Загадка штормгласса — домашней метеостанции на элементной базе начала XIX века

Впервые опубликовано в 2016 году на сайте Geektimes.

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:


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!
 

К остальным статьям.

Мои контакты

Оставить комментарий в гостевой книге.

Главная страница.

Использование информации с сайта приветствуется при сохранении ссылки на первоисточник. :-).

Счётчик посещений:

4

Яндекс.Метрика