Барометр — это научный прибор, который используется для измерения давления воздуха в определенной среде. Тенденция давления может предсказать краткосрочные изменения погоды. Многие измерения давления воздуха используются при анализе приземной погоды , чтобы помочь найти приземные впадины , системы давления и фронтальные границы .
Барометры и барометрические высотомеры (самый простой и распространенный тип высотомеров) по сути представляют собой один и тот же прибор, но используемый для разных целей. Высотомер предназначен для использования на разных уровнях, соответствующих высоте атмосферного давления , в то время как барометр удерживается на том же уровне и измеряет незначительные изменения давления, вызванные погодой и погодными элементами. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли колеблется от 940 до 1040 гПа (мбар). Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 1013 гПа (мбар).
Слово барометр происходит от древнегреческого βάρος ( барос ), что означает «вес», и μέτρον ( метрон ), что означает «мера».
Хотя Евангелисте Торричелли повсеместно приписывают изобретение барометра в 1643 году, [1] [2] исторические документы также предполагают, что Гаспаро Берти , итальянский математик и астроном, непреднамеренно построил водный барометр где-то между 1640 и 1643 годами. [1] [3] Французский ученый и философ Рене Декарт описал план эксперимента по определению атмосферного давления еще в 1631 году, однако нет никаких свидетельств того, что он построил работающий барометр в то время. [1]
27 июля 1630 года Джованни Баттиста Балиани написал Галилео Галилею письмо, в котором объяснил проведенный им эксперимент, в котором сифон , проведенный через холм высотой около 21 метра, не сработал. Когда конец сифона был открыт в резервуаре, уровень воды в этом отводе опустился примерно до 10 м над резервуаром. [4] Галилей ответил объяснением этого явления: он предположил, что именно сила вакуума удерживала воду, а на определенной высоте количество воды просто становилось слишком большим, и сила больше не могла удерживаться, как шнур, который может выдержать лишь определенный вес. [4] [5] [6] Это было повторением теории ужаса вакуума («природа не терпит вакуума»), которая восходит к Аристотелю и которую Галилей переформулировал как сопротивление вакуума .
Идеи Галилея, представленные в его книге «Дискорси» ( «Две новые науки »), достигли Рима в декабре 1638 года. [7] Физики Гаспаро Берти и отец Рафаэлло Маджотти были воодушевлены этими идеями и решили найти лучший способ попытаться создать вакуум, кроме с сифоном. Маджотти придумал такой эксперимент. Существуют четыре отчета об эксперименте, все они написаны несколько лет спустя. [7] Точная дата не указана, но поскольку Две Новые Науки достигли Рима в декабре 1638 года, а Берти умер до 2 января 1644 года, историк науки У. Э. Ноулз Миддлтон относит это событие к периоду между 1639 и 1643 годами. [7] Присутствовали Берти. , Маджотти, эрудит- иезуит Афанасий Кирхер и физик-иезуит Никколо Цукки . [6]
Короче говоря, эксперимент Берти заключался в том, что он наполнил водой длинную трубку с заглушками на обоих концах и затем поставил трубку в таз с водой. Нижний конец трубки открылся, и вода, находившаяся внутри нее, вылилась в таз. Однако только часть воды в трубке вытекла, а уровень воды внутри трубки остался на точном уровне, который составил 10,3 м (34 фута), [8] тот же предел высоты, который Балиани наблюдал в сифон. Самым важным в этом эксперименте было то, что опускающаяся вода оставила над ней пространство в трубке, не имевшее промежуточного контакта с воздухом для его заполнения. Это, казалось, предполагало возможность существования вакуума в пространстве над водой. [6]
.jpg/1280px-Evangelista_Torricelli_by_Lorenzo_Lippi_(circa_1647,_Galleria_Silvano_Lodi_&_Due).jpg)
Торричелли, друг и ученик Галилея, по-новому интерпретировал результаты экспериментов. Он предположил, что воду в трубке удерживает вес атмосферы, а не сила притяжения вакуума. В письме Микеланджело Риччи в 1644 году об экспериментах он писал:
Многие говорили, что вакуума не существует, другие — что он существует, несмотря на отвращение природы и с трудом; Я не знаю никого, кто сказал бы, что оно существует без труда и без сопротивления природы. Я рассуждал так: если можно найти очевидную причину, из которой может быть выведено сопротивление, которое ощущается, если мы пытаемся создать вакуум, то мне кажется глупым пытаться приписать вакууму те действия, которые очевидно вытекают из какой-то другой причины. ; Итак, проделав несколько очень простых вычислений, я обнаружил, что установленная мною причина (то есть вес атмосферы) сама по себе должна оказывать большее сопротивление, чем это происходит, когда мы пытаемся создать вакуум. [9]
Традиционно считалось (особенно сторонники Аристотеля), что воздух не имеет веса: то есть километры воздуха над поверхностью не оказывают никакого веса на тела под ним. Даже Галилей принял невесомость воздуха как простую истину. Торричелли поставил под сомнение это предположение и вместо этого предположил, что воздух имеет вес и что именно последний (а не притягивающая сила вакуума) удерживает (или, скорее, толкает) вверх столб воды. Он считал, что уровень, на котором оставалась вода (около 10,3 м), отражает силу веса воздуха, давящего на нее (в частности, давящего на воду в бассейне и, таким образом, ограничивающего количество воды, которое может упасть в него из трубки). ). Он рассматривал барометр как весы, инструмент для измерения (а не просто как инструмент для создания вакуума), и поскольку он был первым, кто рассматривал его с этой точки зрения, его традиционно считают изобретателем барометра (в смысле, в котором мы сейчас используем этот термин). [6]
Из-за слухов, циркулирующих в сплетничающем итальянском районе Торричелли, в том числе о том, что он занимался какой-то формой колдовства или колдовства, Торричелли понял, что ему нужно сохранить свой эксперимент в секрете, чтобы избежать риска быть арестованным. Ему нужно было использовать жидкость, которая была тяжелее воды, и на основе своих предыдущих ассоциаций и предложений Галилея он пришел к выводу, что, используя ртуть , можно использовать более короткую трубку. Для ртути, которая примерно в 14 раз плотнее воды, теперь требовалась трубка длиной всего 80 см, а не 10,5 м. [10]
.jpg/1280px-Portrait_de_Blaise_Pascal_(MARQ_999.3.1).jpg)
В 1646 году Блез Паскаль вместе с Пьером Пети повторил и усовершенствовал эксперимент Торричелли, услышав о нем от Марина Мерсенна , которому самому был показан эксперимент Торричелли в конце 1644 года. Паскаль далее разработал эксперимент для проверки аристотелевского утверждения о том, что это были пары жидкости, заполнявшей пространство в барометре. В его эксперименте вода сравнивалась с вином, и, поскольку последнее считалось более «спиртичным», сторонники Аристотеля ожидали, что вино будет стоять ниже (поскольку больше паров будет означать большее давление на столб жидкости). Паскаль провел эксперимент публично, предложив сторонникам Аристотеля заранее предсказать результат. Аристотелианцы предсказывали, что вино будет стоить ниже. Это не так. [6]
Однако Паскаль пошел еще дальше, чтобы проверить механическую теорию. Если бы, как подозревали такие философы-механики, как Торричелли и Паскаль, воздух имел вес, то на больших высотах давление было бы меньше. Поэтому Паскаль написал своему зятю Флорину Перье, который жил недалеко от горы Пюи- де-Дом , с просьбой провести решающий эксперимент. Перье должен был поднять барометр вверх по Пюи-де-Дом и по пути измерить высоту столба ртути. Затем он должен был сравнить полученные результаты с измерениями, сделанными у подножия горы, чтобы увидеть, были ли измерения, сделанные выше, на самом деле меньшими. В сентябре 1648 года Перье тщательно и тщательно провел эксперимент и обнаружил, что предсказания Паскаля оказались верными. Столб ртути стал ниже по мере того, как барометр поднимался на большую высоту. [6]
Концепция, согласно которой снижение атмосферного давления предсказывает штормовую погоду, постулированная Люсьеном Види , обеспечивает теоретическую основу для устройства прогнозирования погоды, называемого «погодным стеклом» или «барометром Гете» (названным в честь Иоганна Вольфганга фон Гете , известного немецкого писателя и эрудита) . который разработал простой, но эффективный барометр метеорологического шара, используя принципы, разработанные Торричелли ). Французское название le baromètre Liègeois используется некоторыми носителями английского языка . [11] Это название отражает происхождение многих ранних погодных стекол – стеклодувов из Льежа , Бельгия . [11] [12]
Барометр метеорологического шара состоит из стеклянной емкости с герметичным корпусом, наполовину заполненной водой. Узкий излив соединяется с корпусом ниже уровня воды и поднимается над уровнем воды. Узкий излив открыт в атмосферу. Когда давление воздуха ниже, чем оно было на момент герметизации корпуса, уровень воды в изливе поднимется выше уровня воды в корпусе; когда давление воздуха выше, уровень воды в изливе упадет ниже уровня воды в корпусе. Разновидность барометра этого типа можно легко изготовить в домашних условиях. [13]
Ртутный барометр — это прибор, используемый для измерения атмосферного давления в определенном месте и имеющий закрытую сверху вертикальную стеклянную трубку, расположенную внизу в открытом резервуаре, наполненном ртутью . Ртуть в трубке подстраивается до тех пор, пока ее вес не уравновесит атмосферную силу, действующую на резервуар. Высокое атмосферное давление оказывает на резервуар большую силу, заставляя ртуть подниматься выше в столбе. Низкое давление позволяет ртути опуститься до более низкого уровня в колонне за счет уменьшения силы, приложенной к резервуару. Поскольку более высокие уровни температуры вокруг прибора уменьшают плотность ртути, шкала для измерения высоты ртути корректируется для компенсации этого эффекта. Длина трубки должна быть не меньше длины погружения в ртуть + свободное пространство над головой + максимальная длина колонки.
Торричелли зафиксировал, что высота ртутного столба в барометре слегка менялась каждый день, и пришел к выводу, что это произошло из-за изменения давления в атмосфере . [1] Он писал: «Мы живем на дне океана элементарного воздуха, который, как установлено неоспоримыми экспериментами, имеет вес». [14] Вдохновленный Торричелли, Отто фон Герике 5 декабря 1660 года обнаружил, что давление воздуха было необычно низким, и предсказал шторм, который произошел на следующий день. [15]
Конструкция ртутного барометра позволяет выражать атмосферное давление в дюймах или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Первоначально торр определялся как 1 мм рт. ст . Давление указывается как уровень высоты ртути в вертикальном столбе. Обычно атмосферное давление измеряется в пределах от 26,5 дюймов (670 мм) до 31,5 дюймов (800 мм) рт. ст. Одна атмосфера (1 атм) эквивалентна 29,92 дюймам (760 мм) ртутного столба.
Изменения в конструкции, направленные на то, чтобы сделать прибор более чувствительным, более простым для чтения и более легким в транспортировке, привели к появлению таких вариаций, как бассейн, сифон, колесо, цистерна, барометр Фортина, многократно сложенные, стереометрические и балансовые барометры.
В 2007 году была принята директива Европейского Союза об ограничении использования ртути в новых измерительных приборах, предназначенных для широкой публики, что фактически положило конец производству новых ртутных барометров в Европе. Ремонт и торговля антиквариатом (произведенным до конца 1957 г.) оставались неограниченными. [16] [17]
Барометры Фицроя сочетают в себе стандартный ртутный барометр с термометром, а также руководство по интерпретации изменений давления.
В барометрах Fortin используется ртутный бачок переменного объема, обычно в конструкции которого винт с накатанной головкой прижимается к кожаному дну диафрагмы (V на схеме). Это компенсирует перемещение ртути в колонне при изменении давления. Чтобы использовать барометр Фортина, уровень ртути устанавливается на ноль с помощью винта с накатанной головкой, чтобы указатель из слоновой кости (O на диаграмме) едва касался поверхности ртути. Затем давление считывается на колонке путем регулировки шкалы нониуса так, чтобы ртуть едва касалась линии визирования в точке Z. В некоторых моделях также используется клапан для закрытия цистерны, что позволяет поднимать ртутный столбик к верхней части колонки для транспортировки. . Это предотвращает повреждение колонны гидроударом при транспортировке.
Симписометр — компактный и легкий барометр, широко использовавшийся на кораблях в начале 19 века . Чувствительность этого барометра также использовалась для измерения высоты. [18]
Симпьезометры состоят из двух частей. Один из них — традиционный ртутный термометр , необходимый для расчета расширения или сжатия жидкости в барометре. Другой — барометр, состоящий из J-образной трубки, открытой на нижнем конце и закрытой наверху, с небольшими резервуарами на обоих концах трубки.
В колесном барометре используется J-образная трубка, запечатанная в верхней части более длинного плеча. Более короткий отвод открыт в атмосферу, и над ртутью плавает небольшой стеклянный поплавок. К поплавку прикреплена тонкая шелковая нить, которая проходит вверх по колесу, а затем возвращается обратно к противовесу (обычно защищенному в другой трубке). Колесо поворачивает точку на передней стороне барометра. По мере увеличения атмосферного давления ртуть перемещается от короткого плеча к длинному, поплавок падает, а указатель перемещается. Когда давление падает, ртуть движется назад, поднимая поплавок и поворачивая циферблат в другую сторону. [19]
Примерно в 1810 году колесный барометр, показания которого можно было прочитать на большом расстоянии, стал первым практичным и коммерческим инструментом, пользующимся успехом среди фермеров и образованных классов Великобритании. Лицевая панель барометра была круглой, с простым циферблатом, указывающим на легко читаемую шкалу: «Дождь – Изменение – Сухость» с отметкой «Изменение» в верхней центральной части циферблата. В более поздних моделях была добавлена барометрическая шкала с более мелкой градуировкой: «Буря» (28 дюймов ртутного столба), «Сильный дождь» (28,5), «Дождь» (29), «Перемены» (29,5), «Умеренно» (30), «Умеренно» (30,5), «Очень сухо» (31). ".
Натало Аяно признан одним из лучших производителей колесных барометров, одним из пионеров волны кустарных итальянских производителей инструментов и барометров, которым было предложено эмигрировать в Великобританию. Он указан как работающий в Холборне, Лондон c. 1785 –1805. [20] С 1770 года большое количество итальянцев приехало в Англию, потому что они были опытными стеклодувами или производителями инструментов. К 1840 году можно было бы справедливо сказать, что итальянцы доминировали в промышленности Англии. [21]
Использование масла вакуумного насоса в качестве рабочей жидкости в барометре привело к созданию нового «Самого высокого барометра в мире» в феврале 2013 года. В барометре Портлендского государственного университета (PSU) используется дважды дистиллированное масло вакуумного насоса, и его номинальная высота составляет около 12,4 м для высоты нефтяного столба; ожидаемые отклонения находятся в пределах ±0,4 м в течение года. Масло для вакуумных насосов имеет очень низкое давление паров и доступно в различных плотностях; Для барометра PSU было выбрано вакуумное масло с наименьшей плотностью, чтобы максимизировать высоту масляного столба. [22]
Барометр-анероид — это прибор , используемый для измерения давления воздуха методом, не использующим жидкость . Изобретенный в 1844 году французским ученым Люсьеном Види [23] барометр-анероид использует небольшую гибкую металлическую коробку, называемую анероидной ячейкой (капсулой), которая изготовлена из сплава бериллия и меди . Вакуумированная капсула (или обычно несколько капсул, сложенных так, чтобы их движения складывались) предохраняется от разрушения сильной пружиной. Небольшие изменения внешнего давления воздуха заставляют клетку расширяться или сжиматься. Это расширение и сжатие приводит в движение механические рычаги, в результате чего малейшие движения капсулы усиливаются и отображаются на циферблате барометра-анероида. Многие модели оснащены иглой, устанавливаемой вручную, которая используется для отметки текущего измерения, чтобы можно было увидеть изменения. Этот тип барометра распространен в домах и на прогулочных судах . Он также используется в метеорологии , главным образом в барографах и в качестве прибора измерения давления в радиозондах .
Барограф — записывающий барометр-анероид, в котором изменения атмосферного давления фиксируются на бумажной диаграмме.
Принцип работы барографа такой же, как и у барометра-анероида. В то время как барометр отображает давление на циферблате, барограф использует небольшие движения коробки для передачи данных с помощью системы рычагов на записывающий рычаг, на крайнем конце которого имеется либо писец, либо ручка. Писец записывает на копчёной фольге, а ручка записывает на бумаге, используя чернила, удерживаемые в пере. Записывающий материал устанавливается на цилиндрический барабан, который медленно вращается с помощью часов. Обычно барабан совершает один оборот в день, в неделю или в месяц, и скорость вращения часто может выбираться пользователем.
Барометры микроэлектромеханических систем (или МЭМС) представляют собой чрезвычайно маленькие устройства размером от 1 до 100 микрометров (от 0,001 до 0,1 мм). Они создаются посредством фотолитографии или фотохимической обработки . Типичные области применения включают миниатюрные метеостанции, электронные барометры и высотомеры. [24]
Барометр также можно найти в таких смартфонах, как Samsung Galaxy Nexus , [25] Samsung Galaxy S3-S6, Motorola Xoom, Apple iPhone 6 и более новых iPhone, а также в умных часах Timex Expedition WS4 , основанных на МЭМС и пьезорезистивных технологиях измерения давления . [26] [27] Включение барометров в смартфоны изначально было предназначено для обеспечения более быстрой синхронизации GPS . [28] Однако сторонние исследователи не смогли подтвердить дополнительную точность GPS или скорость блокировки из-за барометрических показаний. Исследователи предполагают, что включение барометров в смартфоны может обеспечить решение для определения высоты пользователя, но также предполагают, что сначала необходимо преодолеть несколько ловушек. [29]
Есть много других, более необычных типов барометров. От вариаций штормового барометра, таких как патентованный настольный барометр Коллинза, до более традиционных конструкций, таких как отеометр Гука и симпиезометр Росса. Некоторые из них, такие как барометр Shark Oil [30] , работают только в определенном диапазоне температур, достигаемом в более теплом климате.
Атмосферное давление и тенденция давления (изменение давления во времени) используются в прогнозировании погоды с конца 19 века. [31] При использовании в сочетании с наблюдениями за ветром можно делать достаточно точные краткосрочные прогнозы. [32] Одновременные показания барометра со всей сети метеостанций позволяют создавать карты атмосферного давления, которые были первой формой современной карты погоды , созданной в 19 веке. Изобары , линии равного давления, нарисованные на такой карте, дают контурную карту, показывающую области повышенного и пониженного давления. [33] Локализованное высокое атмосферное давление действует как барьер для приближающихся погодных систем, изменяя их курс. Атмосферный подъем, вызванный схождением ветра на малых высотах к поверхности, приносит облака, а иногда и осадки . [34] Чем больше изменение давления, особенно если оно превышает 3,5 гПа (0,1 дюйма рт. ст.), тем большего изменения погоды можно ожидать. Если падение давления быстрое, приближается система низкого давления и увеличивается вероятность дождя. Быстрое повышение давления , например, после холодного фронта , связано с улучшением погодных условий, например, с прояснением неба. [35]
При падении давления воздуха газы, попавшие в уголь в глубоких шахтах, могут выходить более свободно. Таким образом, низкое давление увеличивает риск накопления рудничного газа . Поэтому угольные шахты отслеживают давление. В случае катастрофы на шахте Тримдон-Грейндж в 1882 году горный инспектор обратил внимание на записи и в отчете заявил, что «можно считать, что условия атмосферы и температуры достигли опасной точки». [36]
Барометры-анероиды используются при подводном плавании с аквалангом . Погружной манометр используется для отслеживания содержимого воздушного баллона дайвера. Другой манометр используется для измерения гидростатического давления, обычно выражаемого как глубина морской воды. Один или оба датчика можно заменить электронными вариантами или компьютером для погружений. [37]
Плотность ртути будет меняться с повышением или понижением температуры, поэтому показания необходимо корректировать с учетом температуры прибора. Для этого на прибор обычно монтируют ртутный термометр . Температурная компенсация барометра-анероида осуществляется за счет включения биметаллического элемента в механические связи. Барометры-анероиды, продаваемые для бытового использования, обычно не имеют компенсации при условии, что они будут использоваться в контролируемом диапазоне комнатной температуры.
Поскольку давление воздуха снижается на высоте над уровнем моря (и увеличивается ниже уровня моря), неисправленные показания барометра будут зависеть от его местоположения. Затем показания корректируются с учетом эквивалентного давления на уровне моря для целей отчетности. Например, если барометр, расположенный на уровне моря и в хороших погодных условиях, перемещается на высоту 1000 футов (305 м), к показаниям необходимо добавить около 1 дюйма ртутного столба (~ 35 гПа). Показания барометра в двух местах должны быть одинаковыми, если есть незначительные изменения во времени, горизонтальном расстоянии и температуре. Если бы этого не было сделано, на большей высоте возникло бы ложное указание на приближающуюся бурю.
Барометры-анероиды имеют механическую регулировку, которая позволяет считывать эквивалентное давление на уровне моря напрямую и без дальнейшей регулировки, если прибор не перемещается на другую высоту. Настройка барометра-анероида аналогична настройке аналоговых часов , которые показывают неправильное время. Его циферблат вращается так, что отображается текущее атмосферное давление, измеренное известным точным и близлежащим барометром (например, местной метеостанцией ). Никаких вычислений не требуется, поскольку показания исходного барометра уже преобразованы в эквивалентное давление на уровне моря и передаются на настраиваемый барометр независимо от его высоты. Несколько барометров-анероидов, предназначенных для наблюдения за погодой, хотя и довольно редко, откалиброваны для ручной регулировки высоты. В этом случае знания высоты или текущего атмосферного давления будет достаточно для будущих точных показаний.
В таблице ниже показаны примеры для трех местоположений в городе Сан-Франциско , штат Калифорния . Обратите внимание, что скорректированные показания барометра идентичны и основаны на эквивалентном давлении на уровне моря. (Предположим, что температура равна 15 °C.)
В 1787 году во время научной экспедиции на Монблан де Соссюр предпринял исследования и поставил физические опыты по температуре кипения воды на разных высотах. В каждом из своих экспериментов он рассчитывал высоту, измеряя, сколько времени потребуется спиртовой горелке, чтобы вскипятить определенное количество воды, и таким образом определил высоту горы как 4775 метров. (Позднее выяснилось, что это на 32 метра меньше фактической высоты в 4807 метров). Для этих экспериментов де Соссюр привез специальное научное оборудование, такое как барометр и термометр . Рассчитанная им температура кипения воды на вершине горы была довольно точной, с отклонением всего на 0,1 Кельвина. [38]
На основе его выводов высотомер можно было бы разработать как конкретное приложение барометра. В середине 19 века этот метод использовали исследователи. [39]
Когда атмосферное давление измеряется барометром, это давление также называют «барометрическим давлением». Предположим, что барометр с площадью поперечного сечения A и высотой h заполнен ртутью снизу в точке B до верха в точке C. Давление в нижней части барометра, в точке B, равно атмосферному давлению. Давление в самой вершине, точке С, можно принять за нулевое, поскольку выше этой точки находятся только пары ртути, а их давление очень низкое по сравнению с атмосферным давлением. Следовательно, атмосферное давление можно найти с помощью барометра и этого уравнения: [40] [ необходимы пояснения ]
где ρ — плотность ртути, g — ускорение свободного падения, h — высота столба ртути над площадью свободной поверхности. Физические размеры (длина трубки и площадь поперечного сечения трубки) самого барометра не влияют на высоту столба жидкости в трубке.
В термодинамических расчетах обычно используемой единицей измерения давления является «стандартная атмосфера». Это давление, возникающее в столбе ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С. Для плотности ртути используйте ρ Hg = 13 595 кг/м 3 , а для ускорения свободного падения используйте g = 9,807 м/с 2 .
Если бы для достижения стандартного атмосферного давления использовалась вода (вместо ртути), потребовался бы водяной столб высотой примерно 10,3 м (33,8 фута).
Стандартное атмосферное давление как функция высоты:
Примечание. 1 торр = 133,3 Па = 0,03937 дюймов рт. ст .
Датчик атмосферного давления: BOSCH BMP180
Работы, связанные с наблюдениями за морским барометром ... в Wikisource