Как работает барометр: принцип измерения атмосферного давления по этапам

Барометр это прибор для измерения атмосферного давления, то есть давления, которое оказывает столб воздуха на единицу поверхности земли. Атмосферное давление измеряется в паскалях (Па), гектопаскалях (гПа) или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.); стандартное давление на уровне моря составляет 101 325 Па, или 760 мм рт. ст.

Принцип работы ртутного барометра

Ртутный барометр: старейший тип прибора, изобретённый Эванджелистой Торричелли в 1643 году. Принцип прост: стеклянная трубка длиной около 80 см, запаянная с одного конца, заполняется ртутью и переворачивается открытым концом в чашу с ртутью. Под действием атмосферного давления на поверхность ртути в чаше ртуть в трубке удерживается на высоте, равновесной с давлением воздуха. При стандартных условиях высота столба составляет ровно 760 мм. Когда давление растёт, столб поднимается; когда падает: опускается.

Пространство над ртутью в запаянном конце трубки свободно от воздуха (так называемая торричеллиева пустота), поэтому давление там близко к нулю и не мешает измерению. Высокая плотность ртути (13 600 кг/м3) позволяет сделать трубку длиной менее метра; если бы прибор заполняли водой, трубка потребовалась бы длиной свыше 10 метров.

Принцип работы анероидного барометра

Слово «анероид» означает «без жидкости». Чувствительный элемент анероидного барометра: металлическая гофрированная капсула из бериллиевой бронзы или нержавеющей стали, внутри которой создан частичный вакуум. Когда атмосферное давление растёт, капсула сжимается; когда падает: расширяется. Деформации капсулы передаются через систему рычагов и пружин на стрелку, которая движется по шкале, проградуированной в единицах давления.

Несколько капсул нередко соединяют последовательно, чтобы суммировать их перемещения и увеличить точность отклонения стрелки. Анероидные барометры компактны, устойчивы к тряске и широко используются в авиации (в виде высотомеров), на метеостанциях и в быту. Точность качественных анероидов сопоставима с ртутными приборами: погрешность составляет 0,5–1 гПа.

Этапы формирования показания

Независимо от типа прибора, процесс измерения проходит одинаковые стадии. На первом этапе изменение давления воздуха воздействует на чувствительный элемент: в ртутном барометре это поверхность ртути в чаше, в анероидном: вакуумная капсула. На втором этапе изменение преобразуется в механическое перемещение: подъём или опуск ртутного столба либо сжатие или расширение капсулы. На третьем этапе перемещение передаётся индикатору: шкале с визиром (ртутный) или стрелке через рычажную систему (анероид). На четвёртом этапе наблюдатель или автоматическая система считывает значение.

В цифровых метеостанциях и смартфонах применяются пьезорезистивные датчики давления размером несколько миллиметров: давление воздуха деформирует кремниевую мембрану, изменяя её электрическое сопротивление, которое измерительная схема преобразует в цифровое значение. Точность таких сенсоров достигает 0,12 гПа, что вполне достаточно для прогноза погоды и определения высоты над уровнем моря с точностью до 1 метра.

Барометр как инструмент прогнозирования погоды

Давление воздуха напрямую связано с характером погоды. Устойчивое высокое давление (выше 1020–1025 гПа) соответствует антициклону и ясной погоде. Падение давления на 3–5 гПа за 3 часа сигнализирует о приближении циклона с осадками и усилением ветра. На метеорологических станциях России показания барометра снимаются каждые 3 часа и передаются в общую сеть наблюдений Росгидромета для составления синоптических карт.