Нет, наверное, никакого другого подобного устройства, гештальт, по которому многие мечтали закрыть ещё со школы — и речь пойдёт о барометрах! :-))
Все мы знаем, что «синоптики не ошибаются — они просто путают время и место» :-), поэтому, имеет смысл самостоятельно перепроверять прогнозы, хотя бы в их части, и одним из таких технических средств перепроверки, являются барометры...
Теория измерения
Слово «барометр» является производным от двух греческих слов: βάρος — «тяжесть» и μετρέω — «измеряю» которые наглядно демонстрируют принцип его действия, заключающийся в измерении атмосферного давления.
В классическом исполнении, выглядят они весьма привлекательно — дерево, бронза, сталь... Есть от чего прийти в восторг...:-)
Сразу чувствуешь некую сопричастность к матёрым морским волкам, «бросающим вызов всем штормам и ураганам, летящим навстречу неизвестности, среди солёных брызг»:
Но, каким образом атмосферное давление связано с прогнозом погоды?
Дело в том, что на нашей планете всегда присутствуют относительно тёплые и холодные воздушные массы, которые, при столкновении начинают перемешиваться, и, при таком столкновении, в большинстве случаев, возникает циклон, представляющий собой атмосферный «супервихрь» (диаметром до тысяч километров), в котором происходит подъём тёплого воздуха в верхние слои атмосферы, где основной подъём происходит во вращающихся стенках, а в центре наблюдается парадоксальное явление — абсолютная тишь и хорошая, ясная погода!
Вращение стенок обуславливается кориолисовой силой, возникающей из-за вращения Земли, где при этом, скорость ветра во вращающихся стенках вихря может достигать вплоть до 60 метров в секунду, и, именно там наблюдается «плохая» погода, с сильным ветром и осадками, тогда как в центре, в небольшой зоне, диаметром порядка 20-30 км, называемой «глаз бури», как уже было выше сказано, — наблюдается ясная погода.
Тёплые влажные воздушные массы, поднимающиеся вверх с помощью вихря, охлаждаются, образуют облака, и начинаются активные осадки.
При этом, градиент атмосферного давления распределён внутри вихря таким образом, что в его центре наблюдается самая низкое давление, а во вращающихся стенках чуть выше, но тоже несколько ниже, относительно окружающей атмосферы.
Ясная погода в самом центре вихря объясняется тем, что все более-менее значимые воздушные массы высасываются из этой середины, вращающимися стенками, из-за чего, в центре просто не остаётся сколь-нибудь значимых масс, способных образовывать облака.
Но, разумеется, мы здесь не говорим о том, что там возникает вакуум — вовсе нет, речь идёт всего лишь о пониженном давлении.
Таким образом, можно сказать, что циклон является областью пониженного давления.
В противовес «циклонам» существуют ещё и «антициклоны» — области повышенного давления, отличающиеся ясной, спокойной погодой, где при этом, сам механизм образования такой погоды существенно отличается от циклона, где, как мы видели, ясная погода наблюдается только в небольшой центровой зоне, в то время как в антициклоне ясная погода наблюдается на всей площади антициклона, с некоторым градиентом ухудшения к краям (как вариант, но не обязательно).
И, как уже было упомянуто, причина такой ясной погоды объясняется совсем другим механизмом, чем при циклоне: в антициклоне происходит опускание воздушных масс из верхних слоёв атмосферы, в нижние, где они нагреваются, и, соответственно, способствуют растворению облаков, а в самой зоне антициклона, наблюдается избыток воздушных масс, и, как следствие, повышенное давление.
Очень любопытный момент, который, вы, возможно, могли видеть в фильмах про море: где капитан смотрит на барометр корабля и внезапно мрачнеет, несмотря на то, что вокруг наблюдается спокойная ясная погода!
А видит он, как вы, наверное, уже поняли, вот что: низкое давление на барометре и хорошую погоду вокруг, что, автоматически означает нахождение в «глазе бури» — то есть, в самом центре вихря!
Вихрь циклона не является неподвижным, и движется с некоторой скоростью по земной поверхности, где эта скорость, в среднем, составляет порядка 30-50 км/ч.
Таким образом, если только что всё вокруг «бушевало и кипело» и, вдруг, внезапно всё угасло — самое время начинать унывать: это означает, что, меньше, чем через час, «накроет с новой силой», так как до нас дойдут вращающиеся стенки вихря...
И, в противовес циклону, как вы уже, наверное, поняли, если наблюдается высокое давление и ясная погода — всё отлично: просто мы находимся в антициклоне и всё с нами будет хорошо...
Таким образом, как мы видим наглядно, нам остаётся только замерять давление атмосферы в конкретной точке пространства, чтобы понять, чего нам, собственно, ожидать, от погодных условий*...
*Логично было бы предположить, что только лишь измерение уровня давления атмосферы не позволяет надёжно прогнозировать погоду — если бы это было правдой, никому не нужны были бы спутники наблюдения за атмосферой и т.д.
Однако, несмотря на это, измерение давления (особенно в динамике), позволяет достаточно точно предвидеть поведение погоды, по крайней мере, в рамках краткосрочного периода, в пределах суток и менее.
Барометры — как инструмент замеров
Несмотря на целый ряд экспериментаторов с атмосферным давлением, в качестве изобретателя барометра всё-таки называют итальянского математика и физика Эванжелисту Торричелли, который разработал весьма простое (первый взгляд; так как путь к нему тоже был не быстрым) устройство: запаянную с верхнего конца стеклянную трубку, которая наполнялась ртутью, и опускалась в ёмкость, также наполненную ртутью, другим своим открытым концом:
Атмосферное давление поддерживало столб ртути в трубке на определённом уровне, который менялся, в зависимости от изменений атмосферного давления.
Как уже было выше сказано, к такой конструкции пришли не сразу, и она явилась средством повышения практичности устройства, так как длина столба жидкости в трубке зависит от её плотности, — другими словами, чем более плотную жидкость мы берём для использования в столбе, тем более коротким этот столб может быть.
Соответственно, экспериментаторы проводили опыты с целым рядом жидкостей, где, например, для воды столб составил — 10,3 м, для спирта — 13,1 м, а для ртути — всего лишь 0,76 м!
Удобство и компактность и ничего более...
Кроме того, ещё одним неочевидным плюсом ртути являлась её способность не смачивать стекло, в отличие от спирта или воды, что позволяло сформировать чёткую границу столба (у верхнего среза), что является важным, для точного понимания текущего наблюдаемого значения...
Однако, токсичность ртути, и потребность в открытых сосудах, привела со временем к тому, что от неё полностью отказались.
Прорывом для дальнейшего увеличения компактности манометра явилось изобретение французским физиком Люсьеном Види «анероидного» барометра (название образовано от греческих слов и означает буквально «безжидкостный"), который состоял из так называемых «анероидных ячеек» — спаянных друг с другом дисков, образующих камеру, от середины которой шла тяга к рычагам, приводящим в движение стрелку.
При изменении атмосферного давления, подобная камера несколько сжималась и разжималась, трансформируя свою деформацию через рычаги — в круговое движение измерительной стрелки барометра.
Со временем, для усиления эффекта (чтобы уверенно измерять даже малые перепады давления), стали использовать сборку из нескольких камер (часто используются сборки из 5-7 камер сразу) и выглядит эта конструкция следующим образом:
А сам измерительный аппарат дошёл до наших дней практически без изменений, и выглядит примерно так:
Тогда же был разработан и «барограф» — прибор, позволяющий записывать измерения атмосферного давления в динамике, то есть за какой-то период, где для этого, указательная стрелка, снабжённая пишущим устройством (ранее — просто пером), чертила своеобразную синусоиду, на медленно вращающемся барабане:
Hightech и новый чудный мир
Однако, нельзя сказать, что подобный тип барометра является вершиной технологии, так как в наше время, были изобретены гораздо более прогрессивные системы, например, МЭМС (МикроЭлектроМеханические Системы)-барометры, изготовляемые так же, как и процессоры, травлением, что позволяет получать миниатюрные и недорогие механические устройства, где в случае барометров, они содержат гибкую мембрану, несколько деформирующуюся изменяющимся атмосферным давлением:
В подавляющем большинстве случаев, для измерение подобных деформаций используется ёмкостный подход, то есть, изменение расстояния между обкладками конденсатора и, соответственно, изменение его ёмкости, что приводит к считыванию этого значения, оцифровке его, и доступ к этим значениям возможен по стандартным протоколам, например, I2C.
Интересно (и для знающих это не секрет), что, со временем, подобные компактные и недорогие электронные барометры нашли очень неожиданное применение, существенно отличающееся от прогнозов погоды — их стали использовать... для измерения текущей высоты полёта летательных аппаратов, особенно, дронов!
По некоторым данным, разрешающей способности подобных барометров хватает, чтобы дронам видеть перепады высоты, вплоть до 10 см (у некоторых экземпляров разрешающая способность может быть даже ещё выше, вплоть до 1 см), что позволяет достаточно уверенно удерживать заданную высоту, следовать рельефу, или надёжно приземляться, не рискуя разбиться о поверхность.
Желающие, могут попробовать собрать свои самоделки, с использованием электронного барометра, например, барометр как таковой или, даже барограф*.
*К слову: первый вариант, простого барометра, в виду достаточно подробного описания создания веб интерфейса, просто прямо-таки предрасполагает, к созданию полноценного барографа, с записью исторических данных в энергонезависимую память esp32 — чтобы не подключать физический монитор (так банально проще), получая доступ к данным прямо со смартфона :-)
Если кто-то захочет пойти по этому пути, то, как работать с этой памятью, можно найти вот здесь.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
