Барометр — это научный прибор, который используется для измерения давления воздуха в определенной среде. Тенденция давления может предсказывать краткосрочные изменения погоды. Многие измерения давления воздуха используются в анализе погоды на поверхности, чтобы помочь найти поверхностные ложбины , системы давления и фронтальные границы .
Барометры и барометрические высотомеры (самый простой и распространенный тип высотомеров) по сути являются одним и тем же прибором, но используются для разных целей. Высотомер предназначен для использования на разных уровнях, сопоставляя соответствующее атмосферное давление с высотой , в то время как барометр поддерживается на одном уровне и измеряет едва заметные изменения давления, вызванные погодой и ее 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».
Эванджелисте Торричелли обычно приписывают изобретение барометра в 1643 году, [1] [2] хотя историк У. Э. Ноулз Миддлтон предполагает, что более вероятной датой является 1644 год (когда Торричелли впервые сообщил о своих экспериментах; дата 1643 год была предложена только после его смерти). [3] Гаспаро Берти , итальянский математик и астроном, также построил элементарный водяной барометр где-то между 1640 и 1644 годами, но это был не настоящий барометр, поскольку он не был предназначен для движения и записи переменного давления воздуха. [1] [3] Французский ученый и философ Рене Декарт описал конструкцию эксперимента по определению атмосферного давления еще в 1631 году, но нет никаких доказательств того, что он построил работающий барометр в то время. [1]
27 июля 1630 года Джованни Баттиста Бальяни написал письмо Галилео Галилею, в котором описал эксперимент, в котором он провел сифон , проведенный через холм высотой около 21 м, не сработал. Когда конец сифона был открыт в резервуаре, уровень воды в этом колене опускался примерно до 10 м над резервуаром. [4] Галилей ответил объяснением явления: он предположил, что это была сила вакуума, которая удерживала воду, и на определенной высоте количество воды просто становилось слишком большим, и сила не могла больше удерживать, как шнур, который может выдерживать только определенный вес. [4] [5] [6] Это было переформулирование теории horror vacui («природа не терпит пустоты»), которая восходит к Аристотелю и которую Галилей переформулировал как resistenza del vacuo .
Идеи Галилея, изложенные в его «Discorsi» ( «Две новые науки» ), достигли Рима в декабре 1638 года. [7] Физики Гаспаро Берти и отец Рафаэлло Маджотти были воодушевлены этими идеями и решили поискать лучший способ попытаться создать вакуум, кроме как с помощью сифона. Маджотти придумал такой эксперимент. Существуют четыре отчета об эксперименте, все написанные 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 событие к периоду между 1639 и 1643 годами . [7] Присутствовали Берти, Маджотти, иезуит- полимат Афанасий Кирхер и иезуит-физик Никколо Дзукки . [ 6]
Вкратце, эксперимент Берти состоял из заполнения водой длинной трубки с заглушенными концами, затем помещения трубки в таз с водой. Нижний конец трубки открывался, и вода, которая была внутри нее, выливалась в таз. Однако вытекала только часть воды из трубки, а уровень воды внутри трубки оставался на точном уровне, который оказался 10,3 м (34 фута) [8] , тот же предел высоты, который Балиани наблюдал в сифоне. Самым важным в этом эксперименте было то, что опускающаяся вода оставляла пространство над собой в трубке, которое не имело промежуточного контакта с воздухом, чтобы заполнить его. 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)
Эванджелиста Торричелли, друг и ученик Галилея, интерпретировал результаты экспериментов по-новому. Он предположил, что вес атмосферы, а не притягивающая сила вакуума, удерживает воду в трубке. В письме Микеланджело Риччи в 1644 году относительно экспериментов 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 он существует без труда и без сопротивления со стороны природы. Я рассуждал так: если можно найти явную причину, из которой можно вывести сопротивление, которое ощущается, если мы пытаемся создать вакуум, мне кажется глупым пытаться приписать вакууму те действия, которые, очевидно, вытекают из какой-то другой причины; и поэтому, сделав несколько очень простых вычислений, я обнаружил, что причина, указанная мной (то есть вес атмосферы), сама по себе должна оказывать большее сопротивление, чем это происходит, когда мы пытаемся создать вакуум. [9]
Традиционно считалось, особенно аристотелианцами , что воздух не имеет веса; то есть, что километры воздуха над поверхностью Земли не оказывают никакого веса на тела под ним. Даже Галилей принимал невесомость воздуха как простую истину. Торричелли предположил, что вместо силы притяжения вакуума, всасывающего воду, воздух действительно имеет вес, который толкает воду, удерживая ее столб. Он утверждал, что уровень, на котором оставалась вода — около 10,3 м над поверхностью воды внизу — отражал силу веса воздуха, толкающую воду в бассейне, устанавливая предел того, насколько низко уровень воды может опуститься в высокой, закрытой, заполненной водой трубке. Он рассматривал барометр как весы — инструмент для измерения — в отличие от простого инструмента для создания вакуума, и поскольку он был первым, кто рассматривал его таким образом, его традиционно считают изобретателем барометра, в том смысле, в котором мы сейчас используем этот термин. [6]
Из-за слухов, циркулирующих в сплетничающем итальянском районе Торричелли, которые включали слухи о том, что он занимался какой-то формой колдовства или колдовства, Торричелли понял, что ему нужно держать свой эксперимент в тайне, чтобы избежать риска быть арестованным. Ему нужно было использовать жидкость, которая была тяжелее воды, и из своих предыдущих ассоциаций и предложений Галилея он сделал вывод, что при использовании ртути можно использовать более короткую трубку. С ртутью, 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 повторили и усовершенствовали эксперимент Торричелли, услышав о нем от Марена Мерсенна , которому сам Торричелли показал эксперимент в конце 1644 года. Паскаль далее разработал эксперимент, чтобы проверить предположение Аристотеля о том, что именно пары жидкости заполняют пространство в барометре. В своем эксперименте он сравнил воду с вином, и поскольку последнее считалось более «спиртным», аристотелианцы ожидали, что вино будет стоять ниже (поскольку больше паров означало бы большее давление вниз на столб жидкости). Паскаль провел эксперимент публично, пригласив аристотелианцев заранее предсказать результат. Аристотелианцы предсказали, что вино будет стоять ниже. Этого не произошло. [6]
Однако Паскаль пошел еще дальше, чтобы проверить механическую теорию. Если, как предполагали философы-механики, такие как Торричелли и Паскаль, воздух имел вес, давление было бы меньше на больших высотах. Поэтому Паскаль написал своему зятю Флорину Перье, который жил недалеко от горы под названием Пюи -де-Дом , прося его провести важный эксперимент. Перье должен был взять барометр на Пюи-де-Дом и по пути сделать измерения высоты столба ртути. Затем он должен был сравнить его с измерениями, сделанными у подножия горы, чтобы увидеть, были ли эти измерения, сделанные выше, на самом деле меньше. В сентябре 1648 года Перье тщательно и скрупулезно провел эксперимент и обнаружил, что предсказания Паскаля были верны. Столб ртути стоял ниже, когда барометр переносился на большую высоту. [6]
Концепция, что уменьшение атмосферного давления предсказывает штормовую погоду, постулированная Люсьеном Види , дает теоретическую основу для устройства прогнозирования погоды, называемого «погодным стеклом» или «барометром Гете» (названного в честь Иоганна Вольфганга фон Гете , известного немецкого писателя и полимата , который разработал простой, но эффективный метеорологический шаровой барометр, используя принципы, разработанные Торричелли ). Французское название, le baromètre Liègeois , используется некоторыми носителями английского языка. [11] Это название отражает происхождение многих ранних метеорологических стекол — стеклодувов Льежа , Бельгия . [11] [12]
Барометр с погодным шаром состоит из стеклянного контейнера с герметичным корпусом, наполовину заполненным водой. Узкий носик соединяется с корпусом ниже уровня воды и поднимается выше уровня воды. Узкий носик открыт для атмосферы. Когда давление воздуха ниже, чем было в момент герметизации корпуса, уровень воды в носике поднимется выше уровня воды в корпусе; когда давление воздуха выше, уровень воды в носике опустится ниже уровня воды в корпусе. Разновидность этого типа барометра можно легко изготовить дома. [13]
Ртутный барометр — это прибор, используемый для измерения атмосферного давления в определенном месте, имеющий вертикальную стеклянную трубку, закрытую сверху , которая находится в открытом резервуаре, заполненном ртутью, внизу. Ртуть в трубке регулируется до тех пор, пока ее вес не уравновесит атмосферную силу, действующую на резервуар. Высокое атмосферное давление оказывает большее давление на резервуар, заставляя ртуть подниматься выше в столбе. Низкое давление позволяет ртути опуститься на более низкий уровень в столбе, уменьшая силу, действующую на резервуар. Поскольку более высокие уровни температуры вокруг прибора уменьшат плотность ртути, шкала для считывания высоты ртути регулируется для компенсации этого эффекта. Трубка должна быть как минимум такой же длины, как объем погружения в ртуть + свободное пространство + максимальная длина столба.
Торричелли задокументировал, что высота ртути в барометре немного менялась каждый день, и пришел к выводу, что это было связано с изменением давления в атмосфере . [ 1] Он писал: «Мы живем, погруженные на дно океана элементарного воздуха, который, как известно из неоспоримых экспериментов, имеет вес». [14] Вдохновленный Торричелли, Отто фон Герике 5 декабря 1660 года обнаружил, что давление воздуха было необычно низким, и предсказал шторм, который случился 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 между 26,5 дюймами (670 мм) и 31,5 дюймами (800 мм) ртутного столба. Одна атмосфера (1 атм) эквивалентна 29,92 дюймам (760 мм) ртутного столба.
Изменения в конструкции прибора, направленные на повышение его чувствительности, упрощение считывания показаний и удобство транспортировки, привели к появлению таких его разновидностей, как барометры с чашей, сифонными, колесными, цистерновыми, Фортиновыми, многоскладчатыми, стереометрическими и балансировочными барометрами.
В 2007 году была принята директива Европейского союза , ограничивающая использование 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 года) оставались без ограничений. [16] [17]
Барометры Фицроя сочетают в себе стандартный ртутный барометр и термометр, а также руководство по интерпретации изменений давления.
Барометры Фортина используют ртутный резервуар переменного смещения, обычно сконструированный с помощью винта с накатанной головкой, нажимающего на кожаное дно мембраны (V на схеме). Это компенсирует смещение ртути в столбе 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 схеме) только касался поверхности ртути. Затем давление считывается на столбе путем регулировки шкалы нониуса так, чтобы ртуть только касалась визирной линии в точке Z. В некоторых моделях также используется клапан для закрытия бачка, что позволяет принудительно поднять столб ртути в верхнюю часть столба для транспортировки. Это предотвращает повреждение столба от гидравлического удара при транспортировке.
Симпьезометр — это компактный и легкий барометр, который широко использовался на кораблях в начале 19 века. Чувствительность этого барометра также использовалась для измерения высоты. [18]
Симпьезотермометры состоят из двух частей. Одна из них — традиционный ртутный термометр , который нужен для расчета расширения или сжатия жидкости в барометре. Другая — барометр, состоящий из J-образной трубки, открытой снизу и закрытой сверху, с небольшими резервуарами на обоих концах трубки.
Колесный барометр использует трубку «J», запаянную в верхней части длинного плеча. Короткое плечо открыто для атмосферы, а поверх ртути плавает небольшой стеклянный поплавок. К поплавку прикреплена тонкая шелковая нить, которая проходит вверх по колесу, а затем обратно вниз к противовесу (обычно защищенному в другой трубке). Колесо поворачивает точку на передней части барометра. По мере увеличения атмосферного давления ртуть перемещается из короткого плеча в длинное, поплавок падает, и указатель перемещается. Когда давление падает, ртуть перемещается назад, поднимая поплавок и поворачивая циферблат в другую сторону. [19]
Около 1810 года барометр на колесе, показания которого можно было считывать с большого расстояния, стал первым практичным и коммерческим инструментом, который предпочитали фермеры и образованные классы Великобритании. Циферблат барометра был круглым с простым циферблатом, указывающим на легко читаемую шкалу: «Дождь - Изменение - Сухой» с «Изменение» в верхней центральной части циферблата. Более поздние модели добавили барометрическую шкалу с более мелкими делениями «Штормовой (28 дюймов ртутного столба), Сильный дождь (28,5), Дождь (29), Изменение (29,5), Умеренно (30), Установлено удовлетворительно (30,5), Очень сухо (31)».
Натало Айано признан одним из лучших производителей колесных барометров, одним из первых пионеров волны итальянских мастеров по изготовлению инструментов и барометров, которых поощряли эмигрировать в Великобританию. Он числится работающим в Холборне, Лондон, около 1785–1805 гг . [20] С 1770 года в Англию приезжало большое количество итальянцев, поскольку они были опытными стеклодувами или изготовителями инструментов. К 1840 году можно было бы справедливо сказать, что итальянцы доминировали в этой отрасли в 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. Барометр в Портлендском государственном университете (PSU) использует дважды дистиллированное масло вакуумного насоса и имеет номинальную высоту около 12,4 м для высоты столба масла; ожидаемые отклонения находятся в диапазоне ±0,4 м в течение года. Масло вакуумного насоса имеет очень низкое давление паров и доступно в диапазоне плотностей; для барометра PSU было выбрано вакуумное масло с самой низкой плотностью, чтобы максимизировать высоту столба масла. [22]
Анероидный барометр — это прибор , используемый для измерения давления воздуха методом, не требующим жидкости . Изобретенный в 1844 году французским ученым Люсьеном Види [23] , анероидный барометр использует небольшую гибкую металлическую коробку, называемую анероидной ячейкой (капсулой), которая изготовлена из сплава бериллия и меди . Вакуумированная капсула (или обычно несколько капсул , сложенных друг на друга для суммирования их движений) не падает благодаря сильной пружине. Небольшие изменения внешнего давления воздуха заставляют ячейку расширяться или сжиматься. Это расширение и сжатие приводят в действие механические рычаги таким образом, что крошечные движения капсулы усиливаются и отображаются на циферблате анероидного барометра. Многие модели включают в себя устанавливаемую вручную стрелку, которая используется для отметки текущего измерения, чтобы можно было увидеть изменение. Этот тип барометра распространен в домах и на прогулочных лодках . Он также используется в метеорологии , в основном в барографах и в качестве прибора для измерения давления в радиозондах .
Барограф — это самопишущий барометр-анероид, в котором изменения атмосферного давления регистрируются на бумажной диаграмме.
Принцип работы барографа такой же, как и у анероида. В то время как барометр отображает давление на циферблате, барограф использует небольшие движения коробки для передачи с помощью системы рычагов на записывающий рычаг, на конце которого находится либо писец, либо ручка. Пишец записывает на копченой фольге, в то время как ручка записывает на бумаге с помощью чернил, удерживаемых в наконечнике. Записывающий материал установлен на цилиндрическом барабане, который медленно вращается часами. Обычно барабан совершает один оборот в день, в неделю или в месяц, а скорость вращения часто может быть выбрана пользователем.
Барометры на основе микроэлектромеханических систем (или MEMS) представляют собой чрезвычайно малые устройства размером от 1 до 100 микрометров (от 0,001 до 0,1 мм). Они создаются с помощью фотолитографии или фотохимической обработки . Типичные области применения включают миниатюрные метеостанции, электронные барометры и высотомеры. [24]
Барометр также можно найти в смартфонах, таких как Samsung Galaxy Nexus , [25] Samsung Galaxy S3-S6, Motorola Xoom, Apple iPhone 6 и более новых iPhone, а также смарт-часах Timex Expedition WS4 , основанных на технологиях MEMS и пьезорезистивного измерения давления . [26] [27] Включение барометров в смартфоны изначально предназначалось для обеспечения более быстрой блокировки 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]
Существует множество других, более необычных типов барометров. От вариаций штормового барометра, таких как Collins Patent Table Barometer, до более традиционных конструкций, таких как Hooke's Otheometer и Ross Sympiesometer. Некоторые из них, такие как Shark Oil barometer, [30] работают только в определенном диапазоне температур, достигаемом в более теплом климате.
Барометрическое давление и тенденция давления (изменение давления с течением времени) использовались в прогнозировании погоды с конца 19-го века. [31] При использовании в сочетании с наблюдениями за ветром можно делать достаточно точные краткосрочные прогнозы. [32] Одновременные барометрические показания со всей сети метеостанций позволяют составлять карты давления воздуха, которые были первой формой современной карты погоды , созданной в 19-м веке. Изобары , линии равного давления, при нанесении на такую карту дают контурную карту, показывающую области высокого и низкого давления. [33] Локализованное высокое атмосферное давление действует как барьер для приближающихся погодных систем, отклоняя их курс. Атмосферный подъем, вызванный конвергенцией ветра на низком уровне на поверхность, приносит облака и иногда осадки . [34] Чем больше изменение давления, особенно если оно превышает 3,5 гПа (0,1 дюйма рт. ст.), тем большее изменение погоды можно ожидать. Если падение давления быстрое, приближается система низкого давления , и есть большая вероятность дождя. Быстрое повышение давления , например, вслед за холодным фронтом , связано с улучшением погодных условий, например, прояснением неба. [35]
При падении давления воздуха газы, запертые в угле 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 угольной шахте Тримдон-Грейндж в 1882 году инспектор шахт обратил внимание на записи и в отчете заявил, что «состояние атмосферы и температуры можно считать достигшими опасной точки». [36]
Анероидные барометры используются в подводном плавании . Погружной манометр используется для отслеживания содержимого воздушного баллона дайвера. Другой манометр используется для измерения гидростатического давления, обычно выражаемого как глубина морской воды. Любой или оба манометра могут быть заменены электронными вариантами или подводным компьютером. [37]
Плотность ртути будет меняться с повышением или понижением температуры, поэтому показания должны быть скорректированы с учетом температуры прибора. Для этой цели на приборе обычно устанавливается ртутный термометр . Температурная компенсация анероида барометра достигается путем включения биметаллического элемента в механические связи. Анероиды барометры, продаваемые для бытового использования, обычно не имеют компенсации, предполагая, что они будут использоваться в контролируемом диапазоне комнатной температуры.
Поскольку давление воздуха уменьшается на высотах над уровнем моря (и увеличивается ниже уровня моря), нескорректированные показания барометра будут зависеть от его местоположения. Затем показания корректируются до эквивалентного давления на уровне моря для целей отчетности. Например, если барометр, расположенный на уровне моря и при хороших погодных условиях, переносится 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 было бы ложное указание на приближающийся шторм.
Барометры-анероиды имеют механическую регулировку, которая позволяет считывать эквивалентное давление на уровне моря напрямую и без дополнительной регулировки, если прибор не перемещается на другую высоту. Настройка барометра-анероида похожа на сброс аналоговых часов , которые не показывают правильное время. Его циферблат поворачивается так, чтобы отображалось текущее атмосферное давление с известного точного и близкого барометра (например, местной метеостанции ). Расчет не требуется, так как показания исходного барометра уже преобразованы в эквивалентное давление на уровне моря, и это передается на устанавливаемый барометр — независимо от его высоты. Хотя это и довольно редко, несколько барометров-анероидов, предназначенных для мониторинга погоды, калибруются для ручной регулировки высоты. В этом случае знание либо высоты, либо текущего атмосферного давления будет достаточным для будущих точных показаний.
В таблице ниже приведены примеры для трех мест в городе Сан-Франциско , Калифорния . Обратите внимание, что скорректированные показания барометра идентичны и основаны на эквивалентном давлении на уровне моря. (Предположим, что температура составляет 15 °C.)
В 1787 году во время научной экспедиции на Монблан де Соссюр провел исследования и провел физические эксперименты по определению температуры кипения воды на разных высотах. Он вычислил высоту в каждом из своих экспериментов, измерив , сколько времени потребовалось спиртовой горелке, чтобы закипятить определенное количество воды, и с помощью этих средств он определил высоту горы, которая составила 4775 метров. (Позже оказалось, 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 . Его расчетная температура кипения воды на вершине горы была довольно точной, с погрешностью всего в 0,1 кельвина. [38]
На основе его открытий, альтиметр мог быть разработан как специфическое применение барометра. В середине 19 века этот метод использовался исследователями. [39]
Когда атмосферное давление измеряется барометром, давление также называется «барометрическим давлением». Предположим, что барометр с площадью поперечного сечения A , высотой h , заполнен ртутью от дна в точке B до верха в точке C. Давление в нижней части барометра, точке B, равно атмосферному давлению. Давление в самой верхней точке, точке C, можно принять за ноль, поскольку выше этой точки находится только ртутный пар, и его давление очень низко по сравнению с атмосферным давлением. Следовательно, можно найти атмосферное давление, используя барометр и это уравнение: [40] [ необходимо разъяснение ]
где ρ — плотность ртути, g — ускорение свободного падения, а h — высота столба ртути над свободной поверхностью. Физические размеры (длина трубки и площадь поперечного сечения трубки) самого барометра не оказывают никакого влияния на высоту столба жидкости в трубке.
В термодинамических расчетах обычно используемой единицей давления является «стандартная атмосфера». Это давление, возникающее при высоте столба ртути 760 мм при 0 °C. 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 столб воды высотой около 10,3 м (33,8 фута).
Стандартное атмосферное давление как функция высоты:
Примечание. 1 торр = 133,3 Па = 0,03937 дюйма рт. ст.
Датчик барометрического давления: BOSCH BMP180
Работы, связанные с наблюдениями за морским барометром ... в Викитека