Время на прочтение6 мин
Количество просмотров84K
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:
10 г камфоры (D-изомера или натуральной)
2,5 г калийной селитры
2,5 г нашатыря
33 мл дистиллированной воды
40 мл спирта.
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!
Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку
В нашей домашней коллекции всяких-разных метеоприборов пополнение! Штормгласс – это не просто украшение интерьера. Он представляет собой запаянную стеклянную колбу, внутри которой находится спирт. В спирте в определённых пропорциях растворены камфора, хлорид аммония и калийная селитра. В зависимости от природных условий, белые кристаллы внутри колбы то тают, то снова “замораживаются” в различных конфигурациях.
По идее эта штука должна предсказывать погоду. Но оказалось, не все так просто…
ШТОРМГЛАСС
Штормгласс в 18-19 веках действительно использовали как метеоприбор.
Например, Роберт Фицрой, капитан знаменитого корабля “Бигль”, на котором совершил свое кругосветное путешествие Дарвин, и основатель и глава метеослужбы Великобритании, был большим поклонником штормгласса и даже составил инструкцию, как им пользоваться. Поэтому штормгласс еще называют “Барометр Фицроя”.
По сути, инструкция, которая прилагается к моему штормглассу – это и есть та самая.
Но, увы – как барометр штормгласс не работает((( Да и не должен!
Дело в том, что атмосферное давление не передается через герметично запаянное стекло. Поэтому его изменение и, как следствие, перемену погоды предсказать штормгласс не может.
Через стекло невозможно почувствовать и влажность, и уровень ультрафиолета (если, допустим, определять солнечная ли погода или идет дождь). Так что осадки он тоже не предскажет…
Получается что он – всего лишь что-то вроде термометра и реагирует на температуру.
Можно даже попытаться составить новую инструкцию для него – чем не тема для исследовательской работы ребенку в школу или на кружок? Дарю идею! 😉
Мы дома, конечно, теперь тоже с интересом следим за кристаллами в колбе.
И да – никаких дождя и всего прочего, что написано в инструкции, предсказать он не смог даже близко(((
Например, дождь был, а кристаллы не менялись. Или, наоборот, дождя не было неделю, а судя по виду кристаллов в колбе, он должен бы быть:)
Так что штормгласс барометр не заменит. Зато выглядит волшебно – так что пусть живет!
Термометр Галилея
Теперь штормгласс стоит у меня на подоконнике рядом с еще одним древним метеоприбором – термометром Галилея. Того самого Галилео Галилея, который доказывал гелиоцентрическую систему мира, изобрел маятник, усовершенствовал телескоп и т.д. Так он еще и термометр (вернее термоскоп) изобрел!
Кстати, вот этот прибор действительно показывает температуру! Причем очень точно: я электронным и спиртовым градусником проверяла – все верно!
Так что как метеоприбор, регистрирующий температуру, он работает!
Термометр Галилея – это тоже стеклянная запаянная колба. В ней жидкость в которой плавают поплавки. Поплавки в разных объемах заполнены воздухом.
Принцип работы этого термометра основан на том эффекте, что плотность воды зависит от ее температуры. Поэтому при понижении температуры окружающего воздуха и, соответственно, температуры воды в колбе, поплавки всплывают.
Диапазон температур, который измеряет этот термометр, находится в районе комнатной температуры (18-26° с шагом 2 °С). Самый нижний из всплывших поплавков показывает текущее значение температуры.
Так что тут все просто и ясно! Не то что у штормгласса, где измерение больше похоже на гадание:)
Так что мой вывод такой: штормгласс – игрушка, а термометр Галилея – реально работающий прибор.
Видите, как интересно наблюдать за изменениями погоды с помощью разных приборов;) А детям еще и полезно!
Они смогут не только научиться пользоваться метеоприборами, а и познакомиться с такими инструментами познания как ведение систематических наблюдений, обработка массива данных, анализ информации, ее систематизация и обобщение. Звучит заумно, а ведь на деле это просто ведение дневника погоды!
Специально для того, чтобы детям было интересно его заполнять я когда-то разработала лэпбук “Домашняя метеостанция”.
Ребенок отмечает в папочке лэпбука погоду и следит за ее изменениями. Для этого я там предусмотрела всякие кармашки и интерактивные штучки
ФАЙЛЫ ДЛЯ РАСПЕЧАТКИ на сайте LAPBOOK.RU
Время на изготовление 1,5-2 часа
Возраст: старшим дошкольникам и младшим школьникам
Вышлю файлы в формате PDF на ваш е-мейл
Придет автоматически через 15 мин после оплаты
Понадобится бумага А4 (12 листов) + 2 листа картона А4 для папки (или один лист А3) + клей
Нужен цветной принтер
А можно еще расширить занятия по лэпбуку и вдобавок к покупным метеоприборам сделать с детьми своими руками несколько простых “штук”, предсказывающих погоду. Которые реально работают!
Помните, я вела рубрику домашняя метеостанция? Там я показывала ДЕЙСТВУЮЩИЕ МОДЕЛИ для любознательных юных синоптиков и приводила научные объяснения их работы.
Заходите почитать и повторить опыты!
- Авторы
- Научный руководитель
- Файлы
- Литература
Бабушкина Д. А.
1
1 г. Снежинск, Челябинской области, МБОУ «Гимназия №127», 4В класс
Капралов А.И. (г. Снежинск, Челябинской области, МБОУ «Гимназия №127»)
1. Верн Жюль Дети капитана Гранта. – Школьная библиотека, 2002.
2. Википедия?– свободная энциклопедия.
3. Ушаков Д.Н. Большой толковый словарь русского языка. Современная редакция. – 2008.
4. Химия и жизнь. – 1982. – № 1.
5. Юный техник – для умелых рук. – 1989. – № 1.
«Какая будет погода?» — каждый день этим вопросом задаются миллионы жителей Земли. Людям свойственно не только говорить о погоде, но и интересоваться предсказаниями метеорологов. «Книга рекордов Гиннеса» утверждает, что слово «погода» находится на четвертом месте в рейтинге самых популярных ключевых слов для поиска в интернете. В любое время года человеку важно знать, какой будет погода — ясной или пасмурной, холодной или тёплой. Можно ли будет взрослым планировать дела на улице, а детям поиграть на свежем воздухе или придется провести время в помещении. Актуальность прогнозирования погоды (в том числе, методов прогнозирования) несомненна.
Наблюдение за погодными явлениями на протяжении всего срока существования человечества привело к тому, что люди научились достаточно хорошо предсказывать погоду, но, несмотря на все достижения науки, получить достоверный прогноз погоды – очень сложная задача. В наши дни на помощь метеорологам приходит сеть метеорологических станций, разбросанных по всей планете, космические спутники, атмосферные зонды и метеосамолеты. Полученные результаты обрабатываются мощными компьютерами и снабжают людей прогнозами погоды.
Мой дедушка, Бабушкин Валерий Павлович, уже почти 29 лет ведёт записи об изменении температуры и давления в родном городе Снежинске (см. приложение 1).
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.
Читая книгу Жюля Верна «Дети капитана Гранта», я встретила упоминание про штормгласс, меня заинтересовало, что это такое? Ж. Верн описывает его так: «Штормгласс – стеклянный сосуд, содержащий смесь, изменяющую цвет в зависимости от направления ветра и насыщенности атмосферы электричеством» [1] (см. приложение 2).
Цель работы: изготовить штормгласс, исследовать кристаллизацию жидкости штормгласса в различных условиях.
Для достижения цели, были поставлены задачи:
— изучить литературу, историю и принцип работы штормгласса;
— провести наблюдения за формой и ростом кристаллов;
— обработать и проанализировать результаты опроса-анкеты о знаниях прибора штормгласс.
Гипотеза исследования: считаю, что если в ходе исследования подтвердится, что штормгласс изменяет своё состояние по погоде, то по кристаллам можно будет судить о предстоящей погоде.
Что такое штормгласс?
Из википедии я узнала, что Штормгласс (штормглас, нидерл. storm ? «буря» и glass ? «стекло») ? химический метеорологический прибор, состоящий из стеклянной колбы или ампулы, заполненных спиртовым раствором, в котором в определённых пропорциях растворены камфора, нашатырь и калийная селитра [2].
Этим «химическим барометром» активно пользовался во время своих морских путешествий английский гидрограф и метеоролог, вице-адмирал Роберт Фицрой, который тщательно описал поведение штормгласса. Поэтому, штормгласс также называют «Барометром Фицроя»[1]. До сих пор не доказана ни правота Фицроя, ни его заблуждение. Некоторые характеристики штормгласса подтверждаются современными исследованиями, некоторые — нет.
Рис. 1. Фицрой изучает штормгласс
Рис. 2. Штормглас
Погода и метеоприборы
Для начала я решила вспомнить, что такое погода, чем она характеризуется и от чего зависит. С темой «Погода» мы сталкивались на уроке «Окружающий мир». В словаре Ушакова можно прочитать – «Погода – это состояние атмосферы в данной местности, в данное время» [3]. А что такое атмосфера? Атмосфера – это воздушная оболочка, которой окружена наша планета Земля [3].
От чего еще зависит погода? Воздушная оболочка земли давит на поверхность планеты. Это давление называют атмосферным. Атмосферное давление постоянно меняется. Из-за разности давления образуется ветер. Солнце нагревает землю, вода под воздействием тепла испаряется. В атмосферу попадает большое количество влаги, которая охлаждается, образуя капельки воды. Они в свою очередь собираются в облака и тучи. Именно они не дают солнечным лучам нагревать поверхность земли. Количество воды в атмосферном воздухе называется влажностью.
В разных местностях воздух имеет разные свойства – где-то воздух тёплый, где-то – холодный и тогда мы говорим о температуре воздуха. Получается, облачность, осадки и ветер – это основные явления погоды. Наука о погоде называется – метеорология (от гр. «метеорос» — атмосферные и небесные явления) [3].
На сегодняшний день существует множество метеоприборов, основные из которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
|
Термометр |
Прибор для измерения температуры воздуха и воды |
|
|
Гигрометр |
Прибор для измерения влажности воздуха |
|
|
Барометр |
Прибор для измерения атмосферного давления |
|
|
Анемометр |
Прибор для измерения силы и скорости ветра |
|
|
Флюгер |
Прибор для определения направления ветра |
|
|
Метеозонд |
Устройство, находящееся в атмосфере для измерения её параметров |
Как мне показалось, что все эти приборы достаточно сложны в использовании, чтобы спрогнозировать погоду, в отличие от штормгласса.
Анкетирование
Меня заинтересовало мнение моих одноклассников о приборе штормгласс, для этого я провела анкетирование среди учащихся 4 класса (см. приложение 3). Мною был опрошен 31 ученик. Анализ результатов анкетирования показал, что
— все опрошенные интересуются прогнозом погоды, который, узнают по телевизору, интернет или радио.
— 12 человек доверяют прогнозу погоды, передаваемому средствами массовой информации; 17 человек доверяют лишь иногда; 2 человека не доверяют;
— 14 человек знают народные приметы;
— 25 человек знают метеоприборы, в основном называли – термометр и барометр и только 2 человека знают о существовании прибора штормгласс.
Исследуемые приборы
Когда я заинтересовалась таким прибором, как штормгласс, возник вопрос, где его взять? В обычных магазинах он не продается, если заказывать в интернет-магазинах, то цена штормгласса колеблется от 1250 до 3000 рублей, на алиэкспресс можно заказать за 350 — 700 рублей, в зависимости от размера, но заказ с алиэкспресс может идти долго, в течение двух месяцев. Я изучила литературу и интернет-источники по самостоятельному изготовлению штормгласса [4, 5]. Оказалось, что существует несколько рецептов рабочей жидкости для изготовления штормгласса, действующие вещества везде одинаковые, отличаются только количеством необходимых граммов. Ранее уже проводились разные эксперименты по изменению рецептур и изготовлению штормгласса, решено было не останавливаться на этом вопросе. Я взяла упрощённый рецепт из журнала «Химия и жизнь» №1, 1982 г.:
— 2 г хлористого аммония;
— 2 г нитрата калия;
— 40 мл камфорного спирта;
— 33 мл дистиллированной воды [4].
Колба мерная, хлористый аммоний и нитрат калия были куплены в магазине химреагентов, дистиллированная вода в автомагазине, а камфорный спирт в аптеке.
Изготовление штормгласса: (приложение 4)
1. Взвешиваем количество необходимых веществ на кухонных весах.
2. Высыпаем порошки в колбу.
3. Заливаем дистиллированной водой.
4. Перемешиваем путём встряхивания.
5. Выливаем в колбу камфорный спирт.
6. Еще раз перемешиваем и затыкаем пробкой.
7. В колбе начинают выделяться пузырьки воздуха. Ждём прекращения этого процесса, у меня это заняло где-то с полчаса.
8. После того, как на дне появится осадок, нужно вытащить пробку и промазать соединение пробки с колбой любым герметиком.
9. Штормгласс начнёт работать примерно через сутки.
Рис. 3. Ингредиенты для штормгласса
Также мы заказали штормгласс на алиэкспресс. У данного штормгласса интересный дизайн в виде капли. Если верить описанию, устройство настолько чувствительно, что может предсказывать резкое изменение погоды за 10 минут до такого изменения. А при длительном ухудшении погоды выпадение кристаллов может начинаться за неделю до этого.
Таблица 2
|
Образцы штормгласса |
Цена |
Время ожидания/изготовления |
|
1 Штормгласс с алиэкспресс (высота 16 см ) |
423 руб. |
35 дней |
|
2 Штормгласс с алиэкспресс (высота 11 см ) |
279 руб. |
57 дней |
|
3 Изготовленный самостоятельно |
140 руб. |
30 минут |
Первый образец штормгласса, заказанный на алиэкспресс, случайно был разбит дома, было замечено, что запах камфоры отличается от запаха камфорного спирта, купленного в аптеке, запах «китайской камфоры» более насыщенный и стойкий, хоть камфора очень быстро испаряется, запах в квартире, после того как всё убрали, присутствовал еще 2 дня.
Принцип работы штормгласса до сих пор не получил полного научного объяснения, тем интереснее было самолично убедиться в его работе.
Рис. 4. Исследуемые штормглассы
Методика наблюдения
Как же следует пользоваться штормглассом? Погоду угадывают по переменам, которые происходят в смеси, помещённой в пробирку. В ней образуются красивые кристаллы, которые то растут, то распадаются. По виду содержимого такой пробирки можно очень просто и точно предсказать погоду, если принять во внимание следующую методику. Главное преимущество штормгласса — компактность и легкость в использовании. С помощью такого прибора и краткой инструкции любой желающий сможет узнать погоду на ближайшие сутки.
Методика наблюдения взята из журнала «Юный техник – для умелых рук» [4].
Жидкость в колбе прозрачна — солнечно, ясная погода
Жидкость мутная — облачно, возможны осадки
Маленькие точки в жидкости — влажно, туман
Мутная жидкость с маленькими звёздочками — гроза
Маленькие звёздочки в жидкости солнечным зимним днём предвещают снег
Большие хлопья — для зимы – снег, летом – покрытое небо, тяжёлый воздух
Иглистые кристаллы — заморозки
Нити у поверхности — ветрено
Быстрое появление крупного кристалла в чистой колбе при ясной погоде – гроза.
Исследования штормгласса в различных условиях
Сравнение показаний штормгласса, изготовленного самостоятельно и промышленного изготовления (заказанного на «Алиэкспресс»).
Своё наблюдение я начала в мае 2017 г., в течение недели никаких явных изменений в жидкости штормгласса не происходило – на дне осадок, сверху чистая жидкость. Я даже немного разочаровалась и подумала, что штормгласс не работает. Но, через несколько дней погода испортилась, на небе появились грозовые тучи и в пробирках тоже поплыли «облака»! А когда пошёл дождь, внутри жидкости плавали маленькие снежинки.
Оба штормгласса находились на одном и том же месте (подоконник на кухне), температура в помещении была постоянна, установлено, что оба штормгласса одновременно показывали одинаковые изменения: кристаллические наросты возникали и растворялись в обеих колбах, но у штормгласса, заказанного на алиэкспресс, кристаллы были более выражены и больших размеров (приложение 5).
Таблица 3
|
Штормгласс |
Кристаллы, размер |
|
1 Промышленный |
Крупные, 2 — 3 см |
|
2 Самодельный |
Мелкие, не более 1 см |
Рис. 5. Сравнение показаний штормглассов
Штормгласс на море
Отправляясь с родителями в отпуск на Чёрное море, я взяла с собой мой самодельный штормгласс. Я хотела посмотреть, как ведёт себя прибор над облаками, в самолёте, но, так как, пронос жидкости в салон самолёта ограничен, нам пришлось сдать штормгласс в багаж. Перелёт в 3,5 часа штормгласс перенёс хорошо, колба не разбилась, жидкость, естественно, была взболтана. В течение суток всё отстоялось, и мы наблюдали следующее – на дне осадок, сверху прозрачная жидкость, погода при этом была ясная и солнечная, такая погода сохранялась все 3 недели, которые мы находились на море. На море был штиль, никаких изменений в колбе не происходило. Так же было замечено, что погружение штормгласса в морскую воду и нахождение на горячем песке не влияет на образование кристаллов.
Таблица 4
|
Дата |
Температура, °С |
Осадки |
Показания штормгласса |
|
10.07.2017 г. – 28.07.2017 г. |
Ночью 20 – 24 Днём 8 – 32 |
— |
На дне осадок, сверху прозрачная жидкость |
Рис. 6. Штормгласс на море
К сожалению, увидеть реакцию штормгласса на настоящий шторм, из-за хорошей погоды, мне не удалось. В следующем году, когда мы опять поедем на море, мне придётся повторить это исследование.
Штормгласс в холодильнике
Так как свою исследовательскую работу я начала поздней весной, на улице минусовых и низких температур уже не было. Чтобы посмотреть реакцию штормгласса на холодную среду, я поместила свой прибор на ночь в холодильник, температура при этом была 5 градусов, утром я наблюдала образование красивых иглистых кристаллов и снежинок. Поместив штормгласс на подоконник, в течение часа все кристаллы разрушились. Можно сделать вывод, что температура окружающей среды влияет на образование кристаллов.
Таблица 5
|
Дата |
Температура, °С |
Показания штормгласса |
|
01.08.2017 г. |
5 |
Большие игольчатые кристаллы, 3 — 4 см |
Рис. 7. Штормгласс в холодильнике
Штормгласс в бане
Отдыхая у бабушки и дедушки на даче, я не прекращала свои наблюдения за штормглассом. Я решила понаблюдать, как будет себя вести штормгласс при очень высокой температуре. Для этого решено было занести прибор в баню. Температура в бане была 75 градусов, когда я занесла штормгласс в парную, стенки колбы сразу запотели и было трудно наблюдать за происходящим внутри. Через какое-то время запотевание прошло, я увидела, что маленькие кристаллические снежинки разрушились, получается, высокая температура «обнуляет» штормгласс.
Таблица 6
|
Дата |
Температура, °С |
Показания штормгласса |
|
07.08 2017 г. |
75 |
На дне осадок, сверху прозрачная жидкость |
Рис. 8. Штормгласс в бане
Ежедневные наблюдения за состоянием жидкости в штормглассе в течение недели
Штормгласс при этом находится на улице (открытая веранда).
Таблица 7
|
Дата |
Температура, °С |
Облачность, осадки |
Ветер |
Показания штормгласса |
|
05.08.2017 |
ночью 16 – 18 днём 22 – 24 |
Ясно, дождя нет |
умеренный |
На дне осадок, жидкость прозрачная |
|
06.08.2017 |
ночью 14 – 17 днём 20 – 22 |
Переменная облачность, дождь |
очень сильный |
Нити у поверхности |
|
07.08.2017 |
ночью 15 — 17, днём 21 – 23 |
Переменная облачность |
слабый |
На дне осадок, жидкость прозрачная |
|
08.08.2017 |
ночью 15 — 17, днём 21 – 23 |
Пасмурно, дождь |
— |
Крупные хлопья |
|
09.08.2017 |
ночью 12 — 14, днём 19 – 21 |
Переменная облачность, кратковременный дождь |
умеренный |
Небольшие снежинки |
|
10.08.2017 |
ночью 4-6, днём 15-17 |
Облачно, дождя нет |
слабый |
Иглистые кристаллы и плавающие снежинки |
|
11.08.2017 |
Ночью 2-4, Днём 14-16 |
Ясно, Дождя нет |
сильный |
Жидкость прозрачная, на дне — снежинки |
Таблица 8
|
Дата |
Фотография штормгласса |
Дата |
Фотография штормгласса |
|
05.08.2017 |
09.08.2017 |
||
|
06.08.2017 |
10.08.2017 |
||
|
07.08.2017 |
11.08.2017 |
||
|
08.08.2017 |
Выводы
Сравнение показаний штормгласса, изготовленного самостоятельно и промышленного изготовления, показало, что, в зависимости от погоды, в колбах начинают происходить почти одинаковые изменения (рост кристаллов, появление снежинок), это доказывает правильность рецепта, по которому был изготовлен штормгласс. К тому же, самостоятельно изготовление штормгласса экономически выгоднее.
Погружение штормгласса в морскую воду и нахождение на горячем песке не влияет на образование кристаллов. Подтвердить словообразование «штормгласс» наличием реакции на настоящий шторм, к сожалению, не получилось из-за отсутствия шторма на море.
Нахождение штормгласса в холодильнике показало, что кристаллы и снежинки образуются при низкой температуре, а при высокой (штормгласс в бане) снежинки – разрушаются.
Были проведены ежедневные наблюдения за штормглассом с подробным описанием погодных условий. Это исследование показало, что в колбе происходят разного рода изменения.
Можно сделать вывод, что количество и вид кристаллов зависят от температуры и скорости её изменения. Изменения в приборе могут происходить и за несколько часов, и за два-три дня до ожидаемой перемены погоды. Так как штормгласс герметичен, на него не влияют изменения атмосферного давления.
Составлена сводная таблица внешнего вида кристаллов в зависимости от погоды.
Таким образом, проведенное исследование, решило поставленные задачи, подтвердило выдвинутую гипотезу и достигло своей цели.
Приложение 1
Архивные книги с записями погоды г. Снежинска
с 05.02.1989 г. по сегодняшний день
Приложение 2
Упоминание штормгласса в произведении Ж. Верна «Дети капитана Гранта»
Приложение 3
Анкета для одноклассников
1 Откуда вы узнаёте прогноз погоды?
(телевизор, радио, интернет, газеты, народные приметы)
2 Доверяете ли вы прогнозу погоды, передаваемому средствами массовой информации?
(да, нет, иногда)
3 Знаете ли вы народные приметы о погоде?
(да, нет)
4 Знаете ли вы какие-нибудь метеоприборы?
(да, нет)
Если да, то какие? —
5 Знаете ли вы что такое штормгласс?
(да, нет)
Если да, то штормгласс, это —
Приложение 4
Самостоятельное изготовление штормгласса
Приложение 5
Внешний вид кристаллов
Заключение
Штормгласс очень необычный и интересный прибор. Он может быть полезен дачникам, охотникам и рыбакам, моим одноклассникам, чтобы самим предсказывать погоду и с большим желанием вести календарь погоды, даже моя младшая двухлетняя сестренка, которая еще не умеет читать и не знает цифр, сможет определять по образующимся кристаллам-снежинкам изменения в погоде.
Штормгласс может быть поразительно красивым, с тонкими и пушистыми, ежедневно изменяющимися кристаллами. Штормгласс удачно впишется в любой интерьер.
Объяснение принципа работы оказалось невероятно простым, а сам прибор ? достаточно чувствительным, чтобы я могла, глянув на него, понять, как нужно одеваться, выходя из дома. Моё исследование продолжалось 4 месяца, но я не собираюсь его прекращать, и с нетерпением жду первого снега, чтобы наблюдать снежинки не только за окном, но и внутри волшебной колбы!
У меня еще остались ингредиенты для самостоятельного изготовления штормгласса, и в ближайшее время я планирую сделать подарки для моих дедушек!
Моя работа представляет большой интерес для окружающих, любой желающий может самостоятельно изготовить штормгласс, это не требует больших затрат.
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».
Библиографическая ссылка
Бабушкина Д. А. ШТОРМГЛАСС, ИЛИ КАК КРИСТАЛЛЫ ПРЕДСКАЗЫВАЮТ ПОГОДУ // Старт в науке. 2018. № 2.
;
URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=945 (дата обращения: 26.05.2025).
Олег Мамаев
«Наука и жизнь» №6, 2015
«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.
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».
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.
Фото автора