Материалы Смитсоновского института: Музей истории и техники: Статья 23

Внедрение самопишущих метеорологических приборов

Роберт П. Малтоф

ПЕРВЫЕ САМОПИШУЩИЕ ПРИБОРЫ 99

САМОПИШУЩИЕ СИСТЕМЫ 105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114

Внедрение САМОПИШУЩИХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Роберт П. Малтоф

Разработка самопишущих метеорологических приборов началась вскоре после возникновения самих научных метеорологических наблюдений. Однако лишь в 1860-х годах, спустя два столетия после начала научных наблюдений, самопишущий прибор стал значимым фактором в метеорологии.

Эта временная задержка объясняется не столько несовершенством методов изготовления приборов, сколько недостатками в самой организации метеорологии. Решающим фактором стало создание в 1860-х годах хорошо финансируемых и компетентно управляемых метеорологических обсерваторий, большинство из которых были основаны как дополнения к астрономическим обсерваториям.

Об авторе: Роберт П. Малтоф — главный куратор отдела науки и техники Национального музея США, Смитсоновский институт.

Расцвет науки в XVII веке сопровождался бурным развитием изобретательства в области приборов, столь же впечатляющим, как и сама наука. Несмотря на предшествующие события, этот расцвет во многом обязан Галилео Галилею, чей интерес к измерению природных явлений хорошо известен и которому приписывают изобретение термометра и гидростатических весов, разработанных им в связи с экспериментами по решению конкретных научных задач. Многие, если не большинство, других итальянских изобретателей приборов начала XVII века были его учениками. Бенедетто Кастелли, интересуясь влиянием осадков на уровень озера, сконструировал дождемер около 1628 года. Санторио, известный как пионер в области количественного анализа физиологии животных, считается автором наблюдений, проведенных около 1626 года, которые привели к созданию гигрометра.

Оба этих современника интересовались самым известным изобретением Галилео Галилея — термоскопом (предшественником термометра), который он разработал около 1597 года как метод сравнения температур. Полезность прибора была немедленно признана физиками (как ни странно, не химиками), и в течение 50 лет в Северной Европе и Италии было приложено много изобретательности для его совершенствования. Преобразование этого открытого термоскопа, работающего на принципе расширения воздуха, в современный термометр было осуществлено флорентийской Академией дель Чименто около 1660 года.

Рисунок 1. — Комплект типичных метеорологических приборов Смитсоновского института, рекомендованный в инструкциях для наблюдателей, изданных институтом в 1850-х годах. Вверху (слева направо): максимально-минимальный термометр профессора Филлипса, сухо- и влажностный термометры, ртутный барометр Грина из Нью-Йорка. Внизу слева: дождемер. Влажностный термометр, хотя и является типичным, на самом деле представляет собой более поздний прибор. Дождемер — это копия.

Галилео Галилей также вдохновил создание барометра своими размышлениями о вакууме, которые в 1643 году привели его ученика Эванджелисту Торричелли к экспериментам, доказавшим ограниченность «боязни пустоты» в природе. Аппарат Торричелли, в отличие от термоскопа Галилея, представлял собой барометр по сути в его классической форме. В своих ранних экспериментах Торричелли заметил, что воздух имеет тенденцию становиться «гуще и тоньше»; как следствие, мы находим барометр в использовании (вместе с термометром) для метеорологических наблюдений уже в 1649 году.

Заседания Академии прекратились в 1667 году, но Лондонское королевское общество, основанное пятью годами ранее, уже стало плодотворным источником новых приборов, во многом благодаря способностям его демонстратора Роберта Гука, в чью задачу входило развлекать и просвещать членов общества экспериментами. В процессе разработки этих экспериментов Гук стал, пожалуй, самым плодовитым изобретателем приборов всех времен. По-видимому, он изобрел первый анемометр (измеритель давления ветра) в помощь морякам, а также усовершенствовал батометр, гигрометр, гидрометр и барометр, а также приборы, не связанные напрямую с измерениями, такие как вакуумный насос и устройства для взятия проб морской воды. Как и во Флоренции, эти приборы были немедленно применены для наблюдения за природой.

Однако не представляется оправданным делать вывод, что развитие научной метеорологии было вдохновлено изобретением приборов, поскольку метеорология начала освобождаться от традиционных примет и демонологии еще в начале XVII века. Ландграф Гессенский описал некоторые одновременные метеорологические наблюдения, проведенные без приборов в 1637 году. «Естественная история ветра» Фрэнсиса Бэкона, считающаяся первой специальной работой такого рода, получившей широкое распространение, появилась в 1622 году. Вероятно, развитие научной метеорологии было аспектом общей рационализации изучения природы, происходившей в то время, и первоначальный импульс для такого прогресса был получен не от изобретения приборов, а от потребности мореплавателей в данных о ветре в эпоху, когда длительные плавания вдали от берега стали обычным явлением.

В этой связи следует отметить, что два важнейших прибора — термометр и барометр — отнюдь не были вдохновлены интересом к метеорологии. Но наблюдение, сделанное в начале истории барометра, о том, что атмосферное давление меняется в некоторой зависимости от видимых изменений погоды, вскоре привело к использованию этого прибора в качестве «погодного стекла». В частности, ветры приписывались нарушениям барометрического равновесия, и исследования взаимосвязи ветра и барометрического давления проводились Эванджелистой Торричелли, Эдме Мариоттом и Эдмундом Галлеем, причем последний опубликовал первую метеорологическую карту. В 1678–1679 годах Готфрид Лейбниц пытался поощрять наблюдения для проверки способности барометра предсказывать погоду.

Другие вопросы квазиметеорологического характера интересовали ученых того периода и привели к использованию других приборов. Наблюдения за количеством осадков и испарением проводились в рамках древнего вопроса об источниках земных вод, поддержании уровня морей и т. д. Врачи использовали приборы для изучения вопроса о связи между погодой и заболеваемостью. Взаимосвязь между этими различными метеорологическими начинаниями стала очевидной довольно скоро. Вскоре после своего основания в 1657 году флорентийская академия предприняла попытку создания международной сети метеорологических станций путем распространения термометров, барометров, гигрометров и дождемеров — сети, которая не пережила распада самой Академии десять лет спустя.

Более века не предпринималось первой серьезной попытки систематических наблюдений. С 1763 года в Академии наук в Мангейме существовала метеорологическая секция, а впоследствии — отдельное метеорологическое общество. В 1783 году Академия опубликовала наблюдения с 39 станций; данные центральной станции включали показатели гигрометра, флюгера (но не анемометра), дождемера, испарителя, приборов для геомагнетизма и атмосферного электричества, а также данные термометра и барометра. Мангеймская система также просуществовала недолго, будучи прерванной наполеоновским вторжением, но в следующем поколении по всей Европе и Америке предпринимались попытки создания систем сопоставимого масштаба.

В Соединенных Штатах управление главного хирурга армии США начало первые систематические наблюдения в 1819 году, используя только термометр и флюгер, к которым в 1840–1841 годах добавились барометр и гигрометр, а в 1843 году — анемометр для измерения силы ветра, дождемер и влажностный термометр. Тем временем государственные системы метеорологических наблюдений были открыты в Нью-Йорке (1825), Пенсильвании (1836) и Огайо (1842).

Однако почти 200 лет наблюдений заметно не улучшили погоду, и наивная вера в способность приборов раскрыть ее тайны, которой обладали многие ранние метеорологи, больше не привлекала ученых начала XIX века. В первом опубликованном отчете Британской ассоциации содействия развитию науки в 1833 году Дж. Д. Форбс призвал к реорганизации процедур:

В астрономии, например, как и в оптике, великие общие истины, которые выявляются в ходе прогресса открытий, хотя и зависят от множества независимых фактов и наблюдений, обладают достаточным единством, чтобы соединить в сознании суть целого; и более глубокое понимание связи частей побуждает к дальнейшим обобщениям.

Совсем иное положение у такой молодой науки, как метеорология. Единство целого... не всегда принимается во внимание, даже в той мере, в какой это позволяют наши нынешние весьма ограниченные общие представления: и поскольку немногие люди посвятили все свое внимание только этой науке... неудивительно, что мы находим разбросанными по ее неровной и обширной поверхности участки возделывания на местах, выбранных без разбора и обрабатываемых без общего принципа, которые не поддаются ни ограждению, ни оценке и объединению исследователем. Метеорологические приборы по большей части рассматривались как игрушки, и много времени и труда было потрачено на проведение и запись наблюдений, совершенно бесполезных для каких-либо научных целей. Даже многочисленные журналы довольно высокого класса... едва ли содержат хоть крупицу информации, готовой для включения в отчет о прогрессе метеорологии...

Самая общая ошибка, вероятно, заключается в представлении о том, что метеорология как наука не имеет иной цели, кроме экспериментального ознакомления с состоянием тех переменных элементов, которые изо дня в день составляют общий и расплывчатый результат состояния погоды в любом данном месте; не учитывая, что... при группировке с другими данными того же характера они могут оказать самую ценную помощь научному обобщению.

Форбс продолжает призывать к большему вниманию к теории и замене множества мелкомасштабных обсерваторий «несколькими великими регистрами», которые должны адекватно поддерживаться «великими обществами» или правительством. Он предполагает, что время для занятий теорией можно было бы получить за счет отказа от «расплывчатой механической задачи, которой в настоящее время они обычно посвящают свое время, а именно поиска высокой численной точности, до избыточного количества десятичных знаков, превышающего возможности прибора для проверки».

С момента своего основания Британская ассоциация спонсировала систематические наблюдения в различных местах. В 1842 году она инициировала наблюдения в Кьюской обсерватории, которая до сегодняшнего дня остается главной метеорологической обсерваторией Британской империи. Американский ученый Джозеф Генри наблюдал за работой обсерватории, поддерживаемой Британской ассоциацией в Плимуте в 1837 году, и, став секретарем нового Смитсоновского института несколько лет спустя, он сделал содействие метеорологии одной из своих первых целей.

Кьюская обсерватория задала образец для систематических наблюдений в Англии, как и Смитсоновский институт в Соединенных Штатах с 1855 года. Используемые приборы мало чем отличались от тех, что применялись в Мангейме более полувека назад (рис. 1). Они, несомненно, были более точными, но не стоит переоценивать этот факт. Форбс отмечал в своем отчете 1832 года, что некоторые ученые тогда призывали вернуться к Торричелли, к созданию временного барометра на месте, вместо того чтобы полагаться на существующие тогда промышленные приборы.

Первые самопишущие приборы

С середины XVII века метеорологические наблюдения записывались в рукописные книги, известные как «регистры», многие из которых были опубликованы в ранних научных журналах. Наиболее эффективное использование этих наблюдений заключалось в составлении истории конкретных штормов, но когда речь шла о более широком синтезе, они, как показал Форбс, оказывались несистематичными и несопоставимыми. Основными проблемами метеорологических наблюдений с самого начала были создание точно сопоставимых приборов и их использование для получения сопоставимых записей. Первая проблема часто обсуждалась и, возможно, как предполагает Форбс, переоценивалась. Именно последняя проблема нас здесь и интересует.

Идея механизации процесса наблюдения, еще не реализованная во времена Форбса, была выдвинута в течение немногим более десяти лет после первого использования термометра и барометра в метеорологии. 9 декабря 1663 года Кристофер Рен представил Королевскому обществу проект «погодных часов», чертеж которых сохранился. Этот чертеж (рис. 2) показывает обычные часы, к которым прикреплена стойка с карандашом, соединенная зубчатой передачей с часовым колесом. Обсуждение «практического воплощения» часов положило начало участию Роберта Гука, которому в сентябре 1664 года было «поручено» сделать «маятниковые часы, применимые для наблюдения за изменениями погоды». Эта дань уважения репутации Гука — и универсальности механических искусств того времени — была несколько чрезмерно оптимистичной, так как прошло 15 лет, прежде чем часы появились.

Рисунок 2. — Современный рисунок «погодных часов» Рена. (Фото предоставлено Лондонским королевским обществом.)

Упоминания об этих часах часто встречаются в записях Королевского общества — в основном это периодические предписания Гуку продолжать работу — вплоть до их завершения в мае 1679 года. Описание, которое Гука попросили предоставить, было впоследствии найдено среди его бумаг и напечатано Уильямом Дерхэмом следующим образом:

Погодные часы состоят из двух частей; во-первых, той, что измеряет время, — это сильные и большие маятниковые часы, которые ходят неделю при одном заводе и которых достаточно, чтобы поворачивать цилиндр (на который намотана бумага) дважды в день, а также поднимать молоточек для удара по пуансонам каждые четверть часа.

Во-вторых, из нескольких приборов для измерения степени изменений в различных наблюдаемых вещах. Первый — это барометр, который перемещает первый пуансон на полтора дюйма, служа для показа разницы между наибольшим и наименьшим давлением воздуха. Второй — термометр, который перемещает пуансон, показывающий разницу между наибольшим теплом летом и наименьшим зимой. Третий — гигроскоп, перемещающий пуансон, который показывает разницу между самым влажным и самым сухим воздухом. Четвертый — дождевое ведро, служащее для показа количества выпадающего дождя; оно имеет две части или пуансона; первый — чтобы показать, какая часть ведра заполнена, когда выпадает недостаточно, чтобы оно опорожнилось; второй — чтобы показать, сколько полных ведер было опорожнено. Пятый — флюгер; он также имеет две части; первая — для показа силы ветра, которая наблюдается по количеству оборотов ветряной мельницы и отмечается тремя пуансонами; первый отмечает каждые 10 000 оборотов, второй — каждые 1 000, третий — каждые 100: вторая — для показа четвертей ветра, она имеет четыре пуансона; первый с одной точкой, отмечающий северные четверти, а именно: С, С-В, С-З, ССВ, ССЗ, ССВ и ССЗ: СВ и СЗ. Второй имеет две точки, отмечающие восток и его четверти. Третий имеет три точки, отмечающие юг и его четверти. Четвертый имеет четыре точки, отмечающие запад и его четверти. Некоторые из этих пуансонов делают одну отметку каждые 100 оборотов ветряной мельницы.

Места или позиции первых четырех пуансонов отмечаются на бумажном свитке молоточком часов, падающим каждые четверть часа. Пуансоны, относящиеся к пятому, отмечаются на упомянутом свитке оборотами флюгера, которые учитываются небольшим счетчиком, стоящим в верхней части корпуса часов, который приводится в движение ветряной мельницей.

Какие именно приборы применил Гук в своих погодных часах? Не всегда легко даже догадаться, потому что, по-видимому, Рен был на самом деле первым, кто придумал такое устройство, и, кажется, разработал почти столько же приборов, сколько и Гук. Можно было бы предположить, что Гук адаптировал бы к погодным часам свой колесный барометр, представленный в 1667 году, но также кажется, что Рен описал (и, возможно, построил) балансовый барометр до 1667 года. Что касается термометра, у нас нет доказательств оригинальной работы Гука, но у нас есть описание самопишущего термометра Рена — круглой, наполненной ртутью трубки, в которой изменения температуры перемещают «весь прибор, как колесо на своей оси».

Гигроскоп (гигрометр), вероятно, существовал в большем количестве версий, чем любой другой прибор, хотя мы ничего не знаем о версиях Рена. Гук, возможно, использовал свой собственный прибор из «овсяной ости». Дерхэм сопровождает свое описание часов — которое было процитировано выше — подробным описанием дождемера с опрокидывающимся ведром, изобретенного Гуком и использовавшегося с часами. Он также отмечает, что в 1670 году Гук описал два других типа дождемеров, в которых ведро уравновешивалось в одном случае связкой пуль, а в другом — погруженным грузом. Но и здесь Спрат записывает изобретение дождемера с опрокидывающимся ведром Реном до 1667 года.

Гук обычно считается первым изобретателем анемометра в 1662 году. Но это изобретение было манометром с пластиной давления — то есть металлической пластиной, удерживаемой лицевой стороной против ветра, — тогда как манометр, используемый с погодными часами, явно является типом ветряной мельницы, и этот тип может быть первым. У Рена также был анемометр, но у нас нет его описания. Отчет Гука не упоминает другие приборы, которые, как предполагается, были в погодных часах согласно описанию, процитированному Гюнтером, которое завершает перечисление элементов, записываемых «солнечным светом и т. д.». Можно только пожелать получить дополнительную информацию о механизме, с помощью которого перемещались пуансоны — или, в часах Рена, карандаши. Но очевидно, что часы Гука действительно использовались некоторое время.

Рисунок 3. — «Атмосферный регистратор» Долланда: 1, сифонный и поплавковый барометр; 2, балансовый (?) термометр; 3, гигрометр; 4, электрометр; 5, поплавковый дождемер; 6, поплавковый испаритель; 7, индикатор силы ветра с подвесным грузом; 8, индикатор направления ветра; 9, часы; 10, приемники для дождемера и испарителя. (Из Официального... каталога Великой выставки 1851 года, Лондон, 1851, ч. 2).

XVII век был не совсем не готов к идее такого самопишущего прибора. Водяные часы и другие устройства, в которых природные силы управляли указателем, были известны в древности, как и счетчики типа одометра. Водяные часы, описанные в Италии в 1524 году, были по сути инверсией одного из дождемеров Гука, того, в котором ведро уравновешивалось связкой пуль. Механические часы также имели значительную историю в XVII веке и уже давно применялись для управления фигурами с помощью кулачков, что почти наверняка было в случае с пуансонами в часах Гука. Тем не менее, сочетание приводимого в действие прибором указателя с часовой шкалой времени и средством получения постоянной записи представляет собой группу инноваций, которая, безусловно, входит в число величайших в истории приборостроения. Похоже, что мы обязаны этими инновациями Рену и Гуку.

Часы Гука не внесли никакого вклада в систематизацию метеорологических наблюдений, и последняя запись о них, по-видимому, представляет собой заметку об их «переоборудовании» в 1690 году. Их сложность — достаточная причина для их эфемерной истории, но сложность в проектировании машин была модой того времени, и Гук, возможно, не стремился к большему, чем механический tour de force. С другой стороны, он, возможно, осознавал необходимость, к которой часто возвращались более поздние метеорологи, — потребность в одновременных наблюдениях нескольких приборов на одном регистре. В любом случае, ни один столь же комплексный прибор, по-видимому, не пытались создать снова до середины XIX века, когда Джордж Долланд выставил один из них на Великой выставке в Лондоне (см. рис. 3). Погодные элементы, записываемые прибором Долланда, были теми же, что записывались прибором Гука, за исключением того, что записывалось атмосферное электричество (неизвестное во времена Гука) и не записывался солнечный свет. Долланд использовал ударные молоточки для некоторых приборов и «вечно острые карандаши» для других. Барометр Долланда был колесным прибором, управляющим молоточком. Его термометрический элемент состоял из 12 сбалансированных ртутных термометров. Его принцип работы неясен, но, вероятно, он был похож на термометр, разработанный Карлом Крейлем в Праге примерно в то же время (рис. 4). Индикатор силы ветра Долланда состоял из пластины давления, уравновешенной связкой подвешенных грузов. В целом, неясно, был ли прибор Долланда лучше прибора Гука или была ли его карьера дольше.

171 год между этими двумя приборами не был лишен изобретательности в этой области, но даже несмотря на то, что изобретатели ставили более скромную цель — самопишущий прибор для одного метеорологического показателя, их детища были повсеместно мертворожденными. Затем, в период 1840–1850 годов, мы видим появление серии самопишущих приборов, которые действительно использовались, которые широко внедрялись обсерваториями и которые были заменены более совершенными приборами, а не заброшены. Это развитие, несомненно, стало следствием создания в то время постоянных обсерваторий под компетентным научным руководством.

Долгий опыт показал метеорологам 1840-х годов, что главным препятствием для успеха самопишущих приборов является трение. Форбс указал, что наиболее насущной потребностью является автоматическая регистрация данных о ветре, поскольку беспорядочные колебания ветра требовали более частых наблюдений, чем могла обеспечить любая ручная система. Двое наблюдателей Британской ассоциации создали отдельные регистрирующие приборы для направления и силы ветра в конце 1830-х годов — быстрый ответ, который предполагает, что дело было не в отсутствии идеи. Один из этих приборов, разработанный Уильямом Уэвеллом, содержал зубчатую передачу, трение которой сводило на нет его полезность, как это было у ряда предшественников. Другой, разработанный А. Фоллетом Ослером, был свободен от зубчатой передачи; он отдельно записывал давление и направление ветра на листе бумаги, перемещаемом часовым механизмом в боковом направлении. Элементом давления была подпружиненная пластина давления, переносимая флюгером так, чтобы она была обращена к ветру. И эта пластина, и сам флюгер были сделаны так, чтобы перемещать карандаши через систему цепей и шкивов. Анемометр Ослера (рис. 5) заслуживает того, чтобы называться первым успешным самопишущим метеорологическим прибором; он был стандартным оборудованием в британских обсерваториях до конца XIX века, когда его заменил чашечный анемометр Робинсона.

Рисунок 4. — Балансовый термометр Крейля, 1843 г. (Из работы: Karl Kreil, Magnetische und meteorologische Beobachtungen zu Prag, Прага, 1843, том 3, рис. 1.)

Рисунок 5. — Самопишущий анемометр с напорной пластиной Ослера, 1837 г. Инструмент показан вместе с опрокидывающимся дождемером. (Из работы: Abbe, op. cit., примечание 17.)

Самопишущие барометры и термометры были более подвержены влиянию трения, чем ветроизмерительные приборы, однако, к счастью, давление и температура также были менее подвержены резким колебаниям, поэтому необходимость в самопишущих устройствах была меньше. Тем не менее, в 1840-х годах произошли два события, которые привели к развитию самопишущих инструментов. Одним из них стало создание геомагнитной обсерватории, где использовался магнитометр — прибор столь же чувствительный, как барометр и термометр, и (как тогда казалось) столь же подверженный колебаниям, как флюгер. Другим событием стало развитие фотографии, что сделало возможным метод регистрации, свободный от трения. В 1845 году Фрэнсис Роналдс в Кьюской обсерватории и Чарльз Брук в Гринвиче взялись за разработку аппаратуры для регистрации показаний магнитометра, электрометра, термометра и барометра с помощью фотографии. [18] Это произошло через шесть лет после открытия Дагером фотографического процесса. Магнитометры обоих исследователей были введены в эксплуатацию в 1847 году, а барометры и термометры — вскоре после этого. В их основе лежало отклонение луча света, направленного на фотопластинку, — с помощью зеркала в случае магнитометра и электрометра, и с помощью ртути в барометре и термометре. Брук представил свои инструменты на Всемирной выставке 1850 года, и впоследствии они стали коммерческими товарами и стандартным оснащением крупных обсерваторий почти до конца века (рис. 6). Их преимущества в точности в конечном итоге оказались недостаточными, чтобы компенсировать неудобства, присущие фотографическому инструменту.

До 1850 года британские обсерватории в Кью и Гринвиче (последняя была астрономической обсерваторией с дополнительной метеорологической деятельностью) использовали самопишущую аппаратуру для большинства наблюдаемых элементов.

Самопишущие системы

В 1870 году Корпус связи армии США взял на себя бремя официальной метеорологии в Соединенных Штатах в результате совместной резолюции Конгресса и в соответствии с мнением Джозефа Генри о том, что Смитсоновский институт не должен становиться постоянным органом для такой научной работы, как только вопрос о ее постоянстве был решен. Метеорологические исследования Смитсоновского института не включали использование самопишущих инструментов, как и исследования Корпуса связи на начальном этапе, «из-за дороговизны аппаратуры и потому, что ничего подобного в то время в этой стране не производилось». [19]

Но почти сразу после 1870 года Корпус связи приступил к реализации явно хорошо финансируемой программы по внедрению самопишущих приборов. Были закуплены «полные комплекты», представлявшие систему Вильда, систему Кью в исполнении Бекли, систему Хиппа (рис. 8), метеорограф Секки (рис. 9, 10), систему Дрейпера, а также печатающий барограф и термограф Хоу. Из них только система Кью — уже упомянутая фотографическая система — могла быть получена до 1867 года.

Рисунок 6. — Фотографический регистрирующий ртутный барометр, типичная коммерческая версия. (Из каталога: J. J. Hicks, Catalogue of ... Meteorological Instruments, Лондон, без даты, около 1870 г.)

Как и обсерватория в Кью, обсерватория Дэниела Дрейпера в Центральном парке Нью-Йорка была создана прежде всего для метеорологических наблюдений. [20] Дрейпер был одним из сыновей видного ученого Дж. У. Дрейпера. Хипп был изготовителем инструментов из Невшателя, специализировавшимся на прецизионных часах. [21] Другие лица, в честь которых были названы эти «системы», были директорами астрономических обсерваторий, которые в то время являлись наиболее активными центрами метеорологических наблюдений. Вильд работал в Бернской обсерватории, [22] Секки — в Папской обсерватории в Риме, [23] а Джордж Хоу — в обсерватории Дадли в Олбани, штат Нью-Йорк. [24] Хотя Корпус связи, по-видимому, приобрел все основные «системы», некоторые интересные инструменты были разработаны и в других обсерваториях, в частности Крейлем в астрономической обсерватории в Праге. [25] Основной импульс для этой полномасштабной механизации наблюдений, несомненно, исходил от директоров астрономических обсерваторий.

Таким образом, всего за десятилетие 1860-х годов было разработано пять новых систем метеорологической саморегистрации, которые были признаны достаточно удачными, чтобы их перенимали или копировали обсерватории за пределами мест их создания. Вильд и Дрейпер сообщают, что при основании их обсерваторий — в 1860 и 1868 годах соответственно — было решено, что все инструменты должны быть самопишущими. Каждому из них пришлось проектировать свои собственные, будучи недовольными коммерчески доступными фотографическими регистраторами. Таким образом, развитие этих систем, по-видимому, было отчасти обусловлено общим распространением убеждения в том, что создание удовлетворительных инструментов достижимо.

Рисунок 7. — В 1838 году американский метеоролог-пионер Джеймс Г. Коффин (1806–1873) разработал самопишущий указатель направления ветра; в 1849 году он усовершенствовал его, как показано здесь. Лента, приводимая в движение часовым механизмом, несет карточки с отметками дня и часа. В более раннем инструменте Коффина, часть которого сейчас находится в Смитсоновском институте, флюгер нес воронку для песка, который высыпался в круговой ряд бутылок. (Из издания: Proceedings of the American Association for the Advancement of Science, 1849, том 2, стр. 388.)

Эта уверенность была оправдана, поскольку десятилетие 1850-х годов ознаменовалось появлением крупных инноваций в базовых инструментах — термометре, барометре и указателе скорости ветра, — что сделало доступными приборы, более приспособленные к саморегистрации. В это же время был разработан новый метод электрической регистрации, заимствованный из телеграфии. Сэр Чарльз Уитстон положил начало этой небольшой революции в 1843 году, когда сообщил Британской ассоциации, что сконструировал электромагнитный метеорологический регистратор, который «записывает показания барометра, термометра и психрометра [имеется в виду влажный термометр] каждые полчаса... и печатает результаты на листе бумаги в цифрах», работая неделю без присмотра. Принцип работы этого регистратора заключался в замыкании цепи с помощью проводника в трубках, при этом термометры имели открытые верхние части. [26] Это произошло через десять лет после разработки электромагнитного реле и через шесть лет после внедрения Уитстоном собственного телеграфа.

Инструмент Уитстона оставил очень эфемерный след в метеорологической литературе и, по-видимому, был либо несовершенным, либо не соответствовал духу времени, которое было поглощено внедрением фотографических инструментов. Работа Уитстона была заново открыта вместе с работами нескольких других гораздо более ранних изобретателей решительными директорами обсерваторий 1860-х годов.

Из пяти систем, разработанных в то время, четыре использовали электромагнитную регистрацию, и только Дрейпер придерживался механической системы (см. рис. 11). Для измерения температуры Секки и Хоу использовали электрическую систему Уитстона с ртутным термометром (рис. 12), но остальные четыре использовали физический принцип, который периодически предлагался в течение по крайней мере столетия — неравномерное тепловое расширение биметаллической пластины. Этот принцип использовался часовщиками для совершенно иных целей — температурной компенсации маятника часов, — но его возможности в качестве термометра были известны задолго до середины XIX века. [27]

Рисунок 8. — Регистрирующий анероид Хиппа с телеграфным печатающим устройством. (USNM 314544; фото Смитсоновского института 46740-D.)

Для измерения давления Секки, Вильд и Дрейпер приняли или заново открыли балансовый барометр, разработанный Реном в XVII веке. В инструменте этого типа (см. рис. 13, 15) либо трубка, либо резервуар барометра прикреплены к одному из плеч весов, равновесие которых нарушается движением ртути в приборе. [28]

Рисунок 9. — Вид спереди и сзади метеорографа Секки, 1867 г. (Из работы: Lacroix, op. cit., примечание 22.)

Барометр Хоу был адаптацией электрического контактного термометра. Движение ртути на определенное минимальное расстояние внутри трубки служило переключателем для включения электрической системы записи. Хипп, который был, пожалуй, последним из этой группы, первым применил анероид (рис. 8) для саморегистрации. Идея анероида — герметичных мехов, на которые воздействует атмосферное давление, — была выдвинута Лейбницем в XVII веке и была предметом нескольких неудачных экспериментов в XVIII веке. Только в 1848 году был создан инструмент, который стал приемлемым для пользователей барометров. [29]

В качестве прибора для измерения скорости ветра все шесть систем использовали чашечный анемометр, разработанный Робинсоном в 1846 году, главным достоинством которого была тщательность, с которой изобретатель проработал зависимость между его движением и фактической скоростью ветра. [30] Бекли и Дрейпер заставляли его перемещать карандаш с помощью зубчатой передачи; остальные использовали вместе с ним электромагнитные счетчики, приводимые в действие вращающимися контактами.

Рисунок 10. — Диаграмма с метеорографа Секки. (Из работы: Lacroix, op. cit., примечание 22.)

Как уже указывалось, Корпус связи использовал все шесть систем — целый набор приспособлений, который, должно быть, было удивительно видеть. Его метеорограф Секки, который привлек большое внимание в Париже, по оценкам, стоил 15 000 франков. Аббе в 1894 году сообщал, что инструменты долгое время хранились в аппаратной «как захватывающее зрелище для посетителей и стимул для персонала к изобретению других инструментов». [31]

Рисунок 11. — Механический регистрирующий барометр Дрейпера, использовавшийся в Ликской обсерватории. (Фото любезно предоставлено Ликской обсерваторией.)

Рисунок 12. — Электромеханический регистрирующий барометр Хоу, около 1871 г.

Рисунок 13. — «Балансовый барометр по Сэмюэлю Морленду» Фюсса, 1880 г. Вероятно, Рен был создателем этого типа инструмента. (Из работы: Loewenherz, op. cit., примечание 28.)

Рисунок 14. — Механический регистрирующий барометр Марвина, 1905 г. Этот инструмент ранее находился в Бюро погоды США. (USNM 316500; фото Смитсоновского института 46740-E.)

Рисунок 15. — «Безмен-барометр» (steelyard barometer), показанный в «Математическом и философском словаре» Чарльза Хаттона (Лондон, 1796, том 1, стр. 188). Хаттон не упоминает создателя этого инструмента; он приписывает «диагональный» (или наклонный) барометр Сэмюэлю Морленду.

С 1875 года вопрос заключался уже не во внедрении самопишущих инструментов в крупных обсерваториях, а в их полной механизации и распространении регистрации на вспомогательные станции. Приняв саморегистрацию, метеорологи обратили свое внимание на упрощение инструментов. В 1904 году Чарльз Марвин из организации, ныне известной как Бюро погоды США, довел развитие самопишущего барометра до своего рода логического завершения, создав инструмент (рис. 14), который был не чем иным, как колесным барометром Гука, непосредственно адаптированным для записи. [32] Но этот процесс упрощения был осуществлен одним махом, около 1880 года, с введением парижским изготовителем инструментов Жюлем Ришаром самопишущего барометра и термометра, сочетающих простейшую форму инструмента с простейшей формой регистрации (см. рис. 16). Эта инновация, которая определила форму обычного регистрирующего прибора вплоть до появления радиозонда, по-видимому, возникла из источника, совершенно далекого от метеорологии, — технологии паровых манометров. Термометрическим элементом Ришара была изогнутая металлическая трубка эллиптического сечения, которую Бурдон разработал несколькими десятилетиями ранее в качестве парового манометра. Давление внутри такой трубки заставляет ее выпрямляться и, таким образом, перемещать указатель, прикрепленный к одному концу. Бурдон открыл ее для источника пара. Ришар наполнил ее спиртом, закрыл и обнаружил, что расширение спирта при нагревании вызывает аналогичное выпрямление. Его барометрическим элементом был тип анероида, который Хипп уже использовал, но который Ришар, возможно, также позаимствовал из типа парового манометра. В качестве записывающего механизма Ришар смог использовать простое прямое рычажное соединение, поскольку задействованные в его инструментах силы, будучи сконцентрированными, не сильно затруднялись трением. [33] К 1900 году эти простые и недорогие инструменты отправили на свалку, к сожалению, в буквальном смысле, элегантные продукты массового наступления директоров обсерваторий 1860-х годов на проблему самопишущего термометра и барометра. [34]

Заключение

Ввиду редкости специальных исследований по истории метеорологических инструментов невозможно утверждать, что в этом кратком обзоре не упущены важные инструменты, и выводы о происхождении инструментов конца XIX века могут быть сделаны лишь предварительно. Однако неизбежен вывод, что большинство инструментов, на которых основывались самопишущие системы конца XIX века, были предложены и, в большинстве случаев, фактически сконструированы в XVII веке. Также очевидно, что в XVII веке была предпринята по крайней мере одна попытка создания системы, столь же комплексной, как любая из тех, что были реализованы в XIX веке.

Рисунок 16. — Регистрирующий анероид Ришара, инструмент, использовавшийся в Бюро погоды США около 1888 г. Регистрирующий термометр Ришара аналогичен, анероид заменен наполненной спиртом трубкой Бурдона. (USNM 252981; фото Смитсоновского института 46740-C.)

Приписывать успех самопишущих инструментов в конце XIX века несомненным улучшениям в методах работы изготовителей инструментов — значит уходить от ответа, ибо отнюдь не ясно, что методы изготовителей инструментов XVII века были неадекватны этой задаче. Следует также отметить, что фотографические и электромагнитные системы XIX века, по-видимому, были своего рода интерлюдией, поскольку некоторые из самых поздних и долговечных (все инструменты Дрейпера и Ришара, а также барограф Марвина) были чисто механическими инструментами, как и инструменты Гука и Рена. Если мы придем к выводу, что инструменты XIX века были более точными, нам также следует вспомнить комментарии Форбса по вопросу об инструментальной точности.

В чем же тогда заключалась существенная разница между XVII и XIX веками, которая сделала возможным развитие самопишущей обсерватории? По-видимому, это была разница в степени — созревание в XIX веке определенных черт XVII века. Наиболее важными из этих черт были распространение по всему западному миру духа, который воодушевлял научные общества Флоренции и Лондона, сохраняющаяся популярность астрономической обсерватории как объекта филантропии состоятельного общества и продолжающееся существование неспециализированного ученого. В этих обстоятельствах такие неметеорологи, как Уитстон, Генри, Хоу, Вильд и Секки, имели смелость охватывать все еще не разделенные отрасли науки и техники, будучи полностью уверенными в своей способности найти тем самым решение любой проблемы, достаточно важной, чтобы заслужить их внимание.

ПРИМЕЧАНИЯ:

[1] О ранних метеорологических инструментах см.: A. Wolf, A History of Science, Technology and Philosophy in the Sixteenth and Seventeenth Centuries, Нью-Йорк, 1935, и E. Gerland and F. Traumüller, Geschichte der physikalischen Experimentierkunst, Лейпциг, 1899. О признании метеорологической значимости барометра Торричелли и его метеорологическом использовании в 1649 году см.: K. Schneider-Carius, Wetterkunde Wetterforschung, Фрайбург и Мюнхен, 1955, стр. 62, 71.

[2] Книга Бэкона подчеркивает «прямые» и «косвенные» эксперименты и призывает к систематизации наблюдений, но не упоминает инструменты. Она переиздана в работе: Basil Montagu, The Works of Francis Bacon, Lord Chancellor of England, Лондон, 1825, тома 10 и 14.

[3] Wolf, op. cit. (примечание 1), стр. 312, 316–320. Интерес Лондонского королевского общества к барометру, по-видимому, был вызван теорией Декарта о том, что изменение показаний прибора вызвано давлением Луны.

[4] О ранней метеорологии в Соединенных Штатах см. отчет Джозефа Генри в: Report of the Commissioner of Patents, Agriculture, for the Year 1855, 1856, стр. 357 и сл.; также: Army Meteorological Register for Twelve Years, 1843–1854, 1855, введение.

[5] J. D. Forbes, «Report upon the Recent Progress and Present State of Meteorology», Report of the First and Second Meetings of the British Association for the Advancement of Science, 1831 and 1832, 1833, стр. 196–197.

[6] Об инструментах, использовавшихся в Мангейме, см.: Gerland and Traumüller, op. cit. примечание 1, стр. 349 и сл. Принстонский физик Арнольд Гюйо подготовил набор инструкций для наблюдателей, который был опубликован в: Tenth Annual Report ... of the Smithsonian Institution, 1856, стр. 215 и сл. Из Annual Report of the British Association for the Advance of Science в 1830-х годах следует, что инструменты, использовавшиеся в Англии, были почти такими же, как те, что позже были приняты Смитсоновским институтом, хотя британские обсерватории в то время начинали экспериментировать с самопишущим анемометром. Типичный набор инструментов Смитсоновского института показан на рисунке 1.

[7] H. Alan Lloyd, «Horology and Meteorology», Journal Suisse d'Horlogerie, ноябрь–декабрь 1953 г., № 11, 12, стр. 372, рис. 1.

[8] R. T. Gunther, Early Science in Oxford, том 6, The Life and Work of Robert Hooke, ч. 1, Оксфорд, 1930, стр. 196. В 1670 году предложенные Гуком часы назывались «такими же, какие ранее придумал д-р Рен» (Gunther, стр. 365).

[9] William Derham, Philosophical Experiments and Observations of ... Dr. Robert Hooke, Лондон, 1726, стр. 41–42 (переиздано в: Gunther, op. cit. примечание 8, том 7, стр. 519–520). Это описание, датированное 5 декабря 1678 года, опережает запрос Лондонского королевского общества на описание (Gunther, op. cit. примечание 8, стр. 656) на четыре месяца, но у Общества больше нет никакого описания часов. Что касается фактического завершения часов, президент Общества посетил «башню мистера Гука», чтобы увидеть их в январе 1678/79 года, но они не были объявлены «готовыми к показу» до следующего мая (Gunther, стр. 506, 518).

[10] Часы Рена, а также его флюгер, анемометр, термометр, барометр и дождемер описаны в работе: T. Sprat, The History of the Royal Society..., Лондон, 1667, стр. 312–313. О балансовом барометре см. также примечание 28 ниже и рисунок 4.

[11] После того как вышеизложенное было написано, дополнительная информация об этих часах была опубликована в работе: H. E. Hoff and L. A. Geddes, «Graphic Recording before Carl Ludwig: An Historical Summary», Archives Internationales d'Histoire des Sciences, 1959, том 12, стр. 1–25. Хофф и Геддес обращают внимание на отчет о часах Монкони, который видел инструмент в 1663 году и опубликовал краткое описание и грубый набросок (Balthasar Monconys, Les Voyages de Balthasar de Monconys; Documents pour l'Histoire de la Science, avec une Introduction par M. Charles Henry, Париж, 1887). Монкони говорит, что термометр «заставляет табличку подниматься и опускаться, в то время как карандаш прижимается к ней». Инструмент, показанный на его наброске, напоминает термоскоп Галилея.

[12] «Овсяный» гигрометр Гука был описан в 1667 году, но Торричелли, по-видимому, изобрел то же самое в 1646 году, согласно: E. Gerland, «Historical Sketch of Instrumental Meteorology», в «Report of the International Meteorological Congress Held at Chicago, Ill., August 21–24, 1893», под ред. O. L. Fassig, U.S. Weather Bureau Bulletin No. 11, ч. 3, 1896, стр. 687–699.

[13] Однако голландский патент был выдан некоему Уильяму Дугласу в 1627 году на определение давления ветра (G. Doorman, Patents for Inventions in the Netherlands during the 16th, 17th and 18th Centuries, Гаага, 1942, стр. 127), а Леонардо да Винчи оставил набросок как измерителя давления ветра, так и гигрометра (Codex Atlanticus, 249 va и 8 vb).

[14] Gunther, op. cit. (примечание 8), стр. 433, 502.

[15] Battista della Valle, Vallo Libro Continente Appertiniente ad Capitanii, Retenere and Fortificare una Citta..., Венеция, 1523 (упоминается под датой 1524 в: G. H. Baillie, Clocks and Watches, an Historical Bibliography, Лондон, 1951).

[16] Инструмент Долланда, названный «атмосферным регистратором», описан в: Official, Descriptive and Illustrated Catalogue to the Great Exhibition, 1851, Лондон, 1851, ч. 2, стр. 414–415. Поскольку Джордж Долланд, который присоединился к знаменитой фирме Долланда в 1804 году, в 1850 году был бы в возрасте около 80 лет, Джордж Долланд, выставивший этот инструмент, возможно, был более молодым родственником.

[17] Анемометр Ослера и большинство других самопишущих инструментов, упомянутых в этой статье, описаны и проиллюстрированы в: C. Abbe, «Treatise on Meteorological Apparatus and Methods», Annual Report of the Chief Signal Officer for 1887, Вашингтон, 1888. Использование инструмента Ослера в обсерватории Британской ассоциации в Плимуте упоминается в годовых отчетах Ассоциации с 1838 года. Существовал ряд более ранних самопишущих анемометров, но нет никаких свидетельств их широкого использования. См.: J. K. Laughton, «Historical Sketch of Anemometry and Anemometers», Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1882, том 8, стр. 161–188.

[18] О работе Роналдса см. отчеты Британской ассоциации содействия развитию науки с 1846 по 1850 год. О работе Брука см.: Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1847, том 137, стр. 59–68.

[19] C. Abbe, «The Meteorological Work of the U.S. Signal Service, 1870 to 1871», в: Fassig, op. cit. (примечание 12), ч. 2, 1895, стр. 263.

[20] Annual Report of the Director of the Meteorological Observatory, Центральный парк, Нью-Йорк, 1871, стр. 1 и сл.

[21] Oesterreichische Gesellschaft für Meteorologie, Zeitschrift, 1871, том 6, стр. 104, 117.

[22] P. H. Carl, Repertorium für physikalische Technik, Мюнхен, 1867, стр. 162 и сл.

[23] E. Lacroix, Études sur l'Exposition de 1867, Париж, 1867, том 2, стр. 313 и сл. См. также: Reports of the U.S. Commissioners to the Paris Universal Exposition, 1867, том 3, Вашингтон, 1870, стр. 570 и сл.

[24] Annals of the Dudley Observatory, 1871, том 2, стр. vii и сл.

[25] Karl Kreil, Entwurf eines meteorologischen Beobachtungs-Systems für die österreichische Monarchie, Вена, 1850.

[26] Report of the 13th Meeting of the British Association for the Advancement of Science, 1843, 1844, стр. xi и сл. Я не нашел других упоминаний об этом инструменте. Однако термометру было уделено значительное внимание, поскольку Уитстон предложил поднимать его на воздушном шаре для измерения температуры на больших высотах. Небольшие часы заставляли вертикальную рейку подниматься и опускаться один раз в шесть минут. Рейка несла платиновую проволоку, которая перемещалась внутри термометра на 28 градусов. От гальванической батареи и гальванометра на земле к воздушному шару должны были идти два изолированных медных провода, один из которых был подключен к ртути, а другой — к корпусу часов. Отклонение гальванометра должно было фиксироваться по времени вторыми часами на земле. (Professor Wheatstone, «Report on the Electro-Magnetic Meteorological Register», Mechanics' Magazine, Лондон, 1843, том 39, стр. 204).

[27] В 1662 году Гук предложил использовать биметаллический маятник для температурной компенсации часов. Термометры, основанные на этом принципе, были описаны Лондонскому королевскому обществу в 1748 и 1760 годах (Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1748, том 45, стр. 128; 1760, том 51, стр. 823). Некоторые системы использовали биметаллический термометр на солнце и ртутный прибор в тени.

[28] Этот инструмент постоянно связывают с именем сэра Сэмюэля Морленда (1625–1695). Например, А. Спрунг из Deutsche Seewarte описал свой собственный балансовый барометр как «Wagebarograph nach Samuel Morland» (в: L. Loewenherz, Bericht über die wissenschaftlichen Instrumente auf der Berliner Gewerbeausstellung im Jahre 1879, Берлин, 1880, стр. 230 и сл.). Спрат (op. cit. примечание 10, стр. 313) сообщил, что Рен предложил «весы, показывающие вес воздуха своим спонтанным наклоном». Следовательно, это должно быть изобретение Рена, если только он не позаимствовал его у Морленда, который, по-видимому, ничего не публиковал о барометре, а лишь описывал некоторые идеи другу. Но барометр Морленда, вероятно, был наклонным, а не балансовым. (См. статью «barometer» в: Charles Hutton, Mathematical and Philosophical Dictionary, Лондон, 1796, том 1; также: J. K. Fischer, Physikalisches Wörterbuch, Геттинген, 1798).

[29] Лейбниц в нескольких письмах — начиная с письма Дени Папену от 21 июня 1697 года — предлагал создать барометр по модели мехов. Из последующих версий такого барометра версия Види (описанная Поггендорфом в: Annalen der Physik und Chemie, 1848, Band 73, стр. 620) обычно считается первым практичным анероидом (см. также: Gerland and Traumüller, op. cit. примечание 1, стр. 239, 323).

[30] T. R. Robinson, «Modification of Dr. Whewell's Anemometer for Measuring the Velocity of the Wind», Report of the 16th Meeting of the British Association for the Advancement of Science, 1846, 1847, ч. 2, стр. 111.

[31] Abbe, op. cit. (примечание 19), стр. 263–264.

[32] Из-за своей превосходной точности по сравнению с анероидным барографом барометр Марвина использовался вплоть до 1940-х годов. См.: R. N. Covert, «Meteorological Instruments and Apparatus Employed by the United States Weather Bureau», Journal of the Optical Society of America, 1925, том 10, стр. 322.

[33] Оба инструмента Ришара (описанные в: Bulletin Mensuel de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale, ноябрь 1882 г., сер. 3, том 9, стр. 531–543) использовались в Кью к 1885 году и в Бюро погоды США к 1888 году. Фирма Richard Freres в 1889 году заявила, что изготовила 7000 регистрирующих инструментов, большинство из которых, вероятно, были термографами и барографами. В то время, безусловно, ни один другой производитель не изготовил более чем малую часть этого количества самопишущих инструментов. Происхождение термографа Ришара, по-видимому, связано с «эластичным манометром», описанным Э. Бурдоном в 1851 году (Bulletin de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale, 1851, № 562, стр. 197). Пытаясь восстановить сплющенную трубку дистиллятора, Бурдон обнаружил свойство трубок изменять форму под воздействием давления жидкости. Инструмент, который он разработал в результате, стал стандартным паровым манометром.

[34] Несколько таких инструментов, как барограф Марвина, сохранились в течение некоторого времени благодаря своей превосходной точности. Даже в качестве музейных экспонатов сегодня их существует лишь несколько.

ТИПОГРАФИЯ ПРАВИТЕЛЬСТВА США, 1961 г. Продается у суперинтенданта документов, Типография правительства США, Вашингтон 25, округ Колумбия. - Цена 25 центов

Примечание транскрибера:

Незначительные ошибки в пунктуации исправлены без примечаний.

Следующие опечатки в оригинале были исправлены:

Стр. 110: «a panopoly of gadgetry»: исправлено на panoply. Стр. 113, подпись к рисунку 13: «Feuss»: исправлено на Fuess. Примечание 28: «Gewerbeaustellung»: исправлено на Gewerbeausstellung. Примечание 28: «Physikalisches Worterbuch»: исправлено на Wörterbuch. Примечание 29: «see also Gerland and Traümuller»: исправлено на Traumüller.