Ртутный барометр

Ртутный барометр — это прибор для измерения атмосферного давления, действие которого основано на уравновешивании давления столба ртути атмосферным давлением. Является одним из первых и наиболее точных типов барометров, сыгравшим ключевую роль в развитии метеорологии и физики. В отличие от анероидов, ртутный барометр использует жидкий металл, что обеспечивает высокую стабильность показаний, но требует осторожности в обращении из-за токсичности ртути.

Принцип действия

Работа ртутного барометра основана на опыте Эванджелисты Торричелли, проведённом в 1643 году. Прибор представляет собой запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около 80–90 см, заполненную ртутью и опрокинутую открытым концом в чашу с ртутью. Атмосферное давление, действуя на поверхность ртути в чаше, уравновешивает столб ртути в трубке. Высота этого столба (в миллиметрах или дюймах) прямо пропорциональна атмосферному давлению.

В стандартных условиях (на уровне моря, при температуре 0 °C) нормальное атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст. (1013,25 гПа). При повышении давления столб ртути поднимается, при понижении — опускается. Пространство над ртутью в запаянной части трубки называется «торричеллиевой пустотой» — это область, практически лишённая воздуха, где давление паров ртути крайне мало.

Конструкция

Классический ртутный барометр состоит из следующих основных элементов:

• Стеклянная трубка — запаянная сверху, с внутренним диаметром 5–10 мм. Изготавливается из термостойкого стекла.
• Чаша с ртутью — резервуар, в который погружён открытый конец трубки. Чаша может быть открытой (для чашечных барометров) или закрытой (для сифонных).
• Шкала — градуированная линейка, обычно от 700 до 800 мм рт. ст., с делениями в 1 мм. Для точных измерений шкала может быть снабжена нониусом.
• Защитный кожух — металлический или деревянный корпус, предохраняющий трубку от повреждений и обеспечивающий вертикальное положение прибора.
• Термометр — встроенный для коррекции показаний, так как плотность ртути меняется с температурой.

История

Изобретение и первые опыты

Идея использования ртути для измерения давления воздуха принадлежит итальянскому физику Эванджелисте Торричелли. В 1643 году он совместно с Винченцо Вивиани провёл эксперимент, в котором заполнил ртутью метровую стеклянную трубку, перевернул её и опустил в чашу. Уровень ртути в трубке опустился до высоты около 76 см, оставив над собой пустоту. Торричелли первым объяснил это явление давлением атмосферы, а не «боязнью пустоты» (horror vacui), как считалось ранее.

Распространение и совершенствование

В 1648 году французский учёный Блез Паскаль повторил опыт Торричелли на вершине горы Пюи-де-Дом, показав, что давление с высотой уменьшается. Это стало экспериментальным доказательством существования атмосферного давления. В XVIII–XIX веках ртутные барометры стали основным инструментом метеорологов. В России первые систематические наблюдения с их помощью начались в 1725 году в Санкт-Петербургской академии наук.

Вытеснение анероидами

В XX веке ртутные барометры начали постепенно вытесняться более безопасными и компактными анероидными барометрами, а позже — электронными датчиками. Однако в метрологии и на метеостанциях они продолжали использоваться как эталонные приборы до начала XXI века из-за своей точности и стабильности.

Классификация

Ртутные барометры делятся на несколько типов в зависимости от конструкции:

• Чашечный барометр — наиболее распространённый тип. Трубка погружена в открытую чашу. Высота столба отсчитывается от уровня ртути в чаше до верхнего мениска.
• Сифонный барометр — имеет U-образную трубку, одно колено которой длинное и запаянное, другое — короткое и открытое. Давление определяется по разности уровней в обоих коленах.
• Сифонно-чашечный барометр — комбинированный тип, в котором чаша соединена с сифоном. Используется для повышения точности.
• Станционный барометр — лабораторный прибор с высокой точностью, часто снабжённый компенсатором температуры и нониусом.
• Морской барометр — имеет суженный канал в трубке для уменьшения колебаний ртути при качке.

Применение

Метеорология

До середины XX века ртутный барометр был основным инструментом для измерения атмосферного давления на метеостанциях. Данные с его помощью использовались для прогнозирования погоды: падение давления указывало на приближение циклона и ухудшение погоды, рост — на антициклон и улучшение.

Научные исследования

В физике и геофизике ртутные барометры применялись для калибровки других приборов, изучения зависимости давления от высоты, а также в экспериментах по вакуумной технике. В России эталонные ртутные барометры хранятся в Государственном первичном эталоне единицы давления (ГПЭ-1).

Медицина и техника

В XIX веке ртутные барометры использовались в медицинских исследованиях для изучения влияния атмосферного давления на организм человека. В технике они применялись в барометрических высотомерах и манометрах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая точность и стабильность показаний при правильной калибровке.
• Долговечность — при аккуратном обращении прибор может служить десятилетиями.
• Простота принципа действия, не требующая сложной электроники.
• Возможность использования в качестве эталонного средства измерения.

Недостатки

• Токсичность ртути — при разгерметизации прибора возникает опасность отравления парами. В России с 2014 года введены ограничения на оборот ртутьсодержащих приборов в быту.
• Хрупкость стеклянной трубки — требует осторожного обращения.
• Громоздкость и чувствительность к вибрациям.
• Зависимость показаний от температуры (необходимость введения поправок).
• Невозможность использования на подвижных объектах (самолётах, кораблях) без специальных демпферов.

Современное состояние

В настоящее время ртутные барометры практически вытеснены из массового использования. В метеорологии их заменили цифровые датчики давления, а в быту — анероиды и электронные приборы. Однако в некоторых метрологических лабораториях и музеях они продолжают использоваться как эталонные или экспонаты. В России производство ртутных барометров для гражданского рынка прекращено, но они могут применяться в научных учреждениях при наличии специальных разрешений.

Интересные факты

• Ртутный барометр был первым прибором, который позволил количественно измерить атмосферное давление.
• В 1644 году Торричелли заметил, что высота ртутного столба меняется в зависимости от погоды, что стало началом научной метеорологии.
• В России старейший сохранившийся ртутный барометр XVIII века находится в Кунсткамере в Санкт-Петербурге.
• В 1970-х годах были разработаны ртутные барометры с автоматической коррекцией температуры, но они не получили широкого распространения.
• В некоторых странах (например, в Швеции) ртутные барометры до сих пор используются в качестве официальных эталонов давления наряду с лазерными интерферометрами.

Источники

• Торричелли Э. «Опыт о давлении воздуха» (1644)
• Паскаль Б. «Трактат о равновесии жидкостей» (1663)
• Холл А. Р. «История метеорологии» (1960)
• Государственный первичный эталон единицы давления (ГПЭ-1), ФГУП «ВНИИФТРИ»
• «Ртутные барометры: устройство и применение» — учебное пособие для метеорологов (1985)
• Постановление Правительства РФ № 1075 от 28.10.2014 «Об ограничении оборота ртутьсодержащих приборов»