Метеорология Глава 6 Часть 3

Основным недостатком двухжидкостного сифонного барометра Гука и двухжидкостного чашечного барометра Гюйгенса оставалось то, что трубка, содержащая более легкую жидкость, загрязнялась в области, через которую эта жидкость  перемещалась. И  Гук, и Гюйгенс знали об этой проблеме, но Гюйгенс был занят работами в области механики, а  Гук еще более усложнил свой барометр, но решил проблему.  В 1685 году Гук описал Королевскому обществу трехжидкостный сифонный барометр (рис. 6.9).  Этот прибор в измерительной части оставался двухжидкостным сифонным барометром, где в качестве второй жидкости использовался более легкий окрашенный спирт, который был сверху «укрыт»  третьей жидкостью - несмешивающимся со спиртом скипидаром, для которого на трубке был установлен специальный стакан. При этом давление измерялось по линии разделяющей спирт и скипидар.
 
Рис. 6.9. Трехжидкостный сифонный барометр Гука. Рисунок автора.

Двухжидкостный и трехжидкостный сифонные барометры Гука, имели еще один общий недостаток. Так же как и у «колесного барометра» Гука, когда атмосферное давление повышалось, показания у барометра понижались. Тем не менее, этот барометр почти 200 лет был очень популярным в Европе, а его модификация с одноименным изменением  давления и измерительного уровня была изготовлена в середине 19-го века, почти на закате эпохи массового использования жидкостных барометрических приборов.

После 1685 года идеи по конструированию ртутных барометров в основном себя исчерпали. Свои конструкции, связанные с изменением формы стеклянных трубок, которые чисто геометрически повышали чувствительность приборов, изобрели англичанин Морланд и известный швейцарский математик Иоганн Бернулли, работавший в Голландии. Но конструкции Морланда и Бернулли распространения не получили, к тому же они имели свои собственные недостатки.

Принципиально новой идеей в деле конструирования  барометров в 18-м веке был безводный барометр, получивший  название  анероид от греческого «;  ;;;;» - «нет воды». Историками техники принято считать, около 1700 года безводный барометр - анероид впервые был предложен знаменитым немецким математиком Лейбницем (1646-1716).  Судить об этом можно только по переписке Лейбница с Иоганном Бернулли. Упоминания о «мехах, которые будут сжиматься, и расширяться по мере увеличения или уменьшения веса воздуха» встречаются как минимум в 3-х письмах Лейбница 1698-1702 годов. Известно об этих письмах стало не ранее середины 19-го века, и весьма спорным выглядит мнение, что изобретатели обычно читают частные письма ученых, живших за 150 лет до них.

На рубеже 17-го века и в начале 18-го века конструированием жидкостных барометров, а также термометров и гигрометров активно занимался французский физик Гийом Амонтон (1663-1705), опубликовавший несколько работ по этой теме, но особых новшеств в конструкцию барометра его изобретения не внесли.

Использование ртутных барометров вне лабораторий  было сильно  затруднено их хрупкостью. Паскаль, как мы помним, первым успешно провел свой горный опыт, но проводить такие замеры в массовом порядке было очень неудобно и накладно. Одним из очевидных возможных решений проблемы транспортировки барометра было наполнение его ртутью в месте предполагаемого наблюдения. Именно так действовал французский физик Пьер Буге (1698-1758), который с помощью барометра в 1735-1742 годах в ходе меридианной экспедиции произвел  измерение высот на большом количестве горных вершин Андских Кордильер в Перу. В частности, Буге нашел наибольшую относительную высоту на потухшем вулкане Пичинча близ города Кито, нынешней столицы Эквадора, а в настоящее время там расположена Эквадорская астрономическая лаборатория.
Сообщения о работе Пьера Буге вошли в мемуары Французской Академии за 1753 год.  Свои идеи по совершенствованию барометра Пьер Буге скупо изложил в трактате по оптике, изданном в 1760 году, [6.16.], но общего применения идеи Буге не имели, в первую очередь потому, что после заливки ртути в барометр требовалась  проверка правильности установки шкалы прибора, а эту работу в походных условиях выполнить было невозможно.

В середине 18-го века, а точнее в 1749 году, большую работу по совершенствованию барометра начал швейцарский геолог и метеоролог Жан Андре Делюк (1727-1817), который работал в Англии и Германии. Жан Делюк не был кабинетным ученым, он одним из первых, вслед за Пьером Буге, стал активно использовать барометр для измерения высоты горных вершин. Его самое известное достижение в этой области – измерение высоты Монблана в 1770 году. Жан Делюк был крайне недоволен барометрами, которые тогда использовались. Как и его предшественники, он понял, что существуют непрерывные колебания высоты ртутного столба, не вызванные изменениями давления. Он потратил много времени на изучение причин этих колебаний, особенно вызванных изменениями температуры, и на расчет температурных поправок, которые должны быть обязательно применяется к барометрическим показаниям.

Жан Делюк к 1763 году сконструировал первый хороший портативный барометр сифонного типа [6.17.], который состоял из трубки в форме цилиндра, разделенной на две части, соединенные через кран в более коротком плече трубки. Всякий раз, когда барометр должен был транспортироваться на какое-либо расстояние, более длинная трубка полностью заполнялась ртутью и герметизировалась с двух сторон путем закрытия крана, (см. рис. 6.10.), а вся ртуть, оставшаяся в более короткой трубке, сливалась через отвод на фарфоровом наконечнике, укрепленном на конце короткой трубки. На рис. герметизирующий кран расположен внизу конструкции барометра, и выполнен в виде фарфорового белого вентиля поворотного типа. На фото вентиль крана в запертом состоянии, а вся ртуть слита в длинную трубку. Таким простым способом была устранена опасность повреждения прибора при транспортировании в результате сильного перемешивания и загрязнения ртути. Весь комплект инструмента был заключен в деревянную коробку с крышкой  и перевозился вверх дном. Чтобы иметь возможность вводить температурные поправки к барометрическим показаниям, на стенке коробки был закреплен специальный термометр (в центре). На термометре было нанесено две шкалы – слева температурная шкала Реомюра, справа температурная шкала Фаренгейта.  На месте проведения замеров коробка с барометром крепилась на специальной треноге вниз дном строго вертикально, вертикальность крепления контролировалась с помощью отвеса. После установки барометра, в правую короткую трубку доливалась ртуть до нуля правой шкалы. Атмосферное давление фиксировалось барометром с помощью шкалы, расположенной слева от длинной трубки, шкала была нанесена в дюймах, разделенных на 12 линий, ноль шкалы начинался от линии, проведенной перпендикулярно к уровню ртути залитой в правой короткой трубке.
 
Рис. 6.10. Фотография переносного барометра, автор конструкции барометра Жан Делюк, 1763 год,  Музей науки и истории, Швейцария, Женева. Общественное достояние. Источник: https://fr.wikipedia.org/wiki/Jean_Andr_Deluc.
Работа Делюка по созданию удобного сифонного портативного  барометра вызвала бурные дебаты в европейских научных кругах об относительных достоинствах двух основных типов барометров – чашечных барометров (называемых также цистерновыми) и сифонных барометров. До 1763 года все точные замеры были сделаны на барометрах чашечного (цистернового) типа, но технологический прорыв Делюка, предложившего удобный и точный портативный сифонный барометр разделила ученых на два примерно равных по численности и авторитету лагеря.  В 1776 году знаменитый английский физик Генри Кавендиш (1731-1810) в статье посвященной используемым в Англии метеорологическим приборам [6.18.], упомянул Делюка, но указал, что сифонные барометры подвержены неточностям, связанным с загрязнением двух узких трубок, в то время как у цистерновых барометров загрязнение меньше, и сама трубка с ртутью более широкая. Тем самым Кавендиш закрепил в Англии во всем англоязычном научном сообществе приверженность именно чашечным (цистерновым) барометрам, которая сохранялась весь 19-й и 20-й века.

Серьезным недостатком у чашечного барометра была необходимость учитывать подъем зеркала ртути в чашке при уменьшении атмосферного давления, и опускание зеркала ртути в чашке при увеличении атмосферного давления. Т.е. «0» шкалы чашечного барометра все время перемещался. Погрешность измерения от этого, впрочем, была незначительна. При соотношении диаметров чашки и барометрической трубки 25:1 при падении столбика ртути на 1 дюйм, зеркало ртути в чашке, поднималось на 0,4 линии, т.е. возникала неточность около 1 мм. Для обычных измерений это было допустимо, т.к. у английской (и  русской) дюймовой шкалы обычно было выполнено деление каждого дюйма на 10 линий. Но для научных точных измерений приходилось учитывать эти инструментальные погрешности. Указанный недостаток был устранен после изобретения в 1786 году английским механиком Джесси Рэмсденом (1735-1800)  чашечного (цистернового) барометра с подвижным дном, где посредством винта можно было установить уровень начала столбика ртути в измерительной трубке точно на «0» шкалы. Чашечные  барометры в основном использовались как стационарные, поэтому их измерительная шкала обычно начиналась с уровня 700 мм. Точность кроме регулировки дна чашечного барометра винтом, достигалась также применением на шкале острия, изготовленного из закаленной стали, либо слоновой кости, которые не подвергнуты температурной деформации при обычных температурных условиях.

Хорошую идею по совершенствованию  чашечного барометра конструкции Рэмсдена в 1820 году реализовал англичанин Фортен. Главное отличие барометра Фортена [6.19.] от других барометров заключалось в устройстве чашки. Чашка у Фортена состоит из двух частей, (рис. 6.11.): стеклянного сосуда CCGH и медного EFGH, прочно скрепленных с помощью трех винтов, один из которых CH изображен на рис. Внутри чашки находится деревянный цилиндр MMNN, к которому привязан замшевый мешок NPN. Замшевый мешок и часть стеклянного сосуда CCGH наполнены ртутью, в которую погружена барометрическая трубка yx, суживающаяся внизу. Утолщение, сделанное на барометрической трубке yx, дает возможность привязать к ней замшу rr, прикрепленную к трубке  BB, и этим воспрепятствовать ртути выливаться из чашки, в случае если барометр будет перевозиться барометрической трубкой ух вниз. Для сообщения воздуха, заключенного в чашке CH, с наружным воздухом, в крышке  CC сделано отверстие, которое закрыто винтом, и открывается это отверстие только перед наблюдением. Уровень ртути в мешке можно понижать и повышать винтом Q, который упирается в деревянную пробку P, укрепленную по центральной оси замшевого  мешка. В крышку CC вделан специальный штифт, острие A которого совпадает с «0» шкалы. Перед замером атмосферного давления вращением винта Q всегда обеспечивают совпадение уровня ртути с острием A. Стеклянная трубка ух барометра, наполненная ртутью, плотно заключена в медную трубку, имеющую по всей длине узкую прорезь, что обеспечивает наблюдение уровня ртути в трубке и считывание атмосферного давления по этому уровню с помощью закрепленной на щитке барометра шкале.
 
Рис. 6.11. Чашечный барометр Фортина, нижняя часть. [6.19.]
Барометр Фортина был настолько удачной конструкцией, что находился в эксплуатации почти 150 лет. Например, в Музее физики, Университет Квинсленд, Австралия, под № 294  экспонируется барометр Фортина, произведенный фирмой Гриффина, Лондон, который находился в рабочем состоянии и использовался в учебном процессе до 1994 года, [6.20.]. На стенде Музея физики написано, что преимущества барометра этого типа заключаются в его портативности (в перевернутом виде) и в том, что он позволяет контролировать обе свободные поверхности ртути, разность уровней которых необходимо измерить. Основным недостатком барометра Фортина австралийцы считают то, что бачок барометра и содержащаяся в нем ртуть для поддержания точности прибора требуют частой очистки.

Проблема необходимости очистки ртути в чашке у барометра Фортина частично решена в аналогичном по конструкции чашечном барометре Тонелло. Тонелло вернулся к идее Торричелли и применил в своем барометре широкую чашку. Выставление шкалы по поверхности ртути в его конструкции не требуется, а показания уточняются по таблице поправок. С точки зрения эксплуатации это удобно, но если в барометре Фортина на свежей не загрязненной ртути мы получаем прямые физические показания по значению атмосферного давления, то в барометре Тонелло приходится доверять таблице.

Во Франции, и частично в Германии и Италии, а затем и в России, метеорологи в 19-м веке пользовались преимущественно сифонными барометрами. Конструкция  Делюка была весьма удобна, и этот  барометр был надежным метеорологическим прибором. Проблемы с самим барометром были почти устранены, и это позволило после Делюка заняться уточнением самой процедуры работы метеорологов – провести стандартизацию барометрических измерений, учитывать правильные поправки на температуру, принимать в расчет явления капиллярности в барометре  и т.д.

В 1816 году знаменитый французский физик и химик Гей-Люссак (1778-1850), работавший в это время профессором в Сорбонне и Политехнической школе в Париже, издал описание ручного сифонного барометра, вошедшего вскоре в общее употребление, особенно после его улучшений художником Бунтеном, [6.21.].

Образец ручного сифонного барометра Гей-Люссака, изготовленный до 1850-года,  представлен на рис. 6.12. Высота барометра 1200 мм, ширина 122 мм, барометрическая трубка, содержащая ртуть, закреплена к деревянной доске с помощью металлических скобок. Нижнее плечо барометра выполнено с изгибом и сифоном. Прибор отличался рентабельностью, простотой и хорошей, достаточно стабильной точностью, которая достигалась благодаря применению капиллярной трубки, соединяющей две ветви барометра – верхнюю вертикальную и нижнюю сифонную. В лабораториях сифонный барометр Гей-Люссака, имевший небольшой вес, крепился к стене на подставке, и сверху с помощью петли. Сифонный барометр Гей-Люссака был удобен и прост в эксплуатации, поэтому применялся около 100 лет и в метеорологии и в химико-физических  лабораториях.

 
Рис. 6.12. Фотография барометра Гей-Люссака. Виртуальный музей «Galileo». Инв.№ 1143. Общественное достояние. Источник: https://catalogue.museogalileo.it.