Метеорология Глава 6 Часть 1

Глава 6. Изобретение барометра

Рассказ о метеорологических приборах мы начинаем с барометра – прибора для измерения атмосферного давления. И это был первый именно метеорологический прибор, в том смысле, что он имеет только метеорологическое применение.

Атмосферное давление создает атмосферный воздух, и фактически барометр измеряет вес «столба» воздуха, условно расположенного от точки измерения перпендикулярно вверх (строго говоря, не перпендикулярно к поверхности Земли, а по касательной к линии вектора силы тяжести) до окончания слоя земной атмосферы.

Хотя концепция воздуха как тела, имеющего свой объем и свой вес, не была подтверждена естествоиспытателями до 16-го века, предположения об этих свойствах  атмосферы появились гораздо  раньше. В 4-ом веке до р.Х. Аристотель показал, что воздух занимает свой объем, потому что сосуд при заполнении его водой, вытесняет воздух, и это можно обнаружить.  Аристотель провел взвешивание воздуха – он заполнял воздухом кожаный мешок, и сравнивал вес этого мешка в «надутом» и плоском «безвоздушном» состоянии. Но вес мешка в обоих случаях оказался одинаковый, и Аристотель сделал из этого вывод, что воздух веса не имеет, [6.1.]. Причина ошибки Аристотеля, вероятно, была в недостаточной точности его средств измерения.

Затем в течение 2000 лет вопрос с измерением веса воздуха оставался нерешенным, и даже великий итальянский естествоиспытатель Галилео Галилей (1564–1642) не знал правильного ответа, и в 1615 году он все еще думал, что воздух не имеет веса. Но в научные планы Галилея вмешалась инквизиция и 1616-1633 годы сложились для великого ученого очень тяжело. В апреле 1633 года 69-летний Галилей даже 18 дней провел в тюремной камере, а затем был помещен под домашний арест в маленьком городке в предместьях Флоренции, где проживал до самой смерти. К тому же в 1638 году Галилей потерял зрение, но упорно продолжал работать. 

Именно в 1638 году Галилей  описал свой эксперимент, который, казалось, доказывал, что воздух имеет вес. В этом эксперименте Галилей использовал шприц, чтобы нагнетать в предварительно взвешенную и должным образом закрытую бутылку такое количество воздуха, которое при обычном давлении в два или три раза превышало бы объем бутылки, и с точностью определял фактическое увеличение веса. Затем он позволил избытку воздуха выйти без потерь через трубку, которая вела к другой бутылке, полностью заполненной водой, и сконструированной таким образом, что вода, вытесненная поступающим воздухом, могла быть собрана в подходящий взвешенный сосуд. Наконец, Галилей определил увеличение веса второй бутылки, и таким образом сумел вычислить отношение удельного веса воздуха к удельному весу воды, и получил величину 1:400, [6.2.], [6.3.], [6.4.].

Галилей почти приблизился к правильному соотношению удельных весов воздуха и воды равному 1:773, но в своем опыте он не учел того, что сжатый воздух тяжелее обычного. Возможно, отчасти проблема Галилея заключалась и в том, что он не разделял удельный вес воздуха и давление воздуха - два разных физических газовых параметра. Это часто приводило к проблемам в экспериментах у многих ученых 17-го века.

В 1642 году Галилей умер, а год спустя в 1643 году ученик Галилея и его преемник на кафедре математики и физики в Университете Флоренции итальянец Торричелли (1608-1647), поручил Вивиани - одному из своих учеников, провести опыт с весом воздуха.  В ходе этого опыта был сконструирован «инструмент», который считают первым практическим лабораторным барометром. Позднее этот  опыт  вошел в историю науки как «Эксперимент Торричелли», [6.5.], [6.6.].
Отметим, что поводом для конструирования «инструмента» послужило явление возникновение столба воды в трубах, при работе водяных насосов. Считается, что после конструирования «инструмента» Торричелли сравнил высоты ртутного и водяного столба и обнаружил, что они обратно пропорциональны удельному весу этих жидкостей. Отсюда Торричелли сделал вывод, что оба столба образуются под действием одной и той же причины.
 

Рис. 6.1. Инструмент Торричелли, оригинал рисунка Торричелли из его письма Риччи [6.5.], первый практический лабораторный барометр.

Описание эксперимента Торричелли и его инструмента было дано 11 июня 1644 года в его письме Микеланджело Риччи. Обратимся к фрагментам из этого письма, [6.5.] (перевод автора), и рисунку из этого письма (рис. 6.1.):

«Я уже сообщал вам, что не знаю, какой философский эксперимент проводился с  вакуумом, чтобы не просто создавать вакуум, а сделать инструмент, который показывал бы изменения слоя воздуха, который, то тяжелее и плотнее, то легче и тоньше … ».
 «Мы сделали много больших стеклянных ваз, подобных приведенным ниже (см. рис. 6.1.), обозначенных как А и В, с горловинами длиной в две руки (итальянская мера длины рука или локоть в среднем равнялась 21 дюйму или 533 мм, следовательно, вся горловина имела длину около 1066 мм, прим. автора), наполненных ртутью, затем мы закрыли горлышко пальцем и перевернули его вверх дном в вазе C, где находилась ртуть.  При этом мы увидели, что участок горловины А D всегда оставался заполненным ртутью на высоту большую, чем длина руки с четвертью и палец (т.е. 533 мм + 133 мм + 81 мм = 747 мм, прим. автора). Чтобы показать, что ваза сделана идеально, нижележащий таз наполнялся водой до уровня D, и, понемногу поднимая вазу, можно было увидеть что, когда горлышко вазы достигало воды, то ртуть вытекала из горлышка и оно наполнялась водой, при этом  вода доходила до отметки Е.  Но когда ваза АЕ была пуста, то ртуть, хотя и очень тяжелая, оставалась в горлышке вазы АС. Сила, которая удерживает ртуть от ее естественной способности стекать вниз, ранее считалось находящейся внутри вазы АЕ, и вызывается то ли вакуумом, то ли крайне разреженным веществом; но я утверждаю, что эта сила действует извне. Над поверхностью «ликера»  в тазике тяготеет высота воздуха в пятьдесят миль; и что удивительного в том, что в стеклянной вазе CE ртуть поднимается до такой степени, что уравновешивается тяжестью внешнего воздуха, который толкает ее?
Вода в таком же сосуде, но гораздо более длинном, поднимется почти на восемнадцать саженей, чтобы уравновесить себя, то есть настолько выше ртути, насколько ртуть тяжелее воды, и с той же причиной, которая побуждает обоих».
«Я знаю, что у Вашей Светлости возникнет много возражений, но я также надеюсь, что думая о них, они будут Вами преодолены. Я должен добавить, что мое основное намерение, которое состояло в том, чтобы определить с помощью описанного инструмента, когда воздух бывает  более плотным и тяжелым, а когда более разреженным и легким, не было выполнено, поскольку уровень ртути в инструменте изменяется и по другой причине, в которую я никогда бы не поверил, а именно под действием тепла или холода, и изменяется весьма  заметно».

Как мы подсчитали, Торричелли получил значение величины атмосферного давления на своем инструменте (приборе) около 747 мм ртутного столба, что очень близко к реальным значениям.

Кроме того, весьма простой лабораторный инструмент - ртутный барометр Торричелли - действовал не только как барометр, но и как термометр Галилея, о котором мы расскажем в Главе 7.

В Главе 4 мы подробно рассказывали о французском естествоиспытателе Рене Декарте, который в 1637 году опубликовал знаменитую книгу «Рассуждения о методе», и ряд историков, [6.7.], считает, что Декарт обнаружил давление воздуха и изготовил барометр раньше и независимо от Торричелли, но описание этого прибора как минимум не сохранилось. Поводом для этого также служат три письма Декарта авторитетному французскому физику Мерсенну (1588-1648), известному как «отец акустики». В этих письмах Декарт объясняет  весом воздуха слипание частей тел, подъем воды в насосах, вспенивание воды в некоторых стеклянных сосудах особой формы, и значительное усилие, которое необходимо приложить при  разделении полированных тел. Однако письма Декарта к Мерсенну не имеют даты.

Точно также опыты по исследованию вакуума, которые между 1640 и 1643 годами провел итальянский физик Гаспаро Берти (1600-1643), в ходе которых он в Риме построил 11-метровую вертикальную свинцовую трубу и заполнил ее водой, нельзя отнести именно к измерению атмосферного давления, т.к. Берти преследовал совсем иные цели.

 

Рис. 6.2. Эксперимент Берти, [6.8.]

«Эксперимент Торричелли» вызвал большой интерес в научном мире  Европы. При этом сообщения о результатах Торричелли распространялись в частном порядке. Торричелли в 1644 году написал два письма своему другу Риччи в Рим, затем в этом же году Риччи написал в Париж письмо физику Мерсенну, о котором мы говорили выше, с описанием эксперимента Торричелли, а француз Мерсенн в своей обширной переписке распространил новость о достижениях Торричелли по всей Европе.

В том числе Мерсенн сообщил о достижениях Торричелли французскому физику Блезу Паскалю (1623-1662), ставшему впоследствии основоположником классической гидростатики. Известно о двух экспериментах Паскаля, поставленных в 1648 году, на основе идей Торричелли.

Первый эксперимент Паскаля описан в книге « Трактат о равновесии жидкостей и гравитации массы воздуха, содержащий объяснение причин различных явлений природы...», изданной в 1663 году, [6.9.].

Обратимся к рисунку из вышеупомянутой  книги. Паскаль изготовил стеклянную колбу, в которой изогнутая трубка  А  В была приварена к прямой трубке M N, а в месте приварки М было отверстие, заткнутое пробкой. Затем в трубку налили ртуть (Паскаль называет ртуть – «жидкое серебро»), и наполненную ртутью трубку перевернули в большую чашу с ртутью. Ртуть в трубке разделилась на две части – большая часть ушла в трубку M N к чаше, где излишки ртути вылились через края, но основная часть ртути остановилась в трубке M N в виде столбика, как у Торричелли, а другая часть ушла в изгиб  В трубки А В (изгиб Паскаль называет «свиной желудок»). После этого пробка из отверстия М на трубке M N (на рисунке оно заткнуто пальцем экспериментатора) была вынута, но столбик ртути («жидкого серебра») практически не опустился. Тем самым Паскаль доказал, что столбик ртути в трубке опущенной в чашу с ртутью удерживается не вакуумом, или как тогда говорили европейские ученые «Торричеллевой пустотой», а давлением воздуха, действующим на поверхность ртути в чаше. Так опыт Паскаля подтвердил предположение Торричелли о существовании атмосферного давления.
 
Рис. 6.3. Первый эксперимент Паскаля с прибором Торричелли, [6.9.], оригинал рисунка.

Второму эксперименту Паскаля, вероятно, предшествовало изготовление им прибора Торричелли закрытого типа. Такой прибор описан в трактате, изданном в Париже в 1713 году [6.10.].  Обратимся к рисунку из этого трактата – рис. 6.4. 
Ртуть в приборе Паскаля помещалась в чаше СС, плотно закрытой крышкой, короткая трубка D была врезана в эту крышку и имела сверху открытое отверстие, обеспечивающее сообщение атмосферы с внутренним пространством чаши. Левая трубка АА была запаяна на верхнем конце, врезана в крышку чаши СС и опущена в ртуть до половины уровня ртути в чаше. В этой прозрачной стеклянной трубке за счет атмосферного давления столбик ртути доходил до уровня В. При изменении атмосферного давления этот уровень менялся.
 
Рис. 6.4. Прибор, вероятно изготовленный Перье по заданию Паскаля, для проведения исследовательской экспедиции по натурному измерению атмосферного давления,  [6.10.], оригинал рисунка.

Таких приборов Перье, шурином Паскаля и советником в г. Клермон-Ферран в Оверни, возможно, было изготовлено два, и с ними Перье, патер Шастен и Паскаль провели первый в истории метеорологии натурный эксперимент. Обратимся к «Истории физики», изданной в 1882 году, советское издание 1933 года, [6.11.]:

 «По просьбе Паскаля Перье устроил, согласно описанию Торричелли, два барометра и с одним из них отправился 19 сентября 1648 г. на соседнюю гору Рuу diе Dome, вышиной в 4300 футов, Другой же барометр оставил на попечение патера Шастена. Поднимаясь на гору, он наблюдал непрерывное понижение барометра; когда же по окончании экспедиции наблюдатели сравнили барометрические высоты  у подошвы горы и на ее вершине, то нашли разницу ртутных столбов в 3 дюйма и 15 линий. Перье тотчас же сообщил Паскалю об успешности опыта, и последний, пораженный большим размером этой разницы, попробовал повторить опыт на меньших высотах».

Приборы, изготовленные Перье по заданию Паскаля в 1648 году, впоследствии были классифицированы как сифонно-чашечные барометры, и их конструкция обеспечивала перевозку в залитом ртутью состоянии на некоторые расстояния.

При проведении опыта один барометров, конструкции Паскаля, был доставлен на гору высотой в 4300 футов – 1340 метров. Падение давления на этой высоте оказалось равно 3 дюйма и 15 линий. Результат несколько непонятный, т.к. парижский дюйм равен приблизительно 27 мм и содержит 12 линий, а в записях Паскаля упомянуты 15 линий (см. выше). В итоге можно считать, что падение давления на горе Пюи-Де-Дом (Купол) было около 4 дюймов или 108-111 мм ртутного столба, т.е. атмосферное давление там составляло 649-652 мм рт. ст. – и это абсолютно правильный результат – именно такое атмосферное давление и бывает на высотах 1400-1500 метров над уровнем моря!