Из школьных уроков физики мы знаем, что атмосферное давление не является постоянной величиной. Оно варьируется в зависимости от погодных и климатических условий, что в свою очередь связано с изменениями температуры, влажности и другими факторами. Именно изменения давления в различных слоях атмосферы играют ключевую роль в предсказании изменений в погодных условиях.
Барометр — прибор для измерения атмосферного давления
Барометр — это прибор, предназначенный для измерения давления воздуха на окружающие предметы и был изобретен в XVII веке выдающимся итальянским физиком Э. Торричелли. Первый барометр выглядел как маркированная стеклянная трубка, внутри которой находилась ртуть. При измерении уровня ртутного столба фиксировалось значение равное 760 мм, которое сейчас считается нормой; именно от него отталкиваются для оценки любых изменений давления. Этот тип приборов до сих пор широко используется на метеостанциях и в научных лабораториях благодаря своей высокой точности и надежности.
Два века спустя, после множества экспериментов и с учетом работ выдающегося немецкого ученого Якоба Лейбница, французский инженер и изобретатель Люсьен Види создал усовершенствованный барометр-анероид (гаусс от греческого «aneuros», означающего «без влаги»). Это устройство оказалось намного безопаснее в использовании и значительно легче по весу, что сделало его популярным как среди профессионалов, так и среди любителей погоды.
На сегодняшний день существует несколько типов барометров:
Принцип работы барометра
Жидкостный барометр, как правило, представлен в виде системы стеклянных трубок, которые функционируют как сообщающиеся сосуды, в соответствии с основными физическими законами гидростатики. Эти трубки заполнены ртутью или другими достаточно легкими жидкостями, такими как глицерин или масло, что позволяет эффективно измерять давление.
Чашечный барометр представляет собой стеклянную трубку с закрытым концом и чашкой. Показания давления определяются путем измерения высоты столба жидкости, который начинается на уровне чашки и заканчивается на верхнем конце мениска, позволяя увидеть изменения давления с высокой степенью точности.
Сифонный барометр
Сифонный барометр представляет собой трубку с закрытым длинным краем и сифонную чашку, в которой имеется две трубки: одна открыта, а другая закрыта. Измерение давления воздуха в этом устройстве выполняется путем определения разницы в высоте столба жидкости между двумя трубками. Это позволяет получить точные результаты, не прибегая к использованию ртути.
Классификация и виды
На практике существует три основных типа барометров, каждый из которых имеет свой уникальный принцип действия при измерении атмосферного давления:
- Ртутный барометр. Этот тип барометра состоит из вертикальной стеклянной трубки с откалиброванной шкалой. Верхний конец запаян, в то время как нижний помещен в небольшую чашку с ртутью. Ртутные барометры часто используются как в образовательных учреждениях, так и в профессиональных лабораториях. Важно отметить, что аналогично работает и менее точный водяной барометр, но в нем вместо ртути используется подкрашенная вода, что делает его более безопасным для использования.
- Барометр-анероид. Это устройство не содержит жидкости; оно основано на принципе работы гибкой металлической коробки, часто называемой анероидной капсулой, которая сделана из сплава бериллия и меди. Изменения атмосферного давления за пределами коробки вызывают её расширение или сжатие, что отображается на шкале прибора.
- Электронный барометр. Эти устройства являются современными и широко используются в быту и профессиональных метеостанциях. Они работают на основе чувствительного узла обнаружения, который реагирует на изменения давления воздуха, и предоставляют точные цифровые данные.
Помимо этих основных типов, существуют также импровизированные барометры, которые могут дать достаточно точные результаты для практического наблюдения за погодными условиями.
Как работает барометр?
Работа ртутного барометра основана на изменении положения ртутного столба в зависимости от атмосферного давления. Уровень давления принимается за ноль на уровне моря, и при этом в условиях циклонической активности давление обычно понижается, что приводит к уменьшению высоты ртутного столба. Напротив, когда циклон сменяется контрциклом, происходит повышение атмосферного давления, что приводит к увеличению высоты ртутного столба в трубке барометра.
В анемометре одним из показателей изменения давления служит линейное расширение материала диска. Для этих целей существует множество сплавов, обладающих определенными коэффициентами линейного расширения. Наиболее распространены немагнитные, коррозионностойкие сплавы на основе никеля, такие как 36НХТЮ (ЭИ702), и бериллиевая бронза БрБ2.
Те же марки сплавов используются в регистрирующих датчиках электронных барометров, где результаты изменения их размеров отображаются на экране. При этом электронные барометры также учитывают колебания температуры воздуха. Это в свою очередь влияет на электропроводность используемого материала. Изменение емкости связанно с изменениями в интенсивности электрического тока, проходящего через датчик, который фиксирует колебания атмосферного давления.
Таким образом, можно утверждать, что ртутные барометры, анемометры и цифровые барометры функционируют на основе одного и того же физического принципа: расширение и сжатие в зависимости от изменений температуры окружающей среды, хотя в каждом случае это происходит по-разному.
Как пользоваться барометром?
Точность измерений, получаемых с помощью барометра, зависит не только от самого прибора, но и от условий, в которых он установлен. При установке барометра необходимо придерживаться нескольких рекомендаций:
- Помещайте барометр в затененное место, вдали от источников тепла, чтобы избежать искажений показаний из-за температурных колебаний.
- Избегайте установки прибора в местах, подверженных воздействию ветра или сквозняков.
- Барометр должен располагаться на твердой и ровной поверхности, что является особенно важным моментом для ртутных и водяных барометров.
Некоторые современные барометры для домашнего использования, такие как Utyos BTK-CH, помимо своей высокой точности, обладают привлекательным дизайном, что позволяет использовать их как декоративные элементы интерьера. В таких приборах предусмотрена стрелка, движение которой дает возможность следить за изменениями давления.
Барометр БАММ-1 представляет собой более простой по конструкции прибор, предназначенный для использования на метеорологических станциях. Он не содержит пружин, что делает его менее требовательным к условиям эксплуатации, сохраняя при этом точность, сопоставимую с электронными барометрами.
Контрольный барометр М-67 отличается высокой точностью показаний и оснащен дисплеем, однако его конструкция предельно проста, так как он имеет только горизонтальное рабочее положение, что в некоторых ситуациях может быть не совсем практично.
Типы барометров
Барометры можно классифицировать на две основные группы: механические и электронные. Поскольку мы знаем, что самый простой барометр был создан уже давно, важно рассмотреть различные варианты устройств, существующих на рынке сегодня. Даже в 21 веке производители продолжают выпускать усовершенствованные модели, которые отличаются высоким уровнем функциональности и точности.
Механический барометр
Механические барометры, основанные на использовании ртути, более известны как ртутные. В связи с токсичностью ртути, использование механических барометров в домашних условиях считается опасным. Поэтому в быту чаще применяются безжидкостные механические барометры, известные как анаэройдные, которые, как правило, имеют более доступную цену.
На задней стороне каждого механического барометра располагается регулировочный винт. Регулярная настройка винта позволит повысить точность измерений устройства, что крайне желательно для применения в метеорологии.
На передней панели обычно имеется ещё один указатель, который работает независимо от основного механизма. Такой индикатор можно активировать исключительно вручную.
С помощью переднего дисплея можно отслеживать изменения атмосферного давления в течение нескольких дней.
Чтобы записать текущее показание, необходимо совместить индикаторы (основной и вспомогательный) правильным образом. Постоянно контролируя положение этих индикаторов, можно следить за изменениями погоды.
Механические барометры выпускаются как в настольном, так и в настенном исполнении, и часто используются в учебных заведениях, таких как школы и университеты, а также в офисах.
Электронный барометр
Современные электронные барометры функционируют благодаря анемометрам; сигнал от этих устройств преобразуется в электрический потенциал, который обрабатывается микропроцессором. Эти барометры предоставляют четкие данные для пользователя.
Дисплей таких приборов очень удобен для восприятия и легко читается. Пользователь может настроить отображение нужной информации в зависимости от личных предпочтений.
Среди современных электронных барометров есть модели, обладающие дополнительными функциями. К ним относятся:
- актуальный прогноз погоды на ближайшее время;
- история изменений атмосферного давления и температуры воздуха за прошедшие сутки;
- термометр;
- дата и текущее время;
- подсветка для использования прибора в условиях низкой освещенности;
- защита от механических повреждений и влаги.
Некоторые из моделей электронных барометров легки и компакты, что позволяет им выполнять функции портативной метеостанции. Такие устройства могут быть особенно полезны для охотников и рыболовов, которые ценят точные данные о погоде на природе.
Электронные барометры отображают атмосферное давление в миллибарах (где оптимальное значение составляет 1013) или в гектопаскалях (что соответствует 1013 гПа). В странах СНГ принята стандартизация ртутного миллибара со значением по умолчанию в 760 мм рт. ст.
Советы по настройке барометра
Корректная настройка барометра имеет большое значение. Вот несколько советов, которые помогут в этом:
- Сначала необходимо выяснить точное значение текущего атмосферного давления на вашем уровне.
- Используйте регулировочный винт, который расположен на задней стороне прибора, для установки верной настройки.
- Отверткой следует осторожно подвести основную стрелку к величине атмосферного давления. В некоторых случаях регулировочный винт может быть неэффективен, и тогда манипуляции должны проводиться с самой шкалой.
- В случае необходимости, в показания барометра нужно вносить поправки, ориентируясь на руководство пользователя, прилагающееся к прибору.
Надёжная эксплуатация данного устройства невозможна без предварительных настроек. Для этого рекомендуется дважды в день в одно и то же время фиксировать значения. При изменяющихся погодных условиях частоту измерений стоит увеличить до двух раз в час. Перед каждым действием желательно аккуратно постучать по стеклу барометра, чтобы уменьшить трение на приводе стрелки, что поможет обеспечить точную фиксацию показаний.
Особенности трактовки данных
Барометр демонстрирует изменения атмосферного давления. Если давление падает, это может хуже влиять на погодные условия, тогда как его рост предвещает улучшение погоды. При трактовке данных следует учитывать следующие аспекты:
- Постепенное снижение атмосферного давления может означать ухудшение погоды, которое проявится через 6-12 часов в виде ненастья или порывистого ветра.
- Резкое падение давления обычно предшествует началу грозы или шторма, что требует особого внимания.
- Стабилизация атмосферного давления чаще свидетельствует о прекращении дождей, ослаблении ветерка и общем улучшении погодных условий.
Зимой высокие показатели барометра указывают на холодную погоду, тогда как низкое давление может предвещать теплую погоду и дожди. Летом, напротив, повышение давления может указывать на приближающуюся жару, тогда как снижение сигнализирует о вероятности похолодания или дождя. В спокойные погодные дни максимальные значения давления приходятся на 10 утра и 10 вечера, а минимумы — на 16.00.
На сегодняшний день пользование барометрами остается актуальным для широкого круга людей. С помощью современных барометров можно быстро и точно определить текущие условия погоды и предсказать своё взаимодействие с природой.
