Загадка штормгласса — домашней метеостанции на элементной базе начала XIX века

Перейти на AliExpress.com

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: 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!Где-то во второй половине 1820-х годов британский морской офицер Роберт Фицрой разработал и описал необычный метеорологический прибор, известный как штормгласс. Эффективность его не доказана и по сей день, но купить его можно.История вкратце такова.Роберт Фицрой, аристократ, морской офицер, выпускник Королевского военно-морского училища в Портсмуте в октябре 1828 года был назначен капитаном знаменитого судна «Бигль» — исследовательского барка, принявшего участие в четырёх гидрографических экспедициях. В третьей экспедиции принимал участие сам Чарльз Дарвин — исследования, сделанные в ходе этого плавания, легли в основу многих научных работ великого учёного.Фицрой учёным не был — он был в первую очередь моряком, причём на момент вступления в должность очень юным, ему исполнилось всего 23 года. При это он показал себя блестящим капитаном и очень инициативным человеком — собственно, приглашение на борт натуралиста Дарвина произошло именно с лёгкой руки Фицроя (это была кругосветная экспедиция 1831−1836 годов).Живо интересуясь природными явлениями, Фицрой, поступив на «Бигль», задался идеей построить предсказывающий изменения морской погоды прибор — достаточно компактный, чтобы работать на корабле. И он его построил.Штормгласс Фицроя представляет собой герметично запаянную стеклянную колбу, внутри которой находится смесь различных химических компонентов: дистиллированной воды (33 мл), этанола (40 мл), нитрата калия (2,5 г), хлорида аммония (2,5 г) и камфоры (10 г). Эта смесь по наблюдениям Фицроя оказалась крайне чувствительна к изменениям температуры, влажности, давления. Свои наблюдения за содержимом сосуда он описал в одной из последующих работ (впоследствии Фицрой стал главой Департамента метеорологии и в 1862 году опубликовал знаменитейшую «Книгу о погоде»).По наблюдениям Фицроя поведения смеси выглядело следующим образом:- она была чистой, прозрачной и жидкой при светлой, солнечной, штилевой погоде;- она мутнела, если погода была облачной;- в ней образовывались отдельные точки помутнения, если за бортом был туман;- жидкость была мутной и с отдельными точками застывания перед грозой;- если точки застывания были в прозрачной жидкости, это предвещало снег;- крупные кристаллические хлопья — к снегопаду;- иглистые кристаллы предвещали заморозки;- мутные нити у дна обещали ветреный день.До сих пор не доказана ни правота Фицроя, ни его заблуждение. Некоторые характеристики штормгласса подтверждаются современными исследованиями, некоторые — нет. Штормгласс уже давно не нужен, поскольку погоду мы научились предсказывать более точными устройствами, и этот необычный прибор окончательно стал историческим артефактом. Независимо от того, на какие конкретно погодные условия реагирует состав фицроевое смеси, выглядит это со стороны очень красиво.А купить такой прибор можно например тутКак изготовить такой прибор в домашних условиях и что он будет показывать можно посмотреть тут — https://geektimes.ru/post/278830/А вот тут коллекция рецептур для этого прибора — http://himiklab.org.ua/stormglass.shtml[]источникиhttp://www.popmech.ru/history/361612-shtormglass-fitsroya-zabytyy-meteorologicheskiy-pribor-xix-vekahttp://life.mosmetod.ru/index.php/item/shtormglass-kristallicheskij-barometr-svoimi-rukamihttp://himiklab.org.ua/stormglass.shtml

в избранное

В это время года нас не может не радовать стабильность нестабильной погоды: дождь, снег, ветер, туман, или вообще – все лучшее сразу. Сегодня подобные перепады мало кого могут застать врасплох, ведь ты всегда можешь узнать в интернете прогноз погоды с точностью до часа или купить дорогостоящую и суперфункциональную метеостанцию. Ну, или как минимум за твоим окном старый добрый термометр информирует тебя о температуре за бортом.

Блага цивилизации – это замечательно, и никто не оспаривает их важность или удобство, но, цитируя известный фильм, иногда хочется воскликнуть: «Господи, как скучно мы живем! В нас пропал дух авантюризма! Мы перестали делать большие хорошие глупости…» Если ты разделяешь наш порыв и настроение, давай попробуем вместе соорудить очень интересную штуковину, которая позволит нам немного «похимичить» и сделать полезный агрегат для определения погоды.

Штормгласс был изобретен в середине 1700-х годов и отлично прижился практически на каждом судне и в каждом Европейском порту, ведь прибор умело распознавал приближение непогоды. Но мировую известность Штормгласс получил благодаря адмиралу Фицрою, который использовал его в своем путешествии вместе с Дарвином на Галапагосские острова. Поэтому второе название прибора – «FitzRoy Storm Glass».

Благодаря использованию водки, а не чистого этанола и воды, данные пропорции немного отличаются от традиционных, но все же рецепт оптимально сбалансирован, чтобы достичь оригинального эффекта. Большим плюсом является то, что химический раствор не требует чрезвычайной точности, чтобы работать должным образом.

1. Что нужно для создания Штормгласса

Возможно, придется проявить смекалку, чтобы раздобыть некоторые элементы, но если ты смотрел сериал «Во все тяжкие», то должен понимать, что нет никаких преград для достижения целей. Тем более, что нитрат калия или хлорид аммония может быть заменен на другие растворимые соли, например, хлорид натрия.

2. Процесс приготовления

Если ты собрал все нужные элементы, то считай, что самая сложная часть уже позади. Теперь нужно налить в стеклянную емкость (в идеале химическую широкую колбу) водку, добавить в нее нужное количество камфоры и нитрата калия. Не забудь про хлорид аммония.

Кристаллы внутри Штормгласса растворяются и возникают самостоятельно, так как температуре свойственно меняться каждый день. Если хочешь начать эксперимент с чистого листа и добиться заново полной прозрачности жидкости, то следует поместить используемую колбу в кастрюлю и устроить небольшую термическую обработку «водной баней» в течение 10 минут, чтобы полностью растворить старые кристаллы. Обязательно обрати внимание на то, что крышку необходимо ослабить, чтобы предотвратить избыточное давление от нагрева.

3. Обозначение

Так как данная инструкция была написана, основываясь на оригинальной методике, то и трактовать значение будем соответственно: с помощью книги «Фармацевтических формул» Питера МакЭвана, опубликованной в 1908 году.