этот отросток открыт для атмосферы. Когда атмосферное давление падает ниже того, которое было при герметизации корпуса, уровень воды в отростке поднимается выше уровня воды в корпусе; когда давление воздуха повышается, уровень воды в отростке опускается ниже уровня воды в корпусе. Вариацию этого типа барометра можно легко изготовить в домашних условиях.

Барометры ртути

Ртутный барометр – это прибор, используемый для измерения атмосферного давления в определенной местности. Он состоит из вертикальной стеклянной трубки, закрытой сверху, помещенной в открытую емкость, заполненную ртутью. Ртуть в трубке поднимается или опускается до тех пор, пока ее вес не уравновесит атмосферное давление, действующее на ртуть в емкости. Высокое атмосферное давление оказывает большее воздействие на емкость, заставляя ртуть подниматься в трубке. Низкое давление позволяет ртути опуститься до более низкого уровня в трубке, уменьшая воздействие на емкость. Поскольку более высокая температура вокруг прибора снижает плотность ртути, шкала для определения высоты столба ртути корректируется для компенсации этого эффекта. Длина трубки должна быть не меньше, чем высота столба ртути в ней + воздушное пространство над ртутью + максимальная возможная высота столба. Торричелли заметил, что высота столба ртути в барометре незначительно меняется ежедневно и пришел к выводу, что это связано с изменением атмосферного давления. Вдохновленный Торричелли, Отто фон Герике 5 декабря 1660 года обнаружил необычно низкое атмосферное давление и предсказал шторм, который действительно произошел на следующий день. Конструкция ртутного барометра привела к выражению атмосферного давления в дюймах или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Торр первоначально определялся как 1 мм рт. ст. Давление указывается как высота столба ртути в вертикальной трубке. Обычно атмосферное давление измеряется в пределах от до мм рт. ст. Одна атмосфера (1 атм) эквивалентна мм рт. ст. Модификации конструкции, направленные на повышение чувствительности, простоты считывания и удобства транспортировки, привели к появлению различных типов барометров, таких как барометры с емкостью, сифоном, колесом, цистерной, барометры Фортина, многократно сложенные, стереометрические и балансирные барометры. В 2007 году была принята директива Европейского Союза, ограничивающая использование ртути в новых измерительных приборах, предназначенных для широкой публики, что фактически прекратило производство новых ртутных барометров в Европе. Ремонт и торговля антикварными барометрами (произведенными до конца 1957 года) остались без ограничений.

Барометр Фицроя

Барометры Fitzroy объединяют в себе стандартный ртутный барометр с термометром и инструкцию по интерпретации изменений атмосферного давления.

Барометр Фортина

Барометры Фортина используют ртутную цистерну с переменным объемом, обычно сконструированную с помощью винта, прижимающего кожаную мембрану (V на диаграмме). Это компенсирует изменение объема ртути в трубке при колебаниях давления. Для использования барометра Фортина уровень ртути устанавливается на ноль с помощью винта, чтобы костяной указатель (O на диаграмме) лишь касался поверхности ртути. Затем давление считывается по шкале, регулируя нониус таким образом, чтобы ртуть лишь касалась линии визирования в точке Z. Некоторые модели также оснащены клапаном для герметизации цистерны, позволяющим поднять ртутный столбик вверх для транспортировки. Это предотвращает повреждение столбика ртути из-за гидроудара во время перевозки.

Симпиометр

Симпиометр — компактный и легкий барометр, широко использовавшийся на кораблях в начале XIX века. Чувствительность этого барометра также применялась для измерения высоты. Симпиометры состоят из двух частей. Одна из них — традиционный ртутный термометр, необходимый для вычисления расширения или сжатия жидкости в барометре. Другая — сам барометр, представляющий собой U-образную трубку, открытую нижним концом и закрытую верхним, с небольшими резервуарами на обоих концах трубки.

Колесные барометры

Колесный барометр использует J-образную трубку, запечатанную в верхней части более длинного колена. Короткое колено открыто в атмосферу, и на поверхности ртути в нем плавает небольшой стеклянный поплавок. К поплавку прикреплена тонкая шелковая нить, которая проходит через колесо и затем опускается к противовесу (обычно защищенному в отдельной трубке). Колесо вращает стрелку на лицевой стороне барометра. При увеличении атмосферного давления ртуть перемещается из короткого в длинное колено, поплавок опускается, и стрелка перемещается. При падении давления ртуть возвращается обратно, поднимая поплавок и поворачивая указатель в противоположную сторону. Около 1810 года колесный барометр, который можно было легко читать с большого расстояния, стал первым практичным и коммерчески доступным прибором, пользовавшимся популярностью у фермеров и образованных слоев населения Великобритании. Лицевая панель барометра была круглой с простым циферблатом, указывающим на легко читаемую шкалу: "Rain (Дождь) Change (Перемена) Dry (Сухо)" с надписью "Change" в верхней центральной части циферблата. В более поздних моделях была добавлена барометрическая шкала с более точными делениями: "Stormy (28 дюймов ртутного столба) – Штормовая, Much Rain (28.5) – Сильный дождь, Rain (29) – Дождь, Change (29.5) – Перемена, Fair (30) – Хорошая погода, Set fair (30.5) – Устойчивая хорошая погода, very dry (31) – Очень сухо". Натало Айано признан одним из лучших мастеров колесных барометров, пионером волны итальянских мастеров по изготовлению инструментов и барометров, которым было рекомендовано эмигрировать в Великобританию. Он работал в Холборне, Лондон, примерно с 1785 по 1805 год. Начиная с 1770 года, большое количество итальянцев прибыло в Англию, поскольку они были опытными стеклодувами или мастерами по изготовлению инструментов. К 1840 году можно было сказать, что итальянцы доминировали в этой отрасли в Англии.

Барометр масла вакуумного насоса

Использование вакуумного масла насоса в качестве рабочей жидкости в барометре позволило создать новый "Самый высокий барометр в мире" в феврале 2013 года. Барометр в Портлендском государственном университете (PSU) использует дважды дистиллированное вакуумное масло и имеет номинальную высоту масляного столба около 12,4 м; ожидаемые колебания высоты составляют ±0,4 м в течение года. Вакуумное масло обладает очень низким давлением паров и доступно с различными значениями плотности; для барометра PSU было выбрано вакуумное масло с наименьшей плотностью, чтобы максимизировать высоту масляного столба.

Анероидные барометры

Анероидный барометр – это прибор, используемый для измерения атмосферного давления без применения жидкости. Изобретенный в 1844 году французским ученым Люсьеном Види, анероидный барометр использует небольшую гибкую металлическую коробку, называемую анероидной ячейкой (капсулой), изготовленную из сплава бериллия и меди. Эвакуированная капсула (или, как правило, несколько капсул, сложенных вместе для суммирования их перемещений) удерживается от схлопывания мощной пружиной. Небольшие изменения внешнего атмосферного давления вызывают расширение или сжатие ячейки. Это расширение и сжатие приводит в действие механические рычаги, которые усиливают незначительные движения капсулы и отображают их на циферблате анероидного барометра. Многие модели оснащены иглой с ручной настройкой, используемой для отметки текущего значения, что позволяет наблюдать за изменениями. Этот тип барометра широко распространен в домах и на небольших судах. Он также применяется в метеорологии, в основном в барографах и в качестве прибора для измерения давления в радиозондах.

Барографы

Барограф – это самопишущий анероидный барометр, в котором изменения атмосферного давления регистрируются на бумажной ленте. Принцип работы барографа аналогичен принципу работы анероидного барометра. В то время как барометр отображает давление на циферблате, барограф использует небольшие перемещения анероидной коробки для передачи движения через систему рычагов к записывающему устройству, оснащенному заостренным пером или чернильной ручкой. Заостренное перо делает записи на закопченной фольге, а чернильная ручка – на бумаге. Записывающая лента наматывается на цилиндрический барабан, который медленно вращается часовым механизмом. Обычно барабан совершает один оборот в сутки, в неделю или в месяц, и скорость вращения часто может быть выбрана пользователем.

Барометры MEMS

Микроэлектромеханические системы (или MEMS) барометры – это чрезвычайно маленькие устройства размером от 1 до 100 микрометров (0,001 до 0,1 мм). Они создаются с помощью фотолитографии или фотохимической обработки. Типичные области применения включают миниатюрные метеостанции, электронные барометры и высотомеры. Барометры также можно найти в смартфонах, таких как Samsung Galaxy Nexus, Samsung Galaxy S3, S6, Motorola Xoom, Apple iPhone 6 и более новых моделях iPhone, а также в смарт-часах Timex Expedition WS4, основанных на MEMS и технологиях пьезорезистивного измерения давления. Изначально барометры включались в смартфоны для ускорения захвата сигнала GPS. Однако сторонние исследователи не смогли подтвердить повышение точности или скорости захвата GPS благодаря показаниям барометра. Исследователи предполагают, что использование барометров в смартфонах может стать решением для определения высоты местоположения пользователя, но отмечают необходимость преодоления ряда проблем.

Более необычные барометры

Есть много других, более необычных типов барометров. От модификаций штормового барометра, таких как табличный барометр Коллинза, до более традиционно выглядящих конструкций, таких как отеометр Гука и симпиезометр Росса. Некоторые, например, барометр на базе акульего жира, работают только в определенном температурном диапазоне, который достигается в более теплом климате.

Приложения

Барометрическое давление и тенденция давления (изменение давления с течением времени) используются в прогнозировании погоды с конца XIX века. При использовании в сочетании с наблюдениями за ветром можно составлять достаточно точные краткосрочные прогнозы. Одновременные барометрические показания из сети метеостанций позволяют создавать карты давления воздуха, которые стали первой формой современной карты погоды, появившейся в XIX веке. Изобары, линии равного давления, при нанесении на такую карту образуют контурную карту, показывающую области высокого и низкого давления. Локализованное высокое атмосферное давление действует как барьер для приближающихся погодных систем, изменяя их траекторию. Атмосферный подъём, вызванный сходимостью ветра в приземном слое, приносит облака и иногда осадки. Чем больше изменение давления, особенно если оно превышает 3,5 гПа (0,1 дюйма ртутного столба), тем значительнее ожидаемые изменения погоды. Быстрое падение давления указывает на приближение циклона и повышает вероятность дождя. Быстрое повышение давления, например, после прохождения холодного фронта, связано с улучшением погодных условий, таких как прояснение. С падением атмосферного давления газы, скопившиеся в угле глубоких шахт, могут легче высвобождаться. Таким образом, низкое давление увеличивает риск накопления горного газа. Шахты, следовательно, ведут учет давления. В случае катастрофы на шахте Тримдон-Грандж в 1882 году инспектор по шахтам обратил внимание на записи и в отчете отметил, что "состояние атмосферы и температуры, вероятно, достигло опасного уровня". Анероидные барометры используются в дайвинге. Погружной манометр используется для контроля остаточного давления в баллоне аквалангиста. Другой манометр измеряет гидростатическое давление, обычно выражаемое в метрах глубины морской воды. Один или оба манометра могут быть заменены электронными датчиками или дайв-компьютером.

Температура

Плотность ртути изменяется с повышением или понижением температуры, поэтому показания необходимо корректировать с учетом температуры прибора. Для этого на прибор обычно устанавливают ртутный термометр. Температурная компенсация анероидного барометра осуществляется путем включения биметаллического элемента в механический привод. Анероидные барометры, предназначенные для бытового использования, обычно не имеют температурной компенсации, исходя из предположения, что они будут использоваться в пределах контролируемого диапазона комнатной температуры.

Высота

Поскольку атмосферное давление уменьшается с высотой над уровнем моря (и увеличивается ниже уровня моря), некорректированное показание барометра будет зависеть от его местоположения. Затем показание корректируется до эквивалентного давления на уровне моря для целей составления отчетов. Например, если барометр, расположенный на уровне моря и при хорошей погоде, переместить на высоту 305 метров, к показанию необходимо добавить примерно 1 дюйм ртутного столба (~35 гПа). Если изменения во времени, горизонтальном расстоянии и температуре незначительны, показания барометра в двух точках должны быть одинаковыми. В противном случае на большей высоте может появиться ложное указание на приближающийся шторм. Анероидные барометры имеют механическую регулировку, позволяющую считывать эквивалентное давление на уровне моря непосредственно и без дальнейшей настройки, если прибор не перемещается на другую высоту. Настройка анероидного барометра аналогична установке времени на аналоговых часах. Его шкала вращается таким образом, чтобы отображалось текущее атмосферное давление, полученное с известного точного и ближайшего барометра (например, местной метеостанции). Расчеты не требуются, поскольку показания исходного барометра уже преобразованы в эквивалентное давление на уровне моря, и это значение переносится на настраиваемый барометр, независимо от его высоты. Хотя это встречается нечасто, некоторые анероидные барометры, предназначенные для мониторинга погоды, калибруются для ручной регулировки высоты. В этом случае для будущих точных показаний будет достаточно знать либо высоту, либо текущее атмосферное давление. В таблице ниже приведены примеры для трех мест в городе Сан-Франциско, штат Калифорния. Обратите внимание, что скорректированные показания барометра идентичны и основаны на эквивалентном давлении на уровне моря. (Предположим, что температура составляет 15 °C.) Местоположение Высота (футы) Нескорректированное P_atm (дюймы рт. ст.) Высота (метры) Нескорректированное P_atm (гПа) Скорректированное P_atm (гПа) Городская пристань (уровень моря) 0 29.92 29.92 0 1013 гПа 1013 гПа Ноб Хилл 348 29.55 29.92 106 1001 гПа 1013 гПа Mt. Дэвидсон 928 28.94 29.92 283 980 гПа 1013 гПа В 1787 году, во время научной экспедиции на Монблан, де Соссюр провел исследования и выполнил физические эксперименты по температуре кипения воды на разных высотах. Он рассчитал высоту в каждой точке своих экспериментов, измеряя время, необходимое спиртовой горелке для закипания определенного количества воды, и таким образом определил высоту горы в 4775 метров. (Позже выяснилось, что это на 32 метра меньше фактической высоты 4807 метров). Для этих экспериментов де Соссюр взял с собой специальное научное оборудование, такое как барометр и термометр. Его рассчитанная температура кипения воды на вершине горы была достаточно точной, с погрешностью всего в 0,1 кельвина. Основываясь на его открытиях, альтиметр мог быть разработан как специфическое применение барометра. В середине XIX века этот метод использовался исследователями.

Патенты

: C. J. Ulrich: "Барометрический прибор"
: H. J. Frank: "Барометрический высотомер"
: D. C. W. T. Sharp: "Анероидный барометр"
: H. A. Klumb: "Механизм усиления хода для приборов, реагирующих на давление"
: F. Lissau: "Датчики давления, использующие перемещение жидкости"
: O. S. Sormunen: "Прибор для измерения давления"
: H. Dostmann: "Барометр"
: T. Fijimoto: "Устройство для прогнозирования погоды"