Как работает барометр

Воздух, который весит

Мы не замечаем, но воздух давит на всё вокруг. Это давление и измеряет барометр^[1]. Название — от греческих слов «тяжесть» и «мерить»^[2][1].

Среднее давление на уровне моря — 1013 гектопаскалей (миллибар), а у поверхности Земли оно обычно меняется в пределах от 940 до 1040 гектопаскалей^[2].

Почему вода не поднимается выше 10 метров

История барометра началась с загадки. В 1630 году итальянец Джованни Баттиста Бальяни написал Галилею, что его сифон, перекинутый через холм высотой около 21 метра, не работает: вода поднимается только примерно на 10 метров^[2].

Галилей объяснил это силой пустоты: она тянет воду вверх, но, как верёвка, может удержать лишь определённый вес. Так думали со времён Аристотеля: «природа боится пустоты»^[2]. Вскоре Гаспаро Берти в Риме поставил длинную трубку с водой в таз — и вода в трубке тоже остановилась на высоте около 10,3 метра, оставив над собой пустоту^[2].

Опыт Торричелли

Разгадал загадку ученик Галилея Эванджелиста Торричелли. Он предположил: воду держит не пустота, а вес воздуха, который давит на воду в тазу^[2].

Чтобы не строить десятиметровую трубку, Торричелли взял ртуть — она примерно в 14 раз плотнее воды, и хватило трубки длиной около 80 сантиметров^[2]. Трубку, запаянную с одного конца, заполнили ртутью, закрыли и опустили открытым концом в чашку с ртутью. Когда трубку открыли, ртуть опустилась до определённой высоты, а над ней образовалась пустота^[1][2]. Так в 1643–1644 году появился первый ртутный барометр^[2][1].

Торричелли заметил, что высота ртути каждый день немного меняется, и понял: меняется давление воздуха. Он написал: «Мы живём погружёнными на дно океана воздуха, о котором неопровержимые опыты говорят, что он имеет вес» ^[2].

760 миллиметров

Отсюда и единица давления — миллиметры ртутного столба. Нормальное атмосферное давление — 760 мм: именно такой столб ртути держит воздух на уровне моря^[2]. Обычно давление колеблется от 670 до 800 мм ^[2].

Паскаль поднимается на гору

Если у воздуха есть вес, то наверху его меньше — значит, и давление ниже. Это решил проверить француз Блез Паскаль. По его просьбе родственник Флорен Перье в сентябре 1648 года поднялся с барометром на гору Пюи-де-Дом — и ртуть действительно стояла тем ниже, чем выше он поднимался^[2].

Барометр без ртути

Ртутный барометр точен — его до сих пор используют на метеостанциях^[1], — но он громоздкий, а ртуть ядовита. С 2007 года Евросоюз ограничил ртуть в новых приборах для широкой продажи, и производство новых ртутных барометров в Европе фактически прекратилось^[2].

В быту обычно пользуются анероидом — по-гречески «без жидкости»^[1]. Идею предложил ещё Лейбниц около 1700 года, а сделал такой барометр французский учёный Люсьен Види в 1844 году ^[2].

Внутри анероида — тонкостенная гофрированная металлическая коробочка, из которой откачан воздух. Сплющиться ей не даёт пружина. Когда давление растёт, коробочка чуть сжимается, когда падает — расширяется. Часто ставят несколько коробочек подряд, а их движение через рычаги поворачивает стрелку на шкале^[1][2].

Как предсказать погоду

Главное в барометре — не само давление, а то, как оно меняется^[2]:

Первым предсказал бурю по барометру немецкий учёный Отто фон Герике: 5 декабря 1660 года он заметил необычно низкое давление — и на следующий день разразилась буря^[2].

О ветре, который рождается из разницы давлений, — в статье «Ветер», а об ураганах с очень низким давлением в центре — в статье «Ураган».