Метеорология Глава 7 Часть 3

Герметичные жидкостные термометры  впервые  описаны в 1667 году  в альманахе Академии дель Чименто: «Saggi di naturali esperienze fatte nell'Accademia del Cimento…», [7.10.], написанным под редакцией секретаря Академии с 1660 года князя Лоренцо Маджалотти (1637-1712). Альманах богато иллюстрирован и содержит информацию о всех видах изготавливаемых в Академии инструментов. О термометрах в альманахе сообщается как об инструментах, давно изготовляемых искусными ремесленниками – стеклодувами. В 1667 году термометры в Академии уже наполняли не водой, а винным спиртом, и это решение также приписывается (возможно, справедливо) великому герцогу тосканскому Фердинанду II Медичи. Уже в середине 17-го века подобные термометры стало принято называть флорентийскими  термометрами.
Труд по изготовлению флорентийского термометра был полностью ручной, и все операции делались «на глазок», и с применением стандартных для стеклодува измерительных инструментов – линеек, циркулей, угломеров. Мастер стеклодув вручную наносил температурные деления на трубке, с учетом относительных размеров трубки и размера всплывающего шарика, показывающего значение температуры. Температурные деления в форме стеклянных бугорков наносились на трубку, разогретую на лампе, расплавленной цветной эмалью, черная эмаль обозначала обычные деления, белая эмаль - каждое десятое деление. Градуировка и настройка флорентийского термометра целиком зависела от мастерства ремесленника, и такие термометры у разных мастеров показывали температуру по-разному, что вполне объяснимо. После наполнения трубки спиртом и помещения в неё плавающего шарика отверстие в трубке заливали сургучом. Такая технология требовала более низких температур нагрева, не изменяла геометрию трубки, и операцию запечатывания можно было повторять.
 
Рис. 7.9. Инструменты (термометры), изготовленные в Академии дель Чименто, Тоскана, 1667 год, [7.10.], оригиналы рисунков.

На рис. 7.9. показаны разные модели термометров Академии дель Чименто из альманаха «Saggi di naturali…», [7.10.]:
• цифрой I обозначен 100-градусный термометр, с нижней колбой со спиртом, вертикальной трубкой со 100 делениями, и петлей для подвеса,
• цифрой II обозначен 50-градусный термометр, с нижней колбой со спиртом, вертикальной трубкой с 50-ю делениями, и петлей для подвеса,
• цифрой III обозначен термометр с диапазоном больше 100 градусов, с вертикальной трубкой с делениями, нижней колбой со спиртом  и ножкой.
• цифрой IV обозначен термометр с диапазоном 300 градусов, со спиральной  12-ти ярусной измерительной трубкой, нижней колбой со спиртом и  ножкой.
• цифрой V обозначен декоративный термометр с одной широкой колбой со спиртом, в котором плавают цветные шарики разного удельного веса, колба имеет петлю для подвеса. Конструкция этого термометра подобна колбе кластерного термометра с рис. 7.8.

Под цифрой VI на рис. 7.9. показан гигрометр – инструмент для измерения влажности воздуха. Приборы этого типа мы рассмотрим в Главе 8.

Академия дель Чименто во Флоренции работала всего 10 лет, и в 1667 году была закрыта. Причины закрытия были сугубо политические. Учредитель Академии Леопольдо Медичи как самый младший брат великого герцога Тосканского Фердинанда Медичи не мог претендовать на титул великого герцога, и решил получить титул кардинала. Условием получения кардинальской «шапки» для Леопольдо Медичи римский папский двор, который питал жгучую ненависть ко всем последователям великого вольнодумца Галилея, поставил закрытие Академии. Леопольдо Медичи выполнил это условие и стал кардиналом, а Академия дель Чименто была ликвидирована, в результате удивительный научный коллектив флорентийских ученых сначала потерял финансирование, а в 1670 году после кончины ученого и изобретателя Фердинанда II Медичи и защиту великого герцога Тосканы от действий папского двора.

Назовем основных известных ученых, работавших в Академии дель Чименто в 1657-1667 годах и принимавших, в том числе участие в создании разнообразных метеорологических инструментов:
• Карло  Ринальдини (1615-1698);
• Винченцо Вивиани (1622-1703);
• Джованни Борелли (1608-1679);
• Карло Дати (1619-1676);
• Алессандро Сеньи (1633-1697);
• Лоренцо Маджалотти (1637-1712);
• Франческо Реди (1626-1697);
• Антонио Олива (1624-1689);
• Марчелло Мальпиги (1628-1694);
• Паоло дель Буоно(1625-1659);
• Кандидо дель Буоно (1618-1676).

Когда Академия дель Чименто была распущена, то у всех вышеперечисленных бывших академиков наступили тяжелые времена. Труды всех флорентийских академиков попали под запрет, а римская инквизиция начала планомерное преследование самих ученых как еретиков. В частности, Джованни Борелли, который в 1646 году использовал барометр Торричелли для предсказания изменения погоды в Тоскане, в 1674 году видели просящим милостыню на улицах Рима, Антонио Олива, занимавшийся в Академии дель Чименто гидравликой, в 1689 году во время суда не выдержал пыток и выбросился из окна папской тюрьмы во дворце Святой канцелярии (Палаццо дель Сант-Уффици) в Риме.

После 1667 года многие оригинальные сочинения Галилея и его последователей были сожжены, а все остальные почти столетие считались утерянными, пока  несколько томов не были случайно  найдены и среди них часть журналов термометрических наблюдений, сделанных в монастыре Ангелов во Флоренции.  Эти наблюдения в течение шестнадцати лет проводил отец Райньери, ученик Галилея.  В журналах Райньери были некоторые пробелы, но они ценны именно своей датой (после 1650 года), которая почти на пятьдесят лет опережает дату всех других ранних комплексных метеорологических наблюдений, и тщательностью, с которой эти наблюдения проводились. Термометрические наблюдения производились не менее пяти раз в день, и одновременно наблюдались два термометра, которые старались максимально экранировать от солнечного света, включая и отражение света от окружающих тел. Кроме того, академики дель Чименто знали про излучение «темного тепла» (инфракрасное излучение), и даже выполнили наблюдение за таким излучением льда.  Запрет, поразивший все сочинения великих людей Флоренции, не пощадил их рабочие инструменты. При этом те инструменты, которые избежали уничтожения, были дорогими сложными приборами, которыми почти никогда и не пользовались. Уничтожены были именно маленькие спиртовые термометры, шкала которых была разделена на пятьдесят частей (цифра II на рис. 7.9.), и которые академики дель Чименто использовали в своей практической работе, [7.11.]

Сравнение градусной шкалы флорентийских термометров с последующими градусными шкалами, о которых мы расскажем, выполнил в 1829-1830 годах  итальянский естествоиспытатель, и человек сложной биографии,  граф Гульельмо Либри (1803-1869). Кроме того, Гульельмо Либри выполнил свои метеорологические наблюдения с использованием оригинальных флорентийских термометров, и на основе этих наблюдений  сделал определенные выводы по изменению погоды в Тоскане в 1829 году по отношению к 1560 году.

В журнальной статье «Memoire sur la Detrmination de l’echelle du thermometre l’Academie del Cimento» - «Мемуар об определении шкалы термометра Академии дель Чименто» - Гульельмо Либри пишет,  перевод автора, [7.11.]:
«Но, к счастью, вся моя неуверенность закончилась с находкой  в прошлом году во Флоренции, ящика, в котором, среди многих других старинных приборов, находилось большое количество термометров Академии дель Чименто, разделенных на пятьдесят частей. Эти термометры, два из которых я имею честь предложить Академии, дали мне возможность сравнить их со шкалой термометра Реомюра. Для этого я сделал более двухсот сравнительных наблюдений, и их средние значения дали мне числа, очень близкие к тем, которые я ранее получил путем интерполяции.
Я нашел таким образом, что «ноль» термометра академиков дель Чименто соответствует «-15» градусам Реомюра, а 50-я ступень первой соответствует 44-му градусу второй. В тающем льду термометр дель Чименто показывает 13 с половиной градусов.
Определив значение старой термометрической шкалы, я применил ее к метеорологическим наблюдениям отца Райньери и вывел из них средние минимумы и максимумы каждого месяца, взятые за 16 лет. Сравнивая эти средние значения с  наблюдениями, сделанными в обсерватории Благочестивых школ во Флоренции с 1820 года, я нашел лишь очень небольшие различия, вероятно вызванные другим расположением современных инструментов, которые установлены на высоте 84 фута над уровнем земли. Сравнительная таблица, которую я имею честь представить академии (Либри написал эту статью для Французской Академии наук), показывает, что значения, которые я там определил, заметно не изменились за 150 лет, и доказывает ложность почти общего мнения о Тоскане, а именно, что обезлесение Апеннин за последние 60 лет вызвало понижение температуры или, по крайней мере, повышение степени, выражающей максимальную холодность наших зим. В 17-м веке Апеннины фактически были очищены от лесов, и все же за 15 лет, в течение которых продолжались наблюдения, термометр опустился во Флоренции на 5 градусов лишь два раза и один раз на 9 градусов по термометру Реомюра – этот чрезмерный холод, с уверенностью показывает, что температура в Тоскане со времен Академии дель Чименто не понизилась».
После появления «флорентийских» термометров многие европейские ученые провели свои исследования с этим типов инструментов, а также со своими герметичными термометрами, подобными флорентийским. Такие исследования выполняли англичане Роберт Бойль и Роберт Гук, голландец Христиан Гюйгенс, о работе которых по созданию барометров мы рассказали в Главе 6, а также и другие менее известные ученые Англии и Франции. Но технический уровень, достигнутый в герметичном термометрическом инструменте Фердинанда Медичи, был столь велик, что какого-то прорыва в совершенствовании термометра до конца 17-го века не было.

Разгром в 1667 году флорентийской Академии де Чименто более чем 10 лет остановил научные работы по термометрии, выполняемые в Италии. Только в 1680 году появился оригинальный труд преподавателя Римского колледжа математика Франческо Эшинарди (1623-1703), в которым, в том числе, изложена технология градуировки герметичного спиртового термометра. Эшинарди пишет, перевод автора, [7.12.]:

«берут не менее двух сосудов, в каждом из которых в центре его верхней части подвешивают термометр. В один сосуд помещается одна маленькая лампочка (Эшинарди, вероятно, имел в виду маленькую свечу); в другом две, точно равные первой. Ставьте их (свечи) одновременно. Затем наблюдайте, до какой степени поднимается спирт в каждом термометре, и отмечайте это на шкале; он обязательно поднимется выше в сосуде с двумя огнями. Теперь внимательно следите, чтобы увидеть, когда термометр в сосуде с одной лампочкой (свечой) поднимется на эту же высоту, и сразу же отметьте высоту другого термометра в сосуде с двумя лампочками (свечами); и так далее, получая, таким образом, всегда двойное соотношение. Из этого геометрического отношения вы затем получите каждое арифметическое деление. Все это нужно делать в как можно более прохладном месте и точно такими же термометрами.
Но для упомянутой градации (градуировки) вам нужно будет знать два края и среднее значение. Теперь, чтобы узнать наибольшую теплоту, термометр можно погрузить в стеклянный сосуд, наполненный водой, а затем воду нагреть до высшей степени (вероятно, до закипания). Таким образом, мы получим высоту (градуировки) для наибольшего тепла. При наибольшем холоде его (термометр) кладут в лед, когда впервые наполнят. Тогда из этого и получится тепловая точка (вероятно, среднее значение находится геометрическим способом). Спирт следует подкрасить красными чернилами, чтобы его можно было увидеть внутри другого сосуда, полного воды; и весь термометр должен быть погружен в воду полностью, иначе он лопнет».

По технологии Эшинарди термометр имеет две крайних точки – точка наибольшего тепла – кипящая вода, и точка наибольшего холода – лед. Градуировка термометров производится динамически, при этом считается, что две свечи создают температуру в два раза большую, по сравнению с температурой одной свечи.

Экспериментальная технология градуировки Эшинарди была изучена после 1681 года в Англии, отчет об этом представил Президент Королевского общества баронет Джон Хоскинс (1634-1705), затем свою методику представил Роберт Гук. Но в технологиях термометрии англичане опять шли следом за итальянцами.

В 1694 году, 79-летний профессор математики в университете Падуи Карло Ренальдини, бывший академик дель Чименто, повторил идею Эшинарди и предложил использовать в качестве крайних фиксированных точек на термометрических шкалах точки замерзания, и кипения воды, [7.8.].  Ренальдини предлагал делить шкалу термометра между двумя крайними точками на 12-ть равных частей не экспериментальным методом, а геометрически. Таким образом, равномерная шкала Ренальдини предполагала, что точки замерзания и кипения воды стабильны, а спирт в термометре всегда отображает изменение температуры линейно. Идея Ренальдини упрощала градуировку термометра, но опиралась на непроверенные в 17-м веке свойства воды – замерзание и кипение, поэтому широкого распространения в европейском ученом сообществе не получила.
 
Рис. 7.10. Термометрическая шкала Исаака Ньютона, 1701 год, по лекциям Роджера Котса, [7.13.], часть оригинальной таблицы.

28 мая 1701 года в Лондоне Королевскому обществу была представлена работа неизвестного автора по термометрии, где в качестве жидкости в герметичном термометре было выбрано льняное масло. Основная шкала в этом термометре была разделена, как и у Ренальдини, на 12-ть градусов, нижней точкой шкалы «0» была выбрана температура воздуха зимой, когда вода начинает замерзать, а верхней точкой шкалы «12» – температура человеческого тела, см. рис. 7.10. Выше 12 градусов шкала была создана методом экстраполяции, а для очень высоких температур выше 192 градусов, по выражению автора это «жара небольшого угольного очага, не поддерживаемого мехами», предлагалось использовать логарифмическую шкалу, формулу которой автор приводил. Английский математик Роджер Котс (1682-1716), много сотрудничавший с великим Исааком Ньютоном (1642-1727), утверждает в своих лекциях, [7.13.],  что он догадался, что автором анонимной работы по термометрии является сам Ньютон. Котс якобы лично спросил Ньютона об этом, и Ньютон ответил утвердительно. Так со слов Роджера Котса появилась термометрическая шкала Ньютона. Но практического значения экзотическая термометрическая шкала Ньютона не имела, т.к. его термометр, вероятно изготовленный в одном экземпляре,  имел высоту в три фута, а термометрическая колба с льняным маслом была два дюйма в диаметре.
 
Рис. 7.11. Воздушный термометр конструкции Амонтона, [7.14.]. Колбы В, С, Е имеют в диаметре чуть больше дюйма, высота всего термометра около 30 дюймов – 75 см.

Лондонское сообщение неизвестного автора, автором которого впоследствии был назван великий физик и математик Ньютон, в 1703 году в мемуарах Парижской Академии наук было прокомментировано французским физиком  Гийомом Амонтоном (1663-1705).  В этих комментариях  Амонтон описал свои эксперименты по определению температуры в различных точках неравномерно нагретого бруска железа, которые были близки к исследованиям Ньютона. Свои эксперименты Амонтон производил с изобретенным им особым воздушным термометром, у которого постоянными точками являлись: верхней -  температура кипения воды, и нижней, по выражению Амонтона,- «та значительная степень холода, при которой воздух теряет всю свою упругость». Т.е. постоянные точки термометрической шкалы Амонтона равнялись по шкале Цельсия (о нем мы расскажем позднее) «+ 100°С» и «- 273°С». Идея Амонтона была для своего времени действительно революционна, хотя по его расчетам нижняя «нулевая» постоянная точка термометра оказывалась равна «- 239,5°С», но это было связано с тем, что влияние атмосферного давления на температуру кипения воды физикам во времена Амонтона было неизвестно.

Гийом Амонтон был очень талантливым приборостроителем и экспериментатором. Все эксперименты он проводил на инструментах своей конструкции – на гигрометре, барометре, термометре. Вероятно, Амонтон одним из первых стал использовать в открытом воздушном термометре ртуть, столбик которой показывал значение температуры. Другие работы Гийома Амонтона были весьма разнообразны: в 1695 году он демонстрирует королю Людовику XIV оптический телеграф, в 1699 году публикует чертежи «пожарной мельницы» - прообраза паровой машины, в этом же году он формулирует законы трения, затем занимается вопросами износа канатов на лебедках, создает морской барометр, решает вопросы наблюдения за рекой Сена. Научная биография Амонтона оборвалась в самом расцвете сил – он умер в Париже 11 октября 1705 года в возрасте 42 года от гангрены, возникшей от кишечного расстройства. Единственная печатная работа Амонтона  «Remarques et exp;riences phisiques…» - «Замечания и физические эксперименты…», [7.14.], была издана в 1695 году, на рис. 7.11. показан воздушный термометр - один из инструментов Амонтона, представленных в указанной работе.