Погода в маленьком флаконе (штормгласс)
«Какая будет погода?» — каждый день этим вопросом задаются миллиарды жителей Земли на всех континентах. Ответ на него не так-то прост. Даже сегодня, в ХХI веке, несмотря на все достижения науки, получить достоверный прогноз погоды — очень сложная задача. Для её решения задействованы самые мощные суперкомпьютеры, запущены в космос десятки спутников и зондов, по всей планете построена сеть наземных метеорологических станций. А 100–200 лет назад приборы для определения погоды были гораздо проще. Правда, принцип действия некоторых из них не может объяснить даже современная наука. Один из таких приборов — штормгласс. Вы можете стать заправским метеорологом, если сделаете прибор своими руками и начнёте вести наблюдения. Занятие это очень увлекательное.
 |
Штормгласс, или барометр Фицроя
В переводе с английского «шторм-гласс» означает «штормовые склянки». История не сохранила имя изобретателя этого прибора. Одним из первых его описал английский учёный, гидрограф, соратник Чарльза Дарвина, основатель и руководитель Британского метеорологического департамента, контр-адмирал Роберт Фицрой. Под его командованием корабль гидрографической экспедиции «Бигль» совершил пятилетнее кругосветное плавание. В 1862 году Фицрой опубликовал «Книгу о погоде». В ней, среди прочего, он описал и штормгласс, которым пользовался в кругосветке и других морских путешествиях. С лёгкой руки адмирала штормгласс часто стали называть барометром Фицроя.
|
|
Через три года книгу перевели на русский язык, и она вышла в свет под названием «Практическая метеорология контр-адмирала Фицроя». Вот что в ней сказано о штормглассе: «Более чем за сто лет назад в Англии уже делались штормовые склянки, изобретатель которых так и остался неизвестным. С 1825 г. на своих кораблях мы имели несколько этих склянок, правда, скорей в виде редкости, чем для действительного употребления. И всё потому, что химическая смесь реагировала больше на изменения направления, но не силы ветра. Хотя, быть может, она изменялась от другой причины, а именно — электрического напряжения. Когда атмосферное течение поворачивает к северу, то эта химическая смесь увеличивается в объёме, подобно листьям тиса или папоротника или подобно изморози на стекле. Когда же ветер стремится с противоположного направления, то линии или вообще очертания кристаллов постепенно смягчаются и уменьшаются, пока совершенно не исчезнут, подобно растаявшему сахару. Когда встречаются главные течения воздуха, произведя восточные ветры, то кристаллические звёзды в склянке становятся более или менее многочисленны, а жидкость мутнеет. А если течения производят западные ветры, то жидкость становится совершенно чистой и кристаллы ясно обозначаются. Смешанный вид непрозрачной жидкости с движущимися клочковатыми пятнами или звёздами означают юго-восточный ветер, вероятно, сильный, до бури. Склянку следует время от времени обтирать дочиста, а два или три раза в год жидкость взбалтывать. Смесь состоит из камфоры, калиевой селитры и нашатыря, частично растворённых в алкоголе с водою и с небольшим количеством воздуха, в герметически закупоренной склянке».
|
Изменения состояния жидкости в приборе, подмеченные и описанные Фицроем, во многом совпадают с наблюдениями А. Делениуса, которые он изложил в книге «30 000 новейших открытий, рецептов, общеполезных практических сведений и современных изысканий по части всех знаний, выработанных современными науками и искусствами», изданной в 1885 году (их мы приведём ниже).
В ХХ веке с развитием других, более понятных и предсказуемых технологий изучения погоды и составления прогнозов штормгласс практически забыли, и лишь 20–30 лет назад к нему вновь возник интерес. Экспериментаторы ищут различные рецептуры жидкости, пытаются внести что-то своё в технологии изготовления прибора, а главное, стремятся всё-таки разобраться в принципе его действия.
Выбираем реагенты
Сегодня в интернете можно найти с десяток рецептур рабочей жидкости для штормгласса. Поскольку я изготовил несколько таких приборов, хочу поделиться собственным опытом. Воссоздать старинный прибор для определения погоды очень просто. Он не содержит опасных либо ядовитых веществ. Его могут сделать даже ученики младших классов, конечно, под присмотром взрослых. В первую очередь вам понадобятся химические реактивы. Я выбрал следующую рецептуру, которая, судя по отзывам, считается одной из наиболее эффективных:
вода — 33,0 мл; камфора — 10,0 г; этиловый спирт — 40,0 мл; нитрат калия — 2,5 г; хлорид аммония — 2,5 г.
Рассмотрим подробнее каждый из реагентов.
Вода (Н2О). Лучше всего использовать дистиллированную воду. Её можно купить либо в аптеке, либо в автомагазине (нужна для долива в автомобильные аккумуляторы).
Камфора (С10Н16О). Существует три вида камфоры — два изомера и их смесь. Натуральный d-изомер, или японская камфора (получают из смолы и древесины камфорного лавра), и полусинтетический l-изомер (вырабатывается из пихтового масла) немного отличаются по физическим свойствам. Синтетическую смесь d- и l-изомеров получают путём переработки скипидара. Для изготовления штормгласса можно использовать любую из трёх видов камфоры, хотя считается, что d-изомер предпочтительнее.
В продаже трудно найти кристаллическую камфору, но её легко получить самим. Возьмите небольшое количество обыкновенного медицинского 10%-ного камфорного спирта, который продаётся в любой аптеке. Смешайте его с дистиллированной водой, и вы увидите, что камфора, которая очень плохо растворяется в воде, выделится в виде рыхлого белого осадка (воды нужно налить больше, чем спирта). Далее отделите камфору от жидкости. Я это сделал так: в большой лоток положил пачку бумажных салфеток, сверху накрыл салфетки чистой плотной тканью и на неё аккуратно вылил полученную смесь. Жидкость просочилась вниз, а комок камфоры остался на ткани. Я завернул в неё твёрдый осадок и сильно прижал к пачке другими салфетками. После нескольких замен мокрых салфеток на сухие камфора стала слегка влажной и рассыпчатой. В принципе, этого достаточно. Совет: вместо салфеток лучше использовать фильтровальную бумагу; она плотнее и не расползается в воде.
Этиловый спирт, или этанол, (С2Н5ОН). Поскольку найти этот реагент нелегко, одно из решений — использовать тот же медицинский 10%-ный камфорный спирт, который изготовляют на основе этилового спирта. Этот реагент уже содержит камфору, правда в недостаточном количестве. Остаётся всего лишь добавить в него ещё немного камфоры. Сколько? Это мы подсчитаем. Учтите, что не все производители камфорного спирта указывают на этикетке содержание в нём этанола и вид камфоры. Поэтому, если в вашем распоряжении есть этиловый спирт, лучше использовать его. На этикетке моего камфорного спирта, купленного в ближайшей аптеке, было указано и то и другое, так что я просто добавил в спирт недостающее количество камфоры.
Нитрат калия (КNО3). Это обычная калиевая селитра. Купить её можно в магазинах химических товаров (в том числе по интернету), и стоит она совсем не дорого. Калиевая селитра продаётся и в магазинах для садоводов в качестве удобрения. Но этот вид селитры лучше не использовать, так как в ней немало примесей и загрязнений, из-за чего штормгласс, возможно, будет хуже работать.
Хлорид аммония (NН4Сl). Этот реагент всем известен как нашатырь. Он тоже продаётся в магазинах химических товаров.
Что ещё нужно? Весы для взвешивания реактивов. Я купил недорогие электронные весы. Чтобы отмерить нужное количество спирта и воды, лучше всего использовать стеклянную мерную пипетку. Кстати, гораздо удобнее работать с пипеткой при помощи шприца с резиновой трубкой. Вместо пипетки подойдёт небольшой инсулиновый шприц с градуировкой в долях миллилитра. Правда, из-за небольшого объёма отмерять им жидкость придётся несколько раз. Для очистки растворов от загрязнений понадобятся небольшая стеклянная воронка и фильтровальная бумага. Их можно заменить обычной пластмассовой воронкой и ватными дисками (после фильтрования диски следует немного отжать, иначе потери раствора будут весьма велики). Пипетку, воронку и фильтровальную бумагу также можно приобрести в магазине химических товаров.
Ещё нужен флакон или пузырёк достаточного объёма, куда мы нальём готовую смесь. Этот сосуд должен быть из прозрачного стекла и с герметичной крышкой. Можно использовать и обычную стеклянную пробирку. Я выбрал пустой флакон из-под духов объёмом 50 мл.
 Все комплектующие и реагенты для изготовления штормгласса собраны. Можно приступать к работе |
Химическая лаборатория в действии
Итак, сложный этап подготовки позади — все необходимые компоненты куплены. Теперь нужно рассчитать их количество. Чтобы не вникать в тонкости химических расчётов, я воспользовался специальным онлайн-калькулятором, размещённым на сайте. Указав в таблице объём сосуда, который собирался заполнить — 50 мл, — я получил расчёт всех компонентов для выбранной рецептуры (она обозначена как №3):
вода — 14,14 мл; камфора — 5,97 г; этиловый спирт (70%-ный) — 32,43 мл; нитрат калия — 1,49 г; хлорид аммония — 1,49 г.
Согласно этикетке, купленный в аптеке камфорный спирт изготовлен из 70%-ного этилового спирта (концентрация приведена в объёмных процентах). Для простоты расчёта я допустил, что в 100 мл камфорного спирта содержится приблизительно 100 мл этилового 70%-ного спирта. На самом деле из-за наличия камфоры этилового спирта будет немного меньше. Но для изготовления прибора это не столь важно, так как камфора растворяется в спирте без значительного увеличения объёма смеси. Кроме этанола в 100 мл камфорного спирта содержится 10 г камфоры. Соответственно в 32,43 мл спирта будет 3,24 г камфоры. Таким образом, в смесь нужно добавить ещё 2,73 г камфоры. Но учитывая, что и пипетка и весы имеют определённую погрешность, а сама рецептура позволяет округлить требуемые значения компонентов до десятых долей, нам понадобятся:
вода — 14,1 мл, камфора — 2,7 г, камфорный спирт (10%-ный) — 32,4 мл, нитрат калия — 1,5 г, хлорид аммония — 1,5 г.
После того как все расчёты выполнены, можно приступать непосредственно к изготовлению прибора. Первым делом нужно налить необходимое количество спирта в отдельную бутылку и растворить в нём недостающую камфору. Смесь надо профильтровать и перелить в подготовленный флакон. Далее следует растворить в дистиллированной воде нитрат калия и хлорид аммония и, профильтровав, также залить во флакон. Чтобы соли растворились быстрее, воду лучше предварительно немного подогреть. Во флаконе тут же образуются белые хлопья камфоры. Не волнуйтесь, так и должно быть.
Теперь флакон необходимо герметично закупорить. Конечно, самый лучший способ — запаять горлышко. Но далеко не все могут это сделать. Я запечатал флакон при помощи пластикового колпачка от авторучки, после чего для полной герметизации капнул на пробку и горлышко несколько капель «Суперклея». У него есть замечательное свойство — проникать даже в самые маленькие пустоты и щели и очень быстро полимеризоваться.
Ещё один способ герметизации — использовать полиэтиленовую пробку. Нужно надеть её на флакон и обмазать пробку и горлышко флакона эпоксидным клеем. Можно пустить в ход и другие подручные материалы, но только не резину и не силиконовые герметики: от резиновой пробки раствор желтеет, а герметик пропускает пары спирта. У меня был такой печальный опыт — я использовал для герметизации нескольких штормглассов силиконовый герметик, и через пару лет уровень жидкости в приборах понизился почти на треть. Естественно, приборы вышли из строя.
Превращения начинаются
Штормгласс начнёт работать не сразу, а через несколько недель. За это время смесь достигнет равновесного состояния, камфора осядет на дно флакона и постепенно, по мере изменения погоды, в приборе начнут расти дендриты (сложные кристаллические образования древовидной ветвящейся структуры), станут появляться и исчезать небольшие снежинки и кристаллы из камфоры.
|
Наконец можно проводить наблюдения и прогнозировать изменения погоды. Как это делать? Самый краткий и лаконичный вариант — ежедневно наблюдать за состоянием жидкости в штормглассе, подробно записывать увиденное в журнал погоды и сравнивать свои наблюдения с уже известными, выработанными за многие годы характеристиками из книги «30 000 новейших открытий, рецептов, общеполезных практических сведений...» А. Делениуса:
«Прозрачная жидкость предвещает ясную погоду, мутная — дождь.
Мутная жидкость с маленькими звёздочками — грозу.
Маленькие точки — туман, сырую погоду.
Большие хлопья для зимы — снег, летом — покрытое небо, тяжёлый воздух.
Нити в верхней части жидкости — ветер.
Кристаллы на дне — густой воздух, мороз.
Маленькие звёздочки — зимой при ясной погоде — снег на другой или третий день.
Чем выше зимой поднимаются кристаллы, тем сильнее будет стужа».
 Штормглассы, изготовленные автором в разное время |
В заключение совет из книги Фицроя: «Склянку надо время от времени обтирать дочиста, а два или три раза в год надо взболтать жидкость, оборотив склянку и слегка покачивая». И ещё Фицрой отмечал, что, если неточно сделана химическая смесь, прибор становится не таким чувствительным. Очень скоро вы поймёте, что изменения в приборе могут происходить и за несколько часов, и за два-три дня до ожидаемой перемены погоды. Чтобы наблюдения были более достоверными, нужно сделать не один, а хотя бы три-четыре прибора из одних и тех же реагентов по одной и той же рецептуре. Ещё лучше сделать несколько комплектов приборов с использованием разных рецептур. Возможно, в вашем случае оптимальным будет совсем другое соотношение реагентов. Для сравнения реальную погоду можно узнать из прогнозов, передаваемых по радио, телевидению и в интернете. А можно купить домашнюю метеостанцию. Стоит она недорого. Тогда изготовление и наблюдение за штормглассом станут настоящим научным экспериментом.