Погода интересует всех - [6]

Нашими знаниями о сущности атмосферного давления мы обязаны двум исследователям, которым удалось независимо друг от друга измерить это давление: итальянцу Эванджелиста Торричелли (1608–1647 гг.) и немцу Отто фон Герике (1602–1682 гг.).

Сейчас невозможно сказать, какие причины побудили Герике заняться поисками «пустоты», т. е. созданием сильно разреженного пространства. Своими опытами с воздушным насосом Герике установил, что «существует ничто, т. е. вакуум, из которого исходит какая-то мощная сила». Герике действительно удалось создать пустоту[6].

Однако его противники по-прежнему считали, что пустоты не существует.

Спор этот был разрешен с изобретением барометра. Герике пристроил к стене своего дома высокую трубу, нижний конец которой был погружен в сосуд с водой. Верхний ее конец находился на уровне второго этажа дома. К этому концу трубы Герике присоединил свой насос. После каждого движения поршня вода в трубе поднималась все выше. Следовательно, вместо вакуума в трубе оказался столб воды, который в конце концов поднялся до верхнего конца трубы. Это несколько смутило Герике. Почему не удалось создать вакуум? Может быть, труба была слишком короткой? Тогда Герике надставил трубу так, что длина ее достигла приблизительно 12 м — конец ее находился на уровне третьего этажа. Снова был пущен в ход насос, и опять вода в трубе начала подниматься. Но она достигла лишь некоторого уровня и выше не поднималась, несмотря на энергичную работу насоса. Герике нашел объяснение этому неожиданному явлению. Воду в трубу втягивает не какое-то таинственное вещество, а вес воздуха, который давит на жидкость в нижнем сосуде. Столб воды в трубе поднимается, пока его вес не уравновесит вес столба воздуха. Верхний конец столба воды располагался между третьим и четвертым этажом дома Герике. А над водой в трубе была пустота. Так было доказано, что не природа боится пустоты, а атмосферное давление является причиной того, что все «пустые» пространства заполняются воздухом.

Герике не только объяснил природу атмосферного давления, но также исследовал изменение его во времени. При приближении бури высота водяного столба в его барометре всегда была меньше, чем при хорошей погоде. Известно, что Герике заранее предсказал приближение сильной бури, которая нанесла Магдебургу значительный ущерб. В то время Герике узнал об опытах итальянца Торричелли, который создал вакуум с помощью трубки длиной всего 1 м, наполненной ртутью. Хотя Герике полагал, что его вакуум лучше, так как создан путем откачивания воздуха, все-таки впоследствии стандартным прибором для измерения атмосферного давления стал ртутный барометр Торричелли, в котором достигается гораздо более полный вакуум, чем в приборе Герике.

Заслуга Герике состоит в том, что он изобрел воздушный насос, сумел создать вакуум и впервые измерил атмосферное давление с помощью водяного барометра. Правда, пространство над водой в его барометре не являлось абсолютным вакуумом, оно заполнялось водяным паром. В зависимости от температуры окружающего воздуха давление водяного пара в трубке барометра становилось то больше, то меньше. Следовательно, высота столба воды в трубке не была однозначной мерой атмосферного давления. Кроме того, барометр, трубка которого имела высоту 12 м, был очень неудобен. Высота же ртутного столбика в барометре Торричелли была всего 80 см. Торричелли получил действительно идеальный вакуум, так как переворачивал трубку, запаянную с одного конца и заполненную ртутью, и погружал свободный ее конец в сосуд с ртутью.

На широкой сети современных метеорологических станций для измерения атмосферного давления используются ртутные барометры, действие которых основано на принципе, открытом Торричелли. Существует два типа ртутных барометров: чашечный и сифонный. Наиболее распространенным типом чашечного барометра является стандартный станционный метеорологический барометр[7]. Он состоит из железной чашки[8], трубки Торричелли, приспособления для отсчета и защитной латунной оправы. Когда атмосферное давление возрастает, часть ртути переходит из чашки в трубку и высота ртутного столбика в трубке увеличивается. Когда же давление падает, то часть ртути из трубки снова переливается в чашку. С помощью шкалы и нониуса высоту ртутного столба в трубке можно отсчитать с точностью до 0,1 мм, 0,1 мб, 0,1 торра или 1 н/м² в единицах СИ.

Около 100 лет тому назад один из изобретателей спектрального анализа, Р. В. Бунзен, переконструировал трубку Торричелли. Он придал ей U-образный изгиб. Если такую трубку заполнить ртутью, а затем осторожно перевернуть, то ртуть из трубки не выльется. Как и в чашечном барометре, атмосферное давление будет уравновешиваться столбом ртути. Барометр Бунзена, который стал называться сифонным барометром, — очень точный измерительный прибор. Для определения атмосферного давления таким барометром должна быть измерена высота уровня ртути в обоих коленах барометрической трубки. Благодаря этому атмосферное давление может быть определено сифонным барометром с точностью уже не до 0,1 мм ртутного столба, как чашечным, а до 0,01 мм.