Метеорология Глава 8 Часть 6

Но к этому времени в 1783 году уже было опубликовано  исследование  более молодого швейцарского ученого Горация Бенедикта де Соссюра (1740-1799) «Эссе о гигрометрии», которое было результатом его многолетних исследований, и состояло из четырех частей, [8.17.]. 1-я часть «Эссе» содержала подробное описание знаменитого волосяного гигрометра де Соссюра, см. Рис. 8.14.

Уроженец предместий Женевы Бенедикт де Соссюр – один из первых альпинистов, геолог, ботаник. С именем де Соссюра связано установление в 1787 году Монблана как величайшей вершины Европы, и термин «геология», который он предложил в 1779 году, когда вышел из печати 1-й том его очерков «Путешествия в Альпах».

Де Соссюр активно занимался конструированием гигрометров, когда в 1775 году ему пришла идея создать гигрометр, основанный на изменении длины человеческого волоса под действием влажности. Первые опыты обнадежили де Соссюра, но в 1776 году волос в его инструменте потерял чувствительность, два года де Соссюр пытался решить возникшую проблему, пока не обнаружил, что необходимо тщательно отмывать волос от биологического жира. Де Соссюр пишет, перевод автора, [8.17.]:
«Волосы удлиняются, когда увлажняются, и стягиваются или укорачиваются при высыхании. У волоса, вымытого надлежащим образом и весом в три грана (т.е. 0,19 грамма) разница между наибольшим удлинением, которое может дать ему влажность, и наибольшим сжатием, которое он может получить от сухости, составляет 24-25 тысячных от его общей длины (т.е. 0,024 – 0,025). Это составляет (3 ;)- (3 2/3)  линии на фут».

Гигрометр де Соссюра, см. Рис.8.13, был сконструирован таким образом, чтобы использовать это свойство человеческого волоса.  В то время как нижний конец волоса ab,  соединен с зажимом b в нижней части инструмента, стоящего на квадратной рамке основания о о о о, другой конец этого волоса, натянутого строго вертикально, прикреплен в точке a к полоске фольги, намотанной на горизонтальный цилиндр d.  При вращении цилиндра d, возникающем при изменении под действием влажности воздуха длины волоса ab, стрелочный указатель, насаженный на центральную ось этого цилиндра, перемещается по градуированной от «0» до «360» градусов круговой шкале инструмента. Противовес g (всего около 0,2 грамм), подвешенный на шелковой нити, и намотанной на цилиндр d в противоположную сторону по отношению полоске фольги, удерживает «измерительный» волос ab в туго натянутом состоянии.
 
Рис. 8.14. Гигрометр Бенедикта де Соссюра на человеческом волосе, [8.17.].

Де Соссюр вполне обоснованно считал свой стационарный  гигрометр, описанный выше, лабораторным и слишком хрупким для его безопасной транспортировки в своих экспедициях и в том же эссе описал и более прочную и компактную портативную конструкцию гигрометра на человеческом волосе. Портативный гигрометр де Соссюра представлен на Рис. 8.15., [8.18.].

 
Рис. 8.15. Портативный гигрометр де Соссюра на человеческом волосе, [8.18.].
Портативный гигрометр де Соссюра (см. Рис. 8.15) смонтирован на деревянной, либо металлической рамке С, к точке А которой прикреплен верхний конец человеческого волоса, тщательного  отмытого от жиров в серном эфире. Волос обводят вокруг блока m и на его нижний конец прикрепляют маленький грузик p, с блоком m связана стрелка n, которая движется по дуге шкалы, в том случае, если волос меняет свою длину под действием изменения влажности воздуха. 

Настройку гигрометра производят путем обозначения на шкале точек «0» и «100». Сначала гигрометр помещают под стеклянный колокол, в который кладут куски хлористого кальция. Хлористый кальций поглощает влагу из воздуха, волос сжимается, и точку на которую указывает стрелка, обозначают как «0». Затем хлористый кальций убирают, внутреннюю поверхность колокола обрызгивают водой, и таким «мокрым» колоколом накрывают гигрометр. Вода со стеклянного колокола постепенно испаряется и повышает влажность воздуха под колоколом, волос в гигрометре впитывает влагу, и расширяется – максимальное расширение волоса обозначают на шкале как «100». Вполне очевидным недостатком гигрометра де Соссюра была необходимость его повторной настройки при каждой смене волоса, но как минимум сам чувствительный материал в этом гигрометре был не дефицитен и очень дешев.

Появление гигрометра, созданного женевским альпинистом де Соссюром, вызвало в европейских научных кругах необычайное оживление. Споры о методах, использованных в гигрометрических инструментах  де Соссюра и Делюка, шли до середины 19-го века.

Дело почти завершилось, когда крупнейший французский химик 19-го века Анри Реньо (1810-1878) лично и тщательно исследовал гигрометр де Соссюра, и нашел его несколько переменчивым и требующим частых поверок. Реньо определил, что требуется предварительный отбор волоса, методом натяжения его в стеклянном колпаке над водой, и нужно отбирать волос, который прекратит изменение длины через 5-6 часов, а если этого не произойдет – проверяемый волос нужно отбросить, и отбирать другой образец. Однако, метод де Соссюра опровергнут Анри Реньо не был.

 
Рис. 8.16. Лабораторный гигрометр Реньо с использованием серного эфира, [8.18.].

Анри Реньо предложил свой вариант лабораторного гигрометра, где измерение влажности было основано на определении точки росы. Этот гигрометр, см. Рис. 8.16., [8.18.] состоял из двух стеклянных сосудов: D – с налитым серным эфиром, и E с воздухом. В сосуды были вмонтированы: термометр T, на котором наблюдалась точка росы, и термометр S, на котором наблюдалась температура воздуха. Оба сосуда были соединены между собой трубчатой перемычкой m, а через трубчатую стойку n и каучуковую трубку p соединены с большим металлическим цилиндром G, т.н. «аспиратором». Путем выпускания воды через краник в чашку из этого аспиратора G обеспечивается поступление воздуха из сосуда D в цилиндр аспиратора G. При этом через трубку А в сосуд D поступает новый воздух. Когда пузырьки воздуха из нижнего конца трубки А проходят через серный эфир, то он начинает испаряться, его температура понижается, и, наконец, достигает точки осаждения капелек воды из окружающего воздуха на серебряный колпак, которым обернута нижняя часть сосуда D. Краник для выпускания воды в аспираторе отпирают и запирают несколько раз, пока точно не получат появление капелек росы на серебряном колпаке при стабильной температуре. Показания двух термометров в этой точке позволяют по таблицам определить влажность воздуха.
При этом важно, что для того, чтобы точно выполнить замеры, полностью исключить влияние теплого дыхания лаборанта на процесс охлаждения сернистого эфира в сосуде. В гигрометре Реньо это достигается очень «просто» - лаборант наблюдает за термометрами и появлением капелек росы на серебряном колпаке издалека через увеличительную зрительную трубу! 

На этом мы завершим обзор истории изобретения гигрометров не химического типа. Подобные измерители влажности используют химические изменения в реагирующих веществах, их семейство разнообразно, но принцип их действия основан в первую очередь на химических изменениях, которые не рассматриваются в нашей популярной истории.

Литература к Главе 8.
8.1. В. Кучин, М. Соловьев  «Вода, активированная гиперзвуком», Екатеринбург: «Ридеро», 2021.
8.2. Harvey A. Zinszer,  «Meteorological Mileposts», «The Scientific Monthly», 1944, №4, стр. 261-264, American Association  for  the  Advancement  of  Science.
8.3. Альберти Леон Баттиста, «Десять книг о зодчестве», в 2 т., М.: 1935-1937.
8.4. Леонардо да Винчи «Избранные естественнонаучные произведения», М.: Изд. АН СССР, 1955.
8.5. «Micrographia: or, Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses». With observations and inquiries thereupon / By R. Hooke, London: Printed by Jo. Martyn and Ja. Allestry, printers to the Royal Society, and are to be sold at their shop at the Bell in St. Paul's Churchyard, MDCLXV (1665).
8.6. R. Boyle «An Account of a statical Higroscope and its Uses»,  «Philosophical Transactions», Vol. 8, pp 6127-6128, Royal Society, London: 1673.
8.7. A Description of Mr. John Coniers, Apothecary and Citizen, his Hygroscope, in two several Contrivances; «Philosophical Transactions», Vol. 11, pp 715-721, Royal Society, London: 1676.
8.8. «A letter from William Molyneux Esq; Sec. Of the Dublin Society; to one of the S. Of the R. S. Concerning a new Hygroscope, invented by him»,  «Philosophical Transactions», Vol. 15, pp 1032-1035, Royal Society, London: 1685.
8.9. Roger Pickering «A scheme of a diary of the weather; together with draughts and descriptions of machines subservient thereunto», «Philosophical Transactions», Vol. 44, pp 1-18, Royal Society, London: 1744.
8.10. William Arderon «Description of an improved Hygroscope»,  «Philosophical Transactions», Vol. 44, pp 95-96, Royal Society, London: 1746. 
8.11. «The Description of a New Hygrometer, invented  by James Ferguson»,  «Philosophical Transactions», Vol. 54, pp 259-260, Royal Society, London: 1764.
8.12. Jean  Henri Lambert,  «Essai d'hygrometrie ou Sur la mesure de l’humidite»,  Nouveaux Memoires de L'Academie Royal Des Sciences, рр. 68-127, Berlin: 1769.
8.13. Jean  Henri Lambert,  «Essai d'hygrometrie ou Sur la mesure de l’humidite»,  Nouveaux Memoires de L'Academie Royal Des Sciences, рр. 65-103, Berlin: 1772.
8.14. «Description of a new Hygrometer: By Mr. John Smeaton»,  «Philosophical Transactions», Vol. 56, pp 198-211, Royal Society, London: 1771.
8.15. «Account of a new Hygrometer By M. J.A. De Luc, Citizen of Geneva, F.R.S. and Correspond. Member of the Academies of Paris and of Montpellier»,  «Philosophical Transactions», Vol. 63, pp 404-461, Royal Society, London: 1773.
8.16. «A Second Paper on Hygrometry» By M. J.A. De Luc, «Philosophical Transactions», Vol. 81, pp 1-42, Royal Society, London: 1791.
8.17. Horace-Benedict de Saussure «Essais sur l’Hygrometie», A Neuchatel: Cyez Samuel Fauche Pere et Fils, Imprimeurs, Libraires du ROI, M.DCC.LXXXIII (1783).
8.18. К. Краевич, Учебник физики, СПб.: Тип. Министерства путей сообщения, 1880.

Рисунки к Главе 8.
Рис. 8.1. Чертежи гигрометров, созданных Леонардо да Винчи, [8.4.].
Рис. 8.2. Гигрометр Роберта Гука, сделанный из волокон овсюга, [8.5.].
Рис. 8.3. Гигроскопы Джона Коньерса, [8.7.].
Рис. 8.4. Гигроскоп Уильяма Молинье, сделанный из шнура от кнута, [8.8.].
Рис. 8.5. Метеорологические машины Роджера Пикеринга, [8.9.].
Рис. 8.6. Таблица наблюдений Роджера Пикеринга с помощью метеорологических машин, [8.9.].
Рис. 8.7. Гигроскоп Уильяма Ардерона, [8.10.].
Рис. 8.8. Гигрометр Джеймса Фергюсона, сделанный на сосновой доске, [8.11.].
Рис. 8.9. Гигрометр Ламберта, с поддерживающим проволочным винтом и чувствительным шнуром, свитым из кишечного материала, [8.12.].
Рис. 8.10. Графики метеорологических наблюдений Ламберта, [8.12.].
Рис. 8.11. Гигрометр Смитона на морской льняной веревке, [8.14.].
Рис. 8.12. Гигрометр Жана Делюка с трубкой из зуба слона, [8.15.].
Рис. 8.13. Гигрометр Жана Делюка на китовом усе [8.16.].
Рис. 8.14. Гигрометр Бенедикта де Соссюра на человеческом волосе, [8.17.].
Рис. 8.15. Портативный гигрометр де Соссюра на человеческом волосе, [8.18.].
Рис. 8.16. Лабораторный гигрометр Реньо с использованием серного эфира, [8.18.].