Загадка штормгласса — домашней метеостанции на элементной базе начала XIX века

    Статьи про изготовление и использование домашних метеостанций публикуют на Гиктаймс регулярно. Я решил не отставать от тренда и тоже написать рассказ о метеостанции, которая висит у меня за окном — о штормглассе.

    Если кратко, то штормгласс — это колба с раствором камфоры, использовавшаяся для наблюдения за погодой в XIX веке. Информации в сети о нём немало — но описания принципа работы обычно сводятся к эзотерическому «не получил полного научного объяснения». Несколько лет назад я прочитал о штормглассе, заинтересовался, сделал себе такой, несколько дней экспериментировал дома, потом повесил склянку за окно и уже второй год наблюдаю за её поведением в реальных условиях.


    Такие штормглассы продают на ebay — кристаллы выглядят красиво, но по их виду я могу сказать, что штормгласс использовался вхолостую, и погоду сейчас не показывает.

    Объяснение принципа работы оказалось невероятно простым, а сам прибор — достаточно чувствительным, чтобы я мог, глянув на него, понять, как нужно одеваться, выходя из дома.

    Штормгласс известен во многом благодаря капитану Фицрою, тому самому, который возил Дарвина в кругосветное путешествие. В двух словах, штормгласс — это раствор камфоры в разбавленном спирте, с добавками неорганических солей. Раствор нестабилен, и при изменении погодных условий из него выпадают кристаллы камфоры, по количеству и форме которых можно судить о погоде.
    Внятных объяснений принципа работы штормгласса я в интернете не нашёл, но, в целом, было понятно, что основные «действующие факторы» погоды — температура, давление, влажность, инсоляция, а также, возможно, что-нибудь вроде электромагнитного поля. Известно, что в старых метеостанциях штормглассы обычно представляли собой запаянные колбы, а значит, давление и влажность они измерять не могли. В видимой части спектра раствор штормгласса прозрачен, а ультрафиолет стеклянная колба пропускает плохо, поэтому реакция на солнечный свет тоже маловероятна. Исключить влияние на раствор электромагнитных полей или неизвестных науке факторов было сложнее — но мне, всё же, казалось, наиболее вероятным, что штормгласс реагирует на колебания температуры.


    Мой штормгласс показывает, что сейчас прохладно и постепенно холодает.

    Обо всём этом я размышлял ещё до изготовления своей склянки. Первые же эксперименты показали мою правоту. Дело в том, что растворимость камфоры в смеси спирта и воды сильно зависит от температуры: достаточно чуть подогреть раствор, и он станет прозрачным, достаточно охладить его — и вся колба наполнится белыми хлопьями камфоры. Заодно стал понятен и принцип, по которому подбирался состав раствора: соотношение количеств спирта и воды взято такое, чтобы в тёплую погоду большая часть камфоры растворялась, а в холодную — выпадала в осадок; тогда при изменении температуры количество хлопьев камфоры будет изменяться наиболее заметно. Минеральные же соли нужны для того, чтобы повысить плотность раствора; благодаря добавлению этих солей плотность раствора оказывается примерно такой же, что и плотность выпавших кристаллов камфоры — то есть растущие в толще раствора кристаллы не будут тонуть, и их будет видно лучше всего.

    Это были общие слова. Теперь немного наблюдений:
    • Самый очевидный факт: количество кристаллической камфоры на дне склянки зависит от температуры. Чем холоднее, тем слой толще. При этом со временем выпавший слой уплотняется, поэтому плотный слой на дне показывает примерную температуру последних недель, а по изменению толщины рыхлого свежего слоя легко оценить, насколько сегодня холоднее этого среднего уровня.
    • При медленном похолодании на дне склянки начинают расти игловидные кристаллы. При потеплении, наоборот, иглы кристаллов растворяются, и придонный слой выглядит как рыхлый тающий снег.

      Медленное похолодание: прозрачный раствор и иглы камфоры. Чем игл меньше и чем они длиннее — тем медленнее опускалась температура. Помните первую фотографию штормгласса серийного изготовления? Там иглы очень длинные и красивые — видимо, штормгласс охлаждали очень медленно и осторожно — возможно, даже в термостате.

    • При более быстром похолодании кристаллы камфоры выпадают в осадок не только на дне, но и по всему объёму склянки — они выглядят как парящие в толще снежинки.

      Умеренно быстрое холодание — идёт снег.

    • А когда холодает совсем быстро, не успевают вырастать даже снежинки, весь раствор разом мутнеет и становится похожим на Швепс.
      Швепс. Раствор в штормглассе мутный — так он выглядит при резком похолодании; на дне лежит желтоватый слой слежавшейся камфоры; слой этот тонкий, то есть сейчас достаточно тепло.


    В комментариях возник вопрос: «как размер кристаллов связан со скоростью изменения температуры?»
    Так вот, если объяснять на пальцах,
    то частицы всегда предпочитают встраиваться в крупные кристаллы (так же, как маленькие капельки воды предпочитают собираться в большие — так энергия поверхностного натяжения меньше). Если температура падает медленно, то молекулы успевают найти большие кристаллы и осесть на них. Если температура падает быстро, то у молекул нет времени найти большие кристаллы, и они осаждаются на первые попавшиеся — и получается много мелких кристалликов на дне. А если холодает совсем уж резко, то молекулы вообще не ищут кристаллы, а сливаются друг с другом, и возникает взвесь кристалликов камфоры в растворе.

    Кстати, если потом долго ждать, то со временем молекулы могут перегруппироваться в крупные кристаллы — с этим связан рост кристаллов сахара в варенье, описанный в комментариях, и то, что весенний снег состоит не из снежинок, а из крупных кусочков льда.


    Конечно, для полноценного предсказания погоды одного наблюдения за динамикой температуры недостаточно — собственно, с этой задачей не очень хорошо справляются даже современные метеорологи, имеющие мощнейшие компьютеры и сеть метеорологических станций, опутавшую всю планету. Но в условиях начала XIX века, когда даже банальнейший термограф казался высокотехнологичным прибором — и в условиях моря, когда термограф нужно было как-то защищать от корабельной качки, — функции штормгласса оказывались востребованными.

    Теперь немного про изготовление штормгласса:
    За основу я взял рецепт из Википедии:
    10 г камфоры (D-изомера или натуральной)
    2,5 г калийной селитры
    2,5 г нашатыря
    33 мл дистиллированной воды
    40 мл спирта.

    Калийная селитра и нашатырь — это нитрат калия и хлорид аммония соответственно, их можно купить в хозяйственном магазине. 10% раствор камфоры продаётся в аптеке.
    Концентрация камфоры не слишком принципиальна — я читал про штормглассы, сделанные напрямую из аптечного 10% раствора. Но, если вы (как и я) не хотите слишком далеко отходить от рецепта, добавьте в аптечный раствор камфоры воду — камфора немедленно выпадет в осадок в виде крупных плотных хлопьев, которые легко отфильтровать (например, нетканой салфеткой), подсушить (учтите, что камфора улетучивается при сушке, и брать её надо с запасом) и растворить в спирте заново, до нужной концентрации.
    Если соли вы брали в хозяйственном магазине, они, скорее всего, грязные, и их стоит перекристаллизовать. Это тоже просто: берёте кипящую воду (лучше дистиллированную, из магазина автозапчастей), засыпаете в неё столько соли, чтобы она перестала растворяться, отстаиваете раствор (а лучше фильтруете его через ту же нетканую салфетку), охлаждаете его до комнатной температуры, собираете выпавший на дно осадок солей и тоже высушиваете его.
    Теперь смешиваете компоненты в нужной пропорции, и получаете условно-рабочий штормгласс.


    Ещё один штормгласс с красивыми кристаллами. Если ваш будет стоять в комнате, а не висеть за окном, то в нём может вырасти что-то похожее.

    «Условно» — потому, что его стоит ещё и откалибровать под вашу погоду. Это немного занудно, но тоже несложно: возьмите получившуюся смесь, медленно нагрейте её до той температуры, которую вы хотите сделать максимальной рабочей температурой — например, до такой, какую в умеренно жаркий летний день показывает висящий за вашим окном термометр. Теперь добейтесь того, чтобы на дне ёмкости со смесью осталось совсем немного камфоры: если камфора растворилась вся, при постоянном перемешивании добавляйте к раствору по каплям воду — пока на дне не появится немного осадка; учтите, что осадок будет выпадать с каждой каплей, но до какого-то момента он будет растворяться при перемешивании. Если осадка слишком много — наоборот, добавляйте спирт.
    Наверное, можно также откалибровать раствор и по плотности, но небольшое отклонение плотности от требуемой мало влияет на работу штормгласса, поэтому я обошёлся без этого этапа.
    Всё! Раствор готов! Залейте его в склянку с притёртой пробкой (оставьте в склянке немного воздуха, чтобы раствор мог расширяться при нагревании), запечатайте герметиком (рекомендую взять силиконовый — раствор достаточно активен, и вакуумную смазку, например, растворил у меня за год, ещё и пожелтел, в результате), повесьте за окном рядом с термометром — и следите за растущими и растворяющимися кристаллами.

    Приятного наблюдения!
    Поделиться публикацией
    Комментарии 44
      +2
      Спасибо за статью, интересно было почитать.)
      Три вопроса возниклою
      1. Какой у него «горизонт планирования» — день, два, три, неделя, месяц?
      2. Он только температуру умеет определять или осадки тоже? Отличает ли сильный снег от небольшого, дождь от града?
      3. Точнее предсказывает, чем Гисметео?)
        +6
        Пожалуйста!
        Возможно, я не очень чётко написал, но эта штука по возможностям всего лишь немного дополняет термометр.
        1). «Назад» можно достаточно точно сказать, как менялась температура в последние часы, и менее точно — в последние день-два. «Вперёд» — ну, насколько вы можете предсказать погоду, если знаете, как менялась температура в последние часы? Вот настолько.
        2). Только температуру, остальное — косвенно.
        3). Он вообще не предсказывает, он измеряет, :-).
          +1
          В школьные годы тоже ставил эксперименты над «штормовым стеклом».
          Из наблюдений выявил следующее:
          — регистрирует текущую погоду — никаких предсказаний;
          — реагирует на магнитное поле (достаточно поднести даже слабый магнит, как кристаллы через несколько часов изменят свою структуру)
          Эксперимент проводил с помощью 3х пробирок (спонсор эксперимента — преподаватель химии). Все пробирки находились внутри квартиры непосредственно у окна (2 на западной стороне дома, одна из которых с магнитом, третья на восточной).
          Показания пробирок без магнита первые недели совпадали, со временем начали отличаться (вероятно из-за разгерметизации пробирки с восточной стороны дома). Состояние пробирки с магнитом отличалось от других из-за наличия кристаллов вызванных наличием магнита, но в целом изменялось по тем же принципам, что и в остальных.
          Если магнит убрать от пробирки, то кристаллы со временем становятся как в других склянках.
          Каких-то определенных зависимостей между погодой и выпадением кристаллов (по форме, интенсивности и виду) вывести не удалось из-за отсутствия полных данных о погоде в точке измерения (атм. давление, направление и сила ветра, влажность воздуха, состояние магнитного поля Земли).
          +30
          Судя по принципу его работы, он
          1. Не планирует, только показывает текущую обстановку и немного «истории»
          2. Осадки может показывать по такому-же принципу, как этот
          камень
          image

          3. см п1.
            +2
            Ага, именно так.
          +1
          Осталось вебкамеру к бутылке прикрутить и вывести поверх картинки температуру.
            0
            ну и OpenCV на Ардуине (но не потянет — тогда по нарастающей — ESP8266, STM32...)
              +1
              У меня штормгласс. Купил на али за 30USD.
              В итоге, сейчас для меня это скорее элемент декора, чем действительно полезная вещь.
              В наше время мы все привыкли к шкале показателей, цифрам, градусам и т.д. А штормгласс показывает только кристалики.
              Если на улице январь — кристаликов много. Если июнь — колба прозрачная, кристаликов нет. Все это очень красиво! но, увы, не информативно.
                +6
                Ну да, с чисто практической точки зрения он не очень функционален. Поэтому, собственно, штормглассы на практике применять и перестали.
                  0
                  Чего греха таить — сам баловался. В детстве прочитал в каком-то популярном журнале (как раз в фазе открытия всего, уфологии, астрологии и прочего) о самодельном барометре из большой лампочки (колба) и подкрашенной синькой воды. Спустя некоторое время и я сам, и отец научились по виду капелек в верхней части колбы делать краткосрочный (ну, на день-два, не больше) прогноз погоды.
                    0
                    Было такое дело. Лампочка даже предсказывала кол-во осадков довольно успешно.
                      0
                      в приложении к Юному Технику была статья про него… и рецепт похожий как у автора. за 89 (+-2 года)год, если не ошибаюсь.
                      +1
                      Надо взять лампочку, направить на нее веб-камеру. Потом ко всему этому привязать данные о текущей погоде. По результатам записей за какое-то время можно обучить нейронную сеть.

                      Ну и в результате выпустить на рынок дивайс, который будет предсказывать погоду, а в качестве чувствительного элемента там будет лампочка с синькой :-)

                      Я, кстати, серьезно!
                      +2
                      Это мы просто привыкли к цифрам. Думаю, можно и к такому прибору привыкнуть, если им пользоваться чаще, чем термометром и гисметео. Вот например, на улице дождь идёт. Насколько сильный этот дождь? Есть ли прибор, который в цифрах покажет? Но выглянув в окно, можно вполне определённо сказать «чуть моросит», «дождь», «сильный дождь», «ливень», или даже «бл***! что творится-то!!» (как у нас сегодня было). Вот и глядя на штромгласс можно тоже примерно так и выражать температуру — тепло, холодно, и т.п. Да ещё интуитивно (со временем) можно и предсказывать погоду, зная текущую и предыдущую.
                        +4
                        Просто в цифрах удобнее.

                        >Насколько сильный этот дождь? Есть ли прибор, который в цифрах покажет?
                        Разумеется. Стакан с линейкой. Или, по научному, осадкомер. Если не охота ждать — можно римерно оценить интенсивность осадков по снижению дальности видимости.

                        По истории температуры в одной единственной точке погоду не предскажешь.
                      +2
                      Интересная штука!
                      Помню, как-то достали из погреба варенье (вроде как из груши), так туда видимо многовато сахара добавили, и получилось, что выросло несколько крупных (от 1 до 4 см в диаметре) кристаллов сахара — красивой формы, чуть не бриллианты :-) И ещё очень вкусные!
                        0
                        Этот девайс стоило бы увидеть в руках Гарри Поттера, в следующей экранизации, причём такой, какой у автора — «алхимическая склянка» в позеленелой медной оплетке. Например, можно отправить ради этого Гарри-метеоролога в этом новом фильме в морское путешествие или путешествие к полюсу.
                          +10
                          Извините, напомнило немного про этот прибор:
                          image

                          А вообще как — то это сильно сложно, состояний слишком много комбинрованных, чтобы прямо реально работало, нужно быть «искусным понимателем».
                            0
                            Учитывая, что прибор реагирует только на температуру, то скорее всего характер роста кристаллов определяется рандомом.
                              +3
                              Характер роста кристаллов определяется скоростью изменения температуры, :-).
                              Если на пальцах объяснять, то частицы всегда предпочитают встраиваться в крупные кристаллы (так же, как маленькие капельки воды предпочитают собираться в большие — так энергия поверхностного натяжения меньше). Если температура падает медленно, то молекулы успевают найти большие кристаллы и осесть на них. Если температура падает быстро, то у молекул нет времени найти большие кристаллы, и они осаждаются куда попало — и получается много мелких кристалликов.

                              Кстати, если потом долго ждать, то со временем молекулы могут перегруппироваться в крупные кристаллы — с этим связан рост кристаллов сахара в варенье, описанный выше, и то, что весенний снег состоит не из снежинок, а из крупных кусочков льда.
                                0
                                К слову, добавил в статью, вдруг у кого-нибудь ещё вопрос возникнет.
                              +3
                              Отечественный аналог
                              image
                              +1
                              Хорошая задумка. Детям интересно будет.
                                –5
                                Получился термометр, по сути. А штормгласс должен предсказывать.
                                  +4
                                  Таки а что делать, если реальный штормгласс устроен именно так, и способен к предсказанию именно в таком объёме? :-)
                                    +1
                                    Ну нет, это скорее ПИД анализатор температуры
                                    0
                                    У меня сегодня день дежавю. Мне кажется я уже где то это уже читал.
                                    //оффтоп: Да и вообще некоторые события произошедшие сегодня пару часов назад уже были.
                                      0
                                      А если покрасить окно — форма кристалов измениться? ;)
                                        0
                                        Нет. Поэтому зачем красить? ;-)
                                        +2
                                        Вспомнил сразу приложении «Для умелых рук» журнала Юный Техник за январь 1989 года со статьей на эту тему, там как раз изготовление описано было. Цвета тогда, конечно, иллюстрациям не хватало.

                                        Сейчас поискал — нашел номер (djvu, нужна читалка), а там на 12 странице статья )

                                        СПАСИБО!
                                          0
                                          Вот откуда у FisHlaBsoMAN ощущение déjà vu )))
                                          –2
                                          Восхитительная алхимическая статья. Только тема лягушачьих лапок и змеиной кожи не раскрыта — без них предсказания плохо работают.
                                            +1
                                            Штормгласс не предсказывает.
                                            0
                                            Забавная штука. А как сделать чтоб раствор не был таким желтым? У продавцов на ebay то прозрачный. И кстати, не надо покупать дистиллированную воду в автомагазине — в аптеке она куда чище, и всё равно туда идти за камфорой.

                                            PS. И вот ещё интересная модификация: http://www.ebay.com/itm/Global-Shaped-Storm-Glass-Barometer-Home-Decoration-Gift-Weather-Barometer-/281577139406?hash=item418f4e2cce:g:JikAAOSwLVZV0XFO
                                              0
                                              А как сделать чтоб раствор не был таким желтым?
                                              Он «по умолчанию» прозрачный. Просто мой штормгласс был запечатан с использованием жёлтой вакуумной смазки, которая за год растворилась в спирту, после этого раствор пожелтел (а поверх него появился слой жёлто-коричневого масла, которое пришлось отфильтровывать). Как я уже сказал, надо силиконовый герметик использовать.

                                              И вот ещё интересная модификация
                                              О, забавно. Вот эта штука действительно барометром работать может. Правда, очень неудобно, на высоту столбика жидкости будет влиять температура, которую нужно определить по количеству кристаллов, и сделать соответствующую поправку, :-).
                                              +1
                                              Снизу колбы подложить сильный неодимовый магнит, и понаблюдать как изменится картина распределения кристаллов.
                                                +1
                                                Интересная мысль. Но магнита нету, :-(.
                                                Не поленитесь сделать — отпишите о результатах, и правда интересно, что получится.
                                                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                    +1
                                                    Ну, вода — диамагнетик, камфора, вроде, парамагнетик, то есть магнитное поле на них действует, причём по-разному.
                                                    Я не знаю, как магнитное поле действует на кристаллизацию вещества с одной магнитной восприимчивостью из раствора с другой магнитной восприимчивостью — но как-то, наверное, должно.
                                                    (Или вы знаете, что нет — тогда объясните, пожалуйста).
                                                      0
                                                      В мире очень мало материалов которые совсем не поддаются влиянию магнитного поля, а такой тонкий процесс как кристаллизация наверняка должен проявлять зависимость от магнитного поля, хотябы даже чисто статистически — кристаллы будут стремиться расти вдоль или поперёк линиям магнитного поля.
                                                    0
                                                    Калийная селитра и нашатырь — это нитрат калия и хлорид аммония соответственно, их можно купить в хозяйственном магазине.
                                                    В нашем городе в хозмагах я не то что калийной, но даже и кальциевой селитры уже лет пять как не видел. Только аммиачная продаётся, да и то с присадками, потому что якобы террористы могут это использовать для создания взрывчаток.
                                                      0
                                                      Угу, есть такое дело, раньше их продавали чаще.
                                                      Но в Ашане они есть даже в наше защищённое время — или, по крайней мере, были полтора года назад.
                                                      Теоретически, я думаю, эти соли можно заменить на что-нибудь вроде ацетата натрия (уксусная эссенция + сода), только, возможно, придётся с концентрациями поиграть.
                                                        +2
                                                        Только что возникла идея, как обойтись без калийной селитры. Ведь как я понимаю, соли в растворе полностью распадаются на ионы, т.е. там нет именно KNO3 и NH4Cl, а есть ионы K+, NO3-, NH4+ и Cl-.
                                                        При этом в продаже легко найти помимо аммиачной селитры ещё хлорид калия, а в сумме они содержат те же самые ионы. Расчёт показывает, что таким же точно ионным составом, как у вас, будет обладать раствор, где вместо 2,5г калийной селитры и 2,5г нашатыря содержится:
                                                        2г аммиачной селитры
                                                        1,8г хлорида калия
                                                        1,2г нашатыря
                                                        Правда, магазинный хлорид калия ужасного качества — такое ощущение, что он идёт пополам с битым кирпичом: очень много нерастворимой каменной крошки красноватого цвета. Так что однозначно придётся перекристаллизовывать.

                                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                    Самое читаемое