XVII Межрегиональный турнир  учащихся  лицеев и гимназий

«Интеллектуальный  марафон – 2014»

Естественнонаучная секция Ухта 2014

Автор: Серегин Михаил,

МОУ «УТЛ им. Г.В. Рассохина» 11класс, г. Ухта 

Руководитель: Кислицына Наталья Юрьевна,

учитель химии МОУ «УТЛ им. Г.В. Рассохина»

Введение

Выбор данной темы обоснован ее актуальностью в наше время и личным интересом автора.

С древних времен люди пытались предсказать погоду, наблюдая за природными явлениями и за поведением зверей и птиц. Но и в наши дни прогноз погоды не так маловажен, как кажется на первый взгляд. Как известно, лучше всего оправдываются краткосрочные прогнозы погоды. Так, по информации Росгидромета[4], прогноз погоды на сутки оправдывается, в среднем, на 96%, а вот уже на месяц – на 78%. Куда сложнее обстоит дело со сверхдолгосрочными прогнозами – сезонными. Например, метеорологи подсчитали, что прогноз температурного режима на зимнее полугодие 2009/2010 года в среднем по России оправдался на 60%. Очень важной задачей является прогноз опасных явлений – сильного ветра, ливней, паводков и др. Предупреждённость гидрометеорологических опасных явлений не превышает 90%.Однако при резкой смене погоды, например, при прохождении атмосферного фронта, ни одна модель в мире не в состоянии прогнозировать этот процесс достаточно точно более чем на 3 дня вперед.

Моя работа посвящена необычному прибору, который, согласно некоторым источникам информации, способен очень качественно определять погоду, а так же весьма достоверно  заранее предсказывать резкие изменения погоды. А в силу своих малых размеров он может быть легко перемещен в другое место и даже устанавливаться в транспорте, куда и восходят первые упоминания этого прибора.

Гипотеза

Прибор «штормгласс» может предсказывать изменение погоды

Цель работы

В соответствие с гипотезой  целью исследования является попытка доказать возможность предсказания погоды с помощью колбы Фицроя – штормгласса

Задачи

1. Изучить литературные источники, посвящённые прибору
2. Воспроизвести копию прибора, описанную в журналах и книгах
3. Выявить, имеет ли место какое-либо изменение в системе прибора со временем
4. Если изменения имеются, провести наблюдения за изменением погоды и связать их с изменениями показаний прибора
5. Подтвердить или опровергнуть закономерности, описанные в различных источниках

Литературный обзор

Первые упоминания о необычном приборе относятся к 1750 году [3], однако неизвестно, кем и когда он был изобретён. До сих пор не только непонятно, как работает прибор, но и ведутся споры, работает ли он вообще. Первое наиболее детальное описание штормгласса находят в записках знаменитого капитана «Бигля» адмирала Р. Фицроя, который консультировался – в своих попытках понять физику наблюдаемых явлений – с М. Фарадеем. В своей книге, изданной на русский язык в 1865г. в Петербурге под названием   “Практическая метеорология контр-адмирала Фицроя”[14]. В ней прибор описывается как прозрачная стеклянная герметически закупоренная склянка, содержащая раствор камфоры, калиевой селитры и нашатыря в смеси этилового спирта и воды. В склянке частично остается воздух, то есть раствор не заполняет ее до конца. Такие склянки еще с 1825 года Фицрой со своими “коллегами” имели на кораблях. Однако приборы были скорее неким декоративным элементом, чем необходимой вещью, как те же компас и барометр. Согласно все той же книге, данные приборы делались уже сотню лет до момента написания в Англии и их изобретатель остался неизвестным.

Согласно наблюдениям Фицроя, прибор реагировал не на все изменения погоды, а в основном на изменение направления и скорости ветра:

“Когда атмосферное течение поворачивает к северу, то эта химическая смесь увеличивается в объеме, 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 звезды 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 звездами означают юго-восточный ветер, вероятно, сильный, до бури”.

  Наверное, нет повода не верить в достоверность прибора, который существовал сотню лет и использовался в корабельных плаваниях. Рассмотрим так же другой источник  того же века. В книге А. Делениуса "30000 новейших открытий, рецептов и общеполезных практических сведений" (Москва, 1885 год)[6] описывается тот же прибор. Но в его монографии изменения связаны не с ветром, а непосредственно с погодой в целом, что существенно отличает его наблюдения от метода Фицроя:

"Прозрачная жидкость предвещает ясную погоду, мутная - дождь. Мутная жидкость с маленькими звездочками - грозу. Маленькие точки - туман, сырую погоду. Большие хлопья, для зимы - снег, летом - покрытое небо, тяжелый воздух. Нити в верхней части жидкости - ветер. Кристаллы на дне - густой воздух, мороз. Маленькие звездочки - зимой при ясной погоде - снег на другой или третий день. Чем выше зимой поднимаются кристаллы, тем сильнее будет стужа".

Но факт остается фактом, оба наблюдателя утверждают, что вырастание и растворение кристаллов - влияние процессов, происходящих в природе.

На столетие прибор был забыт, и только во второй половине 20 века интерес к нему стал возрождаться. Пока не удалось наладить количественные систематические измерения с этим прибором, используя современные технологии [1]. Однако интерес исследователей к наблюдениям подобного рода заметно возрос. Отчасти это связано с результатами некоторых новейших наблюдений над водными растворами.

Наблюдения 20 века:

  «Хоть я по специальности физик, я не представляю, на какой физический фактор реагирует эта таинственная ампула. Путем экспериментов удалось установить, что на нее не действуют изменения атмосферного давления в пределах от 700 до 920 мм ртутного столба (сильнее менять давление я не рискнул) и температуры от +10 до +40°C. Ампула же находится в комнате, и за все время наблюдений температура колебалась лишь в пределах от +18 до +24°С. Но на что же тогда реагирует вещество ампулы?» Н. М. Бескаравайный[8]

В. Жвирблис в журнале “Химия и жизнь”[7] пишет о созданном им приборе по старинным рецептам, отмечает, что в приборе то выпадают, то растворяются кристаллы, при этом баночка с раствором стоит в помещении, при постоянной температуре. Логично было бы предположить, что на растворимость должна влиять температура, но раз колебания температуры были настолько ничтожны, что ее можно назвать постоянной, а растворимость раствора менялась, можно сделать вывод, что есть какой-то другой фактор, влияющий на кристаллообразование. К сожалению,  в статье автор не провел исследование изменений в приборе в зависимости  с изменением погоды, хоть и пришел к тому же выводу.

Автор к.т.н. Ю. К. Любимов под рубрикой «Эка невидаль» в «Химии и жизни»[13] пишет:  «Вероятно, всё (изменения формы и величины кристаллов) было гораздо проще:при понижении температуры камфора выпадает в виде кристаллов, а при повышении – кристаллы, как и положено, растворяются. … Кристаллы, которые образуются в ампуле, имеют в разных случаях разную форму. Но почему – сказать трудно. Может быть, всё дело только в скорости кристаллизации, которая определяется скоростью изменения температуры?»

Ещё одно исследование – Крымская обсерватория[3].

Изменение состояния раствора в штормглассе (колбе Фицроя) фиксировалось путем измерения высоты уровня кристаллов. На приборах, изготовленных крымской группой, этот показатель измерялся ежедневно с 1995 г.  Найдено, что изолированным резким понижениям атмосферного давления за двое – трое суток предшествует рост кристаллообразования, наблюдаемый синхронно в двух приборах.

Надо заметить, что эта зависимость не такая уж явная и четко работающая, поэтому и понадобился такой большой массив данных, но все равно остаются вопросы о надежности корреляции[10].

Tanaka, Yasuko et al.[15]: “Штормгласс” –  это герметичная стеклянная трубка, содержащая спиртовой раствор камфоры с водным раствором  NH₄Cl и KNO₃. В данном исследовании, форма кристаллов в штормглассе была исследована, основываясь  на одном параметре - температуре. Форма вырастающих кристаллов в растворе штормгласса контролировалась с помощью устройства направленного роста и наблюдалась на месте, как следствие скорости роста. Рост кристаллов в спиртовом растворе камфоры так же наблюдался для сравнения. В дополнение, копия штормгласса присоединенная к системе контроля температуры была собрана, что бы изучить эффект влияния изменения температур на кристаллы.

Таким образом, в настоящее время интерес к штормглассу достаточно выражен, проводятся интенсивные исследования возможности работы прибора. Однако до настоящего времени убедительных данных не только причины зависимости показаний колбы Фицроя от погоды не выявлено, но и нет работ, доказывающих надёжность её предсказаний. Поэтому я хочу проверить, действительно ли штормгласс может предсказывать погоду.

Основная часть

Методика приготовления раствора

В изученной литературе [1, 7, 8, 10, 11, 12, 13] мной обнаружено достаточно описаний способов приготовления растворов для штормгласса. Я решил взять рецепт, наиболее близкий к первым литературным упоминаниям о приборе[8].

Для смеси было решено взять камфору из аптечной спиртовой настойки. В ней содержится рацемат, что отличает ее от той, что использовалась два века назад, но найти другую не было возможности.

Я выделял камфору при помощи осаждения из спиртового раствора. Дело в том, что камфора хорошо растворима в спирте, но практически полностью не растворима в воде. В раствор камфоры в спирте приливал воду, при этом камфора выпадала в осадок. Затем осадок отфильровывался, сушился и был готов к использованию. 

В 33мл воды растворялось 2,5г хлорида аммония и 2,5г калиевой селитры. Одновременно в 40 мл спирта растворялось 8г камфоры. После чего обе емкости нагревались на водной бане для лучшей растворимости смеси, водный и спиртовой растворы сливались в уже прогретую мензурку. Мензурка медленно охлаждалась на воздухе и со временем там выпадал осадок. Прибор помещался на близкое к окну место и его никогда не трогали.

Методика проведения наблюдений

В начале марта 2014 года я изготовил 2 прибора по одинаковой методике, описываемой в книге  А. Делениуса[8]. Вначале работы я поставил цель проверить, работает ли прибор. Вёл наблюдения по следующим параметрам:

1. Погодные условия – температура воздуха, атмосферное давление, сила и направление ветра. Данные брал с сайта…
2. Высота роста кристаллов, измерял с помощью линейки
3. Форма кристаллов
4. Прозрачность надосадочной жидкости

Наблюдения заносились в дневник наблюдений по методу [6]

• Жидкость в колбе прозрачна — солнечно
• 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
• Крупные хлопья — облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой
• Иглистые кристаллы — заморозки
• Нити у поверхности — ветрено
• Быстрое появление крупного кристалла в чистой колбе при ясной погоде — гроза

Проводилась фотосъёмка.

Так, я наблюдал значительное изменение в растворении камфоры, периодически происходило  образование и растворение кристаллов. Они могут вырастать равной формы. Как правило, это либо большие хлопья, похожие на снежинки, либо длинные веточки с иголками, будто еловые ветки.

Попробовал предсказывать погоду по уже имевшимся описаниям[6, 7, 8]. Были сделаны несколько важных наблюдений. Так, например, 14 мая 2014 года я видел сильное кристаллообразование. Кристаллы были длинные, похожие на листья папоротника. На следующий день было объявлено штормовое предупреждение.
 

Второй яркий пример. 27.09.14 в колбе наблюдался значительный рост кристаллов. Не смотря на благоприятный прогноз погоды, обещавший солнечную теплую погоду, уже вечером (кристаллы наблюдались в полдень) небо было затянуто тучами, и дул сильный южный ветер, до 7 м/с. На следующий день был дождь и все время вплоть до 31.09.14 наблюдалось постоянная пасмурность, периодические дожди, и снижение среднесуточной температуры с 12 градусов до 6, утром бывали заморозки до -1 - -2 градусов Цельсия.

Для представления результатов работы я выбрал данные за сентябрь как наиболее наглядные.

На диаграмме видно, что есть закономерные изменения приборов в зависимости от погоды.

Анализ результатов

Рассматривая график изменения высоты кристаллов и погодных условий, можно пронаблюдать закономерность в показаниях прибора и изменении давления и среднесуточной температуры. А раз такая закономерность есть, то можно сделать вывод о действительности утверждения о том, что данный прибор способен прогнозировать, или отображать уже установившуюся погоду.

Выводы

1. Я изучил литературные источники, посвящённые прибору
2. Воспроизвел 2 копии прибора, описанные в журналах и книгах
3. Выявил, что имеют место изменения в системе прибора со временем
4. Провёл наблюдения за изменением погоды и обнаружил связь их с изменениями показаний прибора
5. Подтвердил закономерности, описанные в различных источниках

         Таким образом, мне удалось подтвердить гипотезу. Прибор «штормгласс» может предсказывать изменение погоды.

Перспективы работы

В перспективе работы я бы хотел установить причину такого поведения прибора, у нас уже имеются несколько предположений, но требуется время для проверки их истинности.

Список литературы

1. Владимирский Б.М. Загадочный штормгласс и погода – земная и космическая., Пространство и время, №2(12), 2013, с. 173 - 182
2. Владимирский Б.М., Брунс А.В., Космическая погода, физико-химические системы и техносфера. Геофизические процессы и биосфера, 2010, Т. 9, № 1, с. 34-62.
3. Барановский Э.А., Громозова Е.Н. и др., Материалы IX Международной Крымской конференции, сентябрь 2012
4. http://www.meteovesti.ru/news.n2?item=63437611181 Новости от ФОБОС. Какова точность современных прогнозов погоды? 4 апреля 2011 
5. В.Жвирблис.  Что нарушает симметрию?  “Химия и жизнь”, 1977,  № 12,        с. 42-49
6. http://www.the-mostly.narod.ru/misc/stormglass.html А. Делениус "30,000 тысяч новейших открытий, рецептов, общеполезных практических сведений и современных изысканий по части всех знаний, выработанных современными науками и искусствами..." (М., 1885, т. 2, с. 458)
7. В.Жвирблис. Что такое штормглас «Химия и жизнь», 1979, №06, с.73
8. Н. М. Бескаравайный. Таинственная ампула. «Химия и жизнь», 1979,  №6, с.71
9. Беспалова Н.Ю. Потомок королей и адмиралов. Очевидное невероятное, №6,  2011 с.35 (фото)
10. Барановский Э.А., Таращук В.П., Владимирский Б.М. Колба Фицроя (штормгласс) как индикатор погоды - земной и космической. Новые данные. Геофизические процессы и биосфера, 2010, Т. 9, №1, стр. 19-33. 
11. http://samodelkias.ru   Блог любителя мастерить, все своими руками.
12. Барановский Э.А., Таращук В.П., Владимирский Б.М. Свойства различных физико-химических систем и их связь с космическими параметрами. Известия Крымской Астрофизической Обсерватории, №4, 2013, с. 29-39
13. Штормгласс крупным планом. Ю. К. Любимов. Химия и жизнь, 1983, №8, с.58-59
14. http://www.gutenberg.org/files/23921/23921-h/23921-h.htm Robert Fitzroy. Barometer and Weather Guide. December 19, 2007
15. Tanaka, Yasuko et al. "Pattern formation of crystals in storm glass" Journal of Crystal Growth 310 (2008): 2668–2672