Барометр

Барометр, прибор для измерения давления атмосферного воздуха. Устройство, как барометра, так и вообще приборов для измерения газового давления, может быть основано либо на принципе сообщающихся сосудов (в этом случае давление газа сравнивается с давлением столба жидкости), либо же на упругих свойствах твердых тел (в этом случае газовое давление измеряется деформацией упругой стенки, испытывающей это давление). Приборы первого рода дают во много раз большую точность показаний; поэтому они-то почти исключительно и употребляются в научных изысканиях. Им принадлежит и хронологическое первенство. Барометра этого типа был изобретен в 1643 г. знаменитым Торричелли, который не только наделил, таким образом, физику и метеорологию одним из важнейших измерительных приборов, но вместе с тем впервые установил верный взгляд на возможность осуществления пустоты и на роль воздушного давления. Торричеллиев опыт (который, впрочем, в первый раз был произведен, по указаниям Торричелли, его учеником Вивиани) в его наиболее убедительной форме производится так. Наполняют ртутью 2 стеклянные трубки, открытые с одного конца: одну — приблизительно в метр длиной, другую наполовину короче. Тщательно удалив воздух изнутри, закрывают каждую трубку пальцем и опрокидывают ее открытым концом в  чашку с ртутью; затем, поставив ее вертикально, отнимают палец. Короткая трубка вся остается наполненной ртутью, в длинной же ртуть несколько падает; здесь остается стоять ртутный столб высотой около 76 сантиметров, считая  от уровня ртути в чашке. Пространство над ртутью есть так называемая Торричеллиева пустота. Трубка с Торричеллиевой пустотой представляет первоначальную форму барометра. Столб ртути здесь уравновешивает давление, производимое воздухом на поверхность ртути в чашке; повышение ртутного столба соответствует повышению атмосферного давления и наоборот. При высоте столба в 76 см  и при температуре 0° это давление составит на каждый квадратный сантиметр 13,596 ∙ 76 = 1033,3 граммов, или (для уровня моря и широты 45°) 1 013 200 дин; при высоте барометра, равной b см, давление будет равно 13,596 ∙ b. гр. (число  13,596 есть удельный вес ртути при 0°). Давление в 1 013 200 дин на кв. см  (другими словами, в 76 см  ртутного столба при 0°, на уровне моря и на широте 45°) называют «одной атмосферой» или «нормальным давлением» и употребляют как единицу для измерения больших давлений. В сущности каждое место на земном шаре имеет свое нормальное давление, равное среднему давлению за достаточно длинный промежуток времени. В этом смысле нормальное давление на вершине Монблана равно 420 мм. Пределы, в которых может колебаться барометрическое давление в одном и том же месте, значительны; так в Петербурге за 55 лет наибольшая величина давления была 797,5 мм, наименьшая — 712,6 мм.

Формы барометров. Для устройства точных барометров чаще всего употребляется ртуть. Ртутные барометры бывают с чашечкой, сифонные и весовые. Чашечный барометр есть не что иное, как прибор Торричелли, усовершенствованный присоединением частей, дающих возможность делать точное измерение высоты ртутного столба. Отсчет ее производится по скале, разделенной чаще всего на миллиметры, причем нулевое деление скалы должно совпадать с уровнем ртути и чашке. Здесь возникает усложнение вследствие того, что этот уровень не остается постоянным, но повышается при понижении высоты столба в трубке (ибо ртуть переходит из трубки в чашку) и понижается в противоположном случае. Чтобы избегнуть происходящей от этого погрешности, приходится или употреблять очень широкую чашку (что, впрочем, весьма неудобно), или наносить на шкале «приведенные» деления, имеющие такую величину, что упомянутая погрешность является уже исключенной при непосредственном отсчете, или делать шкалу подвижную по вертикальному направлению (при помощи зубчатого колесика и шестерни), или же, наконец, делать дно чашки из замши (переносный барометр Фортена) или каучука: тогда, нажимая мягкое дно снизу особым винтом, можно всегда привести уровень ртути в чашке к нулевой точке шкалы. Отсчет высоты барометра часто делается при помощи нониуса.

Сифонный барометр имеет трубку, изогнутую в виде буквы U и напоминающую опрокинутый сифон (откуда и произошло его название). В верхнем конце высокого, запаянного колена трубки находится Торричеллиева пустота; короткое колено открыто, и здесь ртуть соприкасается с атмосферным воздухом. При отсчете измеряется разность высот ртути в двух коленах. К сифонным принадлежит барометр Вильда-Фюса (Wild-Fuess), весьма распространенный в России и за границей. На черт. 3 изображена слева верхняя его часть, справа — (в большем масштабе) нижняя. В этом барометре на железную чашку DD навинчено замшевое дно С, которое подымается помощью винта G, пропущенного сквозь отверстие в наружной медной оправе чашки. Верхняя часть этой чашки закрыта плотно пришлифованным усеченным железным конусом, в отверстие которого вмастичены 2 стеклянные трубки: одна широкая В (короткое колено сифонного барометра) занимает центральное положение и оканчивается на нижней плоскости конуса; другая — узкая трубка А помещена эксцентрично и пропущена в чашку, несколько ниже конуса. Обе трубки подымаются сначала вертикально, потом А нагибается к В, проходит сквозь отверстие в стенке ее, в расширение О, с верхним краем которого она спаяна. Начиная от места спайки, трубка А имеет такой же диаметр, как трубка В, и образует длинное колено сифонного барометра. В коротком колене В, несколько ниже расширения, находится перегородка, а тотчас под ней отходит короткая поперечная трубочка, снабженная железной оправой с винтовой нарезкою, на которую навинчивается крышечка S, выложенная внутри замшей, так что она герметически запирает отверстие трубочки. Для наблюдения верхней поверхности ртути служит подвижное кольцо N; на конце сделан вырез, на краю которого нарезан нониус, прилегающий к делениям шкалы, нанесенной на оправе. Поверхность ртути в коротком колене устанавливается при помощи внутреннего неподвижного кольца и прикрепленной к нему посеребренной полоски с 3 чертами, которые проведены так, что при совпадении средней из них с десятым миллиметром, на шкале барометра нижний край кольца совпадает с нулевым делением шкалы. Для отсчета приводят посредством винта G нижний уровень ртути в прикосновение с краем неподвижного кольца; затем передвигают верхнее кольцо до совпадения его края с ртутным мениском и отсчитывают показание нониуса. При перевозке барометра его замшевое дно подымают винтом G до тех пор, пока ртуть не покажется в отверстии короткого колена; затем крышка S плотно завинчивается, и инструмент оборачивается чашкой вверх. Барометр Вильда Фюса называют иногда чашечно-сифонным.

В весовом барометре Торричеллиева трубка подвешена к концу коромысла чувствительных весов; по изменению груза, действующего на другой конец коромысла и необходимого для уравновешения трубки вместе с находящеюся в ней ртутью, судят об изменении давления воздуха.

Чтобы ртутный барометр давал правильные показания, необходимо соблюсти ряд условий, а именно: 1) барометрическая трубка должна быть настолько широка, чтобы капиллярность, действующая на ртутный столб как давление сверху вниз, не оказывала заметного влияния; диаметр трубки должен быть не менее 5 мм, в более точных приборах —  не менее 15 мм. 2) Ртуть должна быть абсолютно чиста — как для соблюдения истинной величины ее удельного веса, так и во избежание загрязнения трубки изнутри. 3) Торричеллиева пустота должна быть свободна от малейших следов воздуха или водяного пара; с этою целью ртуть в барометре подвергают кипячению. 4) барометр должен быть установлен строго вертикально. 5) Чтобы преодолеть некоторую инертность ртутного столба, следует его перед каждым наблюдением приводить в движение; это делается или посредством особого приспособления, или же легким поколачиванием (также наклонением) прибора. 6) Отсчет должен производиться весьма точно и быть свободным от параллактической ошибки. Отсчитывать следует положение верхнего края мениска, которым оканчивается ртутный столб. Наконец, 7) шкала должна быть вполне точна, или же для нее должны быть известны поправки, полученные посредством сравнения с нормальным масштабом. Кроме деления на миллиметры иногда употребляется деление шкалы на английские дюймы; в следующей табличке сопоставлены соответствующие друг другу показания по двум системам:

Для того, чтобы отсчет высоты барометра, удовлетворяющего всем перечисленным условиям, мог быть сравниваем с другими отсчетами, сделанными в том же месте или в других местах земного шара, он должен предварительно подвергнуться ряду поправок. 1) Поправка на расширение ртути. При нагревании на 1° ртуть расширяется на 0,000181 объема, занимаемого ей при 0°; поэтому при температуре t° ртутный барометр даст показание в 1+0,000181t раз большее, чем барометр при 0° и том же давлении. Наблюденную высоту барометра принято приводить к температуре 0°. 2) Поправка на расширение шкалы. Под влиянием повышения температуры шкала также расширяется, и каждое деление увеличится в 1+αt раз, где α — линейный коэффициент расширения  шкалы; поэтому наш отсчет (число миллиметров) в 1+αt раз уменьшится сравнительно с истиной. Соединяя вместе обе поправки и обозначая непосредственный отсчет через b_t, а приведенную к 0° высоту барометра через b₀', будем иметь соотношение

b₀'= b_t(1+αt)/(1+0,000181t)

или, вследствие малости обоих коеффициентов расширения:

b₀'= b_t[1-(0,000181-α)t].

Для латунной шкалы α =0,000019. При латунной шкале и при комнатной температуре поправка на температуру составит около 2 ½  мм, т. е. величину весьма заметную. Эту поправку следует вычитать из наблюденной высоты барометра, когда температура выше 0°. Ради указанных поправок при барометре обыкновенно имеется термометр. 3) Поправка на изменение силы тяжести с высотой и широтой места. Вследствие изменения напряжения тяжести в различных местах земной поверхности ртуть в одном месте бывает тяжелее, чем в другом; следовательно, в одном месте показания барометра будут меньше, чем в другом, хотя давление — то же самое. Принято приводить величину b₀' к силе тяжести на широте 45° и на уровне моря. Поправка делается по формуле

b₀= b₀'(1-0,0026 cos 2φ-εh),

где b₀ — поправленный отсчет, Ф — широта места, h — высота места над уровнем моря в метрах; коэффициент ε составляет всего от 2 до 3 десятимиллионных, поэтому поправка на высоту места всегда весьма незначительна, и на 1 000 метров высоты составляет всего около ¼  мм. Кроме того, иногда делают еще 4) поправку на понижение ртутного столба вследствие капиллярности и 5) поправку на давление ртутных паров; эта последняя всегда весьма мала.

Нормальный барометр. Барометр, устройство которого вполне удовлетворяет всем выше изложенным требованиям, и который приспособлен к получению возможно точнейших результатов, называется нормальным. В Петербурге такие приборы имеются в Главной Физической Обсерватории (два) и в Главной Палате Мер и Весов (один).

Барометр  с другими жидкостями. Не раз были устраиваемы барометры водяные. Высота такого прибора достигает 11 метров. Один такой барометр был установлен на лестнице нового здания университета в Москве и существовал до перестройки здания в начале XX века. Подобный барометр имеет то преимущество, что небольшие изменения упругости воздуха отражаются у него значительным изменением высоты водяного столба, так что простым глазом легко можно следить часовой ход атмосферного давления. Зато причиной существенных погрешностей является здесь давление водяных паров над водой, в особенности вследствие сильной зависимости упругости их от температуры. От этого недостатка свободен устроенный Иорданом глицериновый барометр. Средняя высота барометрического столба здесь — 8,2 метра; колебания уровня в 11 раз значительнее, чем у ртутного барометра. Строили также смешанные барометры (из двух жидкостей).

Анероидные, или металлические барометры. Так называются барометры, в которых воздушное давление измеряется деформацией упругих пластинок. Эти весьма распространенные в житейской практике инструменты не могут претендовать на точность показаний по трем главным причинам. Во-первых, упругие деформации твердых тел изменяются с течением времени сложным, еще недостаточно изученным образом; поэтому заключение от данной деформации к имеющемуся в данный момент деформирующему воздействию не является достаточно точным. Во-вторых, здесь трудно оценить влияние температуры. В-третьих, механическое осуществление принципа сопряжено с погрешностями, зависящими от трения и т. п. Поэтому анероидные барометры должны быть возможно чаще сверяемы с ртутными.

Существует немало различных форм анероидов. Коробочный или голостерический барометр Види (1847) состоит из металлической коробки с волнистой крышкой (рис. 2). Воздух из коробки выкачан. С изменением давления наружного воздуха крышка или вдавливается глубже, или же выпрямляется. Эти, довольно малые, движения при помощи рычагов и цепочек вызывают заметное перемещение стрелки, которая ходит по дуге с делениями. Сверяя показания такого барометра с нормальным, ставят на дуге против соответствующих положений стрелки числа, выражающие атмосферное давление в миллиметрах или дюймах. В анероиде Бурдона (1854) коробка заменена дугообразной трубкой с эллиптическим сечением; при увеличении давления концы трубки сближаются, а при уменьшении — расходятся. Система рычагов и зубчатых колес передает это движение стрелке. Наиболее точным из анероидов является коробочный барометр Гольдшмида. Здесь нет рычагов; отсчет производится при помощи лупы и микрометрического винта. Этот барометр особенно удобен в путешествии.

Кроме указанных двух главных типов барометров, употребляются еще иные формы их частью для удовлетворения специальных потребностей (например, для воздухоплавателей). Упомянем здесь так называемый термобарометр или гипсотермометр, представляющий собой чувствительный термометр с шкалой примерно от 80 до 105 градусов. Такой термометр опускают в пары кипящей воды, замечают температуру кипения и по ней в таблицах Реньо читают соответствующее давление воздуха.

Барометр  как средство к предугадыванию погоды. Наблюдениями установлено, что в северной и средней Европе значительное падение атмосферного давления очень часто является предвестником бурной и дождливой погоды, а зимой и предвестником снега; относительно же высокое давление указывает на ясную погоду. Однако, на основании одних показаний барометра невозможно составить себе точное понятие о предстоящей погоде.

А. Бачинский.