バロメーター

1630年7月27日、ジョヴァンニ・バッティスタ・バリアーニはガリレオ・ガリレイに手紙を書き、高さ約21メートルの丘を越えて設置したサイフォンが機能しなかった実験について説明した。サイフォンの先端を貯水池に開けると、その部分の水位は貯水池の水位より約10メートル上まで下がった。^{[ 5 ]}ガリレオはこの現象について説明し、真空の力が水を支えており、ある高さに達すると水の量が単純に多すぎて、力がそれ以上支えられなくなる、まるで紐が支えられる重さが限られているようなものだと提案した。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}これはアリストテレスに遡る「真空を嫌う」という恐怖の理論の再解釈であり、ガリレオはこれを「真空抵抗」として再解釈した。

ガリレオの考えは、彼の著書『ディスコルシ（二つの新科学）』の中で発表され、1638年12月にローマに伝わった。^{[ 8 ]}物理学者のガスパロ・ベルティと父ラファエロ・マジョッティはこれらの考えに感銘を受け、サイフォン以外の方法で真空を作り出すより良い方法を模索することにした。マジョッティはそのような実験を考案した。この実験に関する記録は4つ存在し、いずれも数年後に書かれたものである。^{[ 8 ]}正確な日付は示されていないが、『二つの新科学』が1638年12月にローマに伝わり、ベルティが1644年1月2日より前に亡くなったことから、科学史家のW・E・ノウルズ・ミドルトンはこの出来事を1639年から1643年の間のいずれかの時期に位置づけている。^{[ 8 ]}出席者はベルティ、マジョッティ、イエズス会の博学者アタナシウス・キルヒャー、イエズス会の物理学者ニッコロ・ズッキであった。^{[ 7 ]}

簡単に言うと、ベルティの実験は、両端を塞いだ長い管に水を満たし、その管を水槽に立てるというものだった。管の下端を開けると、管の中にあった水が水槽に流れ出た。しかし、管の中の水の一部しか流れ出ず、管の中の水位は正確に10.3メートル（34フィート） [ ^{9 ]に留まった。これは、バリアーニがサイフォンで観察した高さの限界と同じだった}。この実験で最も重要なことは、水位が下がったことで管の中に空気と接触しない空間ができたことである。これは、水面上の空間に真空が存在する可能性を示唆しているように思われた。^{[ 7 ]}  

ガリレオの晩年の3ヶ月間、彼の秘書を務めたエヴァンジェリスタ・トリチェリは、実験結果を斬新な方法で解釈した。彼は、真空の引力ではなく、大気の重さが管の中に水を保持していたと提唱した。1644年にミケランジェロ・リッチに宛てた実験に関する手紙の中で、彼は次のように書いている。

真空は存在しないと言う人もいれば、自然の反発にもかかわらず困難を伴いながら存在すると言う人もいる。困難もなく、自然からの抵抗もなく存在すると言う人は誰も知らない。私は次のように主張した。真空を作ろうとしたときに感じる抵抗の明白な原因が見つかるならば、明らかに他の原因から生じる作用を真空に帰そうとするのは愚かなことのように思える。そこで、非常に簡単な計算をしたところ、私が割り当てた原因（つまり、大気の重さ）は、真空を作ろうとするときよりもそれ自体で大きな抵抗を示すはずであることがわかった。^{[ 10 ]}

特にアリストテレス派の人々は、伝統的に空気には重さがない、つまり地球表面から数キロメートル上にある空気は、その下の物体に何の重さも及ぼさないと考えていた。ガリレオでさえ、空気の無重力性を単純な真実として受け入れていた。トリチェリは、真空の引力が水を吸い上げるのではなく、空気には実際に重さがあり、それが水を押し、水の柱を支えていると提唱した。彼は、水面から約10.3 メートル上の水位は、水槽内の水に押す空気の重さの力を反映しており、背の高い密閉された水で満たされた管の中で水位がどれだけ下がるかの限界を定めていると主張した。彼は気圧計を、単に真空を作り出すための道具ではなく、測定のための道具、つまり天秤と見なしており、このように見なした最初の人物であるため、現在私たちが使用する意味での気圧計の発明者として伝統的に考えられている。^{[ 7 ]}

トリチェリの水銀気圧計

トリチェリの噂好きなイタリア人の近所では、彼が何らかの魔術や妖術に関わっているという噂が広まっていたため、トリチェリは逮捕される危険を避けるために実験を秘密にしなければならないと悟った。彼は水よりも重い液体を使う必要があり、以前の経験とガリレオの助言から、水銀を使えばより短い管が使えると推測した。水より約14倍密度が高い水銀を使えば、 必要な管の長さは10.5メートルではなく、わずか80センチ メートルになった。^{[ 11 ]}さらに、トリチェリは、大気圧で約30インチの高さの水銀柱を支えることができることを実証した。^{[ 12 ]}

1646年、ブレーズ・パスカルはピエール・プティと共に、1644年末にトリチェリから実験を見せられたマラン・メルセンヌからトリチェリの実験について聞き、それを再現して完成させた。パスカルはさらに、気圧計の空間を満たすのは液体からの蒸気であるというアリストテレスの命題を検証する実験を考案した。彼の実験では水とワインを比較し、後者の方が「アルコール度数が高い」と考えられていたため、アリストテレス派はワインの方が低い位置にあると予想した（蒸気が多いほど液柱を押し下げる力が強くなるため）。パスカルは公開で実験を行い、アリストテレス派に事前に結果を予測するよう求めた。アリストテレス派はワインの方が低い位置にあると予測したが、そうはならなかった。^{[ 7 ]}

大気圧と高度の関係に関する最初の実験

しかし、パスカルは機械論をさらに検証しようと試みた。トリチェリやパスカルのような機械論哲学者が疑っていたように、空気に重さがあるならば、高度が高くなるほど気圧は低くなるはずである。そこでパスカルは、ピュイ・ド・ドーム山の近くに住む義理の兄弟フロラン・ペリエに手紙を書き、重要な実験を行うよう依頼した。ペリエは気圧計を持ってピュイ・ド・ドーム山に登り、途中で水銀柱の高さを測定することになっていた。そして、山の麓で測定した値と比較し、高い場所での測定値が実際に低いかどうかを確認することになっていた。1648年9月、ペリエは慎重かつ綿密に実験を行い、パスカルの予測が正しかったことを発見した。気圧計を高い場所に運ぶにつれて、水銀柱の高さは低くなった。^{[ 7 ]}

ルシアン・ヴィディが提唱した、気圧の低下が嵐の天候を予測するという概念は、「天気予報器」または「ゲーテ気圧計」（トリチェリが開発した原理を用いてシンプルだが効果的な天気球気圧計を開発した、著名なドイツの作家で博学者であるヨハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテにちなんで名付けられた）と呼ばれる天気予報装置の理論的基礎となっている。フランス語の「le baromètre Liègeois」は、英語圏の人々の間で使われている。^{[ 13 ]}この名前は、初期の天気予報器の多くがベルギーのリエージュの ガラス職人によって作られたことを反映している。^{[ 13 ] [ 14 ]}

気象球気圧計は、水が半分入った密閉されたガラス容器で構成されています。細い注ぎ口が水面より下の本体に接続され、水面より上に伸びています。この細い注ぎ口は外気と繋がっています。本体を密閉した時よりも気圧が低い場合、注ぎ口の水位は本体の水位より高くなります。気圧が高い場合、注ぎ口の水位は本体の水位より低くなります。このタイプの気圧計のバリエーションは家庭でも簡単に作ることができます。^{[ 15 ]}

水銀気圧計は、特定の場所の大気圧を測定するために使用される計器で、上部が閉じた垂直のガラス管が、下部の水銀を満たした開いた容器に浸されています。管内の水銀は、その重さが容器にかかる大気圧と釣り合うまで調整されます。大気圧が高いと容器にかかる力が大きくなり、水銀が管内でより高く押し上げられます。気圧が低いと容器にかかる力が小さくなり、水銀は管内でより低い位置まで下がります。計器周辺の温度が高いと水銀の密度が低下するため、水銀の高さを読み取る目盛りは、この影響を補正するように調整されています。管の長さは、水銀に浸かる部分の長さ＋ヘッドスペース＋管の最大長さ以上でなければなりません。

トリチェリは気圧計の水銀の高さが毎日わずかに変化することを記録し、これは大気圧の変化によるものだと結論付けた。 [ ^{1 ]彼} は「我々は、疑いようのない実験によって重さがあることが知られている、基本的な空気の海の底に沈んで暮らしている」と書いた。^{[ 16 ]}トリチェリに触発されたオットー・フォン・ゲーリケは、 1660年12月5日に気圧が異常に低いことを発見し、翌日に嵐が起こると予測した。^{[ 17 ]}

水銀気圧計の設計上、大気圧は水銀柱インチまたはミリメートル（mmHg）で表されます。トルはもともと1mmHgと定義されていました。気圧は、垂直柱内の水銀の高さで示されます。通常、大気圧は26.5インチ（670mm ）から31.5インチ（800mm ）の間で測定されます。1気圧（1 atm）は、水銀柱29.92インチ（760mm ）に相当します。   

計器の感度を高め、読み取りやすく、持ち運びやすくするための設計変更の結果、盆地型、サイフォン型、車輪型、貯水槽型、フォルタン型、多重折り畳み型、立体計型、天秤型気圧計などのバリエーションが生まれた。

2007年、一般向け新規計測機器における水銀の使用を制限する欧州連合指令が制定され、事実上、ヨーロッパにおける新規水銀気圧計の製造は終了した。アンティーク（1957年後半以前に製造されたもの）の修理と取引は制限されずに残った。 ^{[ 18 ] [ 19 ]}

フォルティン気圧計

フォルタン気圧計は、可変容積式水銀槽を使用しており、通常はつまみネジで革製のダイヤフラム底部（図のV）を押し下げる構造になっています。これにより、圧力の変化に伴う水銀柱内の水銀の変位を補正します。フォルタン気圧計を使用するには、つまみネジを使って象牙製のポインター（図のO）が水銀面にちょうど触れるようにし、水銀面をゼロに設定します。次に、バーニア目盛を調整して水銀がZの目盛線にちょうど触れるようにすることで、水銀柱の圧力を読み取ります。一部のモデルでは、輸送時に水銀柱を上端まで押し上げるためのバルブが槽を閉じるように設計されており、輸送中の水撃による水銀柱の損傷を防ぎます。

シンピエソメーターは、19世紀初頭に船舶で広く使用された小型軽量の気圧計です。この気圧計の感度は高度の測定にも使用されました。^{[ 20 ]}

シンピエソメーターは2つの部分から構成されています。1つは、気圧計内の液体の膨張または収縮を計算するために必要な、従来型の水銀温度計です。もう1つは気圧計本体で、下端が開いて上端が閉じたJ字型の管で構成され、管の両端には小さな貯水槽が付いています。

1778年、ブロンドーは細口のマスケット銃の銃身を使用した鉄管気圧計を開発した。この設計により、水銀腐食に強く、船の揺れによる破損を最小限に抑えた、耐久性があり磨き上げられた計器が完成した。^{[ 4 ]}

実用的な船舶用気圧計の必要性は、船員が風、静穏、嵐の状況の頻繁でしばしば危険な変化に直面する海上での天気予報の緊急の必要性から生じた。^{[ 4 ]}従来の水銀気圧計は陸上では有用であったが、船の揺れに弱いため、船上では信頼性に欠けることがわかった。^{[ 4 ]}振動によって水銀がガラス管の上部に衝突し、頻繁に破損し、航海中に気圧の測定値を正確に解釈することがほぼ不可能になった。^{[ 4 ]}

ロジャー・ノースは、ロバート・フックを含む多くの人々がこれらの問題を解決しようと試みたものの、技術的な制約のためにしばしばその試みを断念したと指摘した。^{[ 4 ]}それにもかかわらず、フックは粘り強く、サイフォン管の開口部を狭めたり、らせん状の管の設計を研究したりするなど、いくつかの改良を提案した。^{[ 4 ]}彼の最も注目すべき貢献は、マノメーターとも呼ばれる二重温度計付き海上気圧計の作成であり、これは1668年に王立協会に提出され、ヘンリー・ハントによって製作された。^{[ 4 ]}

フックの海上気圧計は、航海気象計器の開発における転換点となった。海上での使用に適したコンパクトで手頃な価格の設計が特徴で、船員のために特別に作られた最初の計器となった。^{[ 4 ]}この装置は、密閉されたアルコール温度計と開放型の空気温度計を組み合わせたもので、液体の置換によって気圧の変化を反映するように校正されていた。^{[ 21 ] [ 22 ]}フックは水素を充填した容器と色付きのアーモンドオイルを使用することで、視認性と応答性をさらに向上させた。^{[ 23 ]}特に、エドモンド・ハレーは1698年から1700年にかけての南大西洋航海でこのプロトタイプをテストし、天候の変化を予測する上での信頼性を高く評価した。^{[ 4 ] [ 21 ]}ハレーの推薦により、王立協会による関心と検証がさらに高まった。^{[ 4 ] [ 21 ]}下の図8は、この報告書からのもので、フック気圧計を示しており、本文には詳細な説明がある。^{[ 21 ]}

フックの基礎の上に、ジョン・パトリックは水を水銀に置き換えることで設計を改良しようとし、自身のバージョンを「新しい海洋気圧計」として宣伝した。^{[ 4 ]}船の振動で水銀柱の読み取りが難しいという批判もあったが、航海士のクリストファー・ミドルトンはハドソン湾への探検でこれを使用した。^{[ 4 ]}彼は嵐、風の変化、さらには氷の接近を予測するのに効果的であることを一貫して発見した。^{[ 4 ]}

18 世紀後半のジェームズ・クック船長の有名な航海中に、重要な進歩が起こりました。 ^{[ 4 ]}クックの第 2 次太平洋探検 (1772 ～ 1775 年) の準備の一環として、経度委員会と王立協会は海洋気圧計の製造を委託しました。^{[ 4 ]}有名な計器製造業者エドワード・ネアンが機器の供給業者として選ばれました。^{[ 4 ]}螺旋管に対する予想に反して、ネアンは板に取り付けられたまっすぐで狭くなった管を選択し、海上での垂直方向と安定性を確保するためにジンバル式サスペンション システムと組み合わせました。^{[ 4 ]}

ネアンの設計は機能性の飛躍的な向上を象徴していた。狭い内径により水銀の動きが大幅に抑制され、乱流状態でもより正確な測定値を得ることが可能になった。^{[ 4 ]}これらの計器は非常に信頼性が高く、英国海軍だけでなく国際探検隊にも採用された。^{[ 4 ]}東インド会社、ロシアの探検家、ジャン＝フランソワ・ド・ガラウプ・ド・ラペルーズ伯爵（1785年の航海）やアレッサンドロ・マラスピナ（1789年の航海）を含むフランスとスペインの航海士たちは、ネアンの気圧計の改良版を航海に取り入れた。^{[ 4 ]}

ネアンの海洋気圧計は広く使用されていたが、限界がないわけではなかった。^{[ 24 ]}ラペルーズはこの装置の予測能力を称賛したが、水銀の挙動の不一致も指摘し、計器の読み取り値を信頼できる予測に変換することの複雑さを強調した。^{[ 24 ]}ガラス管の脆さに対応するため、ル・ロワなどの他の科学者は、耐久性を高め、船上での振動を減らすように設計された折り畳み式のホイヘンス気圧計のような代替モデルを提案した。^{[ 24 ]}

海洋気圧計の実用的価値は、1801年に王立協会がマシュー・フリンダース船長をニューホランドからニューサウスウェールズへの3年間の航海に派遣し、ナーンの気圧計の一つを装備させたことで再確認された。^{[ 25 ]}フリンダースは公式書簡の中で、この機器の成功を確認し、大気の状態を記録する際の安定性と精度に感謝の意を表した。^{[ 25 ]}

海洋気圧計は、その発展の過程において、理論的な発明から航海および気象観測に不可欠なツールへと変貌を遂げた。その開発は、船上計器の課題を克服する創意工夫を反映しただけでなく、地球規模の探査というより広い文脈におけるその重要性をも浮き彫りにした。これらの装置は、船員が情報に基づいた意思決定を行うことを可能にし、世界の海洋におけるより安全で効率的な航海に貢献した。

真空ポンプオイルを気圧計の作動流体として使用することで、2013年2月に新しい「世界一高い気圧計」が誕生しました。ポートランド州立大学（PSU）の気圧計は、二回蒸留真空ポンプオイルを使用しており、 オイル柱の高さは公称で約12.4mです。年間を通して±0.4mの範囲で変動することが予想されます 。真空ポンプオイルは蒸気圧が非常に低く、さまざまな密度で入手可能です。PSUの気圧計では、オイル柱の高さを最大化するために、最も密度の低い真空オイルが選択されました。^{[ 29 ]}

アネロイド気圧計は、液体を用いない方法で気圧を測定する計器です。ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツが1700年頃にアネロイド気圧計の概念を初めて提唱しましたが、フランスの科学者リュシアン・ヴィディが1844年にようやく発明に成功しました。^{[ 1 ]}アネロイド気圧計は、ベリリウムと銅の合金で作られたアネロイドセル（カプセル）と呼ばれる小型で柔軟な金属製の箱を使用します。^{[ 30 ]}真空状態のカプセル（または通常は複数のカプセルを積み重ねて動きを加算したもの）は、強力なバネによって潰れないように固定されています。外部気圧のわずかな変化により、セルが膨張または収縮します。この膨張と収縮によって機械的なレバーが駆動され、カプセルの微細な動きが増幅されてアネロイド気圧計の文字盤に表示されます。多くのモデルには、現在の測定値をマークして相対的な変化を確認できるようにするための手動設定の針が付いています。このタイプの気圧計は、家庭やレジャーボートでよく見られます。また、気象学でも使用されており、主に気圧計やラジオゾンデの気圧計として用いられています。

気圧計

気圧計は、気圧の変化を紙の記録用紙に記録する記録式アネロイド気圧計である。

気圧計の原理は、アネロイド気圧計と同じです。気圧計が文字盤に気圧を表示するのに対し、気圧計は箱のわずかな動きを利用して、レバー機構を介して記録アームに気圧を伝達します。記録アームの先端には、スクライバーまたはペンが取り付けられています。スクライバーは燻製箔に記録し、ペンはペン先にインクを入れて紙に記録します。記録材は円筒形のドラムに取り付けられ、時計によってゆっくりと回転します。通常、ドラムは1日、1週間、または1ヶ月に1回転しますが、回転速度はユーザーが選択できる場合が多いです。

マイクロ電気機械システム（MEMS）気圧計は、1～100マイクロメートル（0.001～0.1 mm）の極めて小さなデバイスです。これらはフォトリソグラフィーまたは光化学加工 によって作製されます。典型的な用途としては、小型気象観測所、電子気圧計、高度計などがあります。^{[ 31 ]}

気圧計は、Samsung Galaxy Nexus ^{[ 32 ]} Samsung Galaxy S3-S6 、Motorola Xoom、Apple iPhone 6以降の iPhone、Timex Expedition WS4スマートウォッチなどのスマートフォンにも搭載されており、 MEMSおよびピエゾ抵抗式圧力センシング技術に基づいています。 ^{[ 33 ] [ 34 ]}スマートフォンに気圧計を搭載する目的は、当初はGPSロックを高速化することを目的としていました。 ^{[ 35 ]}しかし、第三者の研究者は、気圧測定値による GPS の精度やロック速度の向上を確認できませんでした。研究者らは、スマートフォンに気圧計を搭載することでユーザーの高度を決定する解決策が得られる可能性があると示唆していますが、いくつかの落とし穴をまず克服する必要があるとも示唆しています。^{[ 36 ]}

他にも、より珍しいタイプの気圧計が数多く存在する。コリンズ特許卓上気圧計のような嵐気圧計のバリエーションから、フックのオセオメーターやロスシンピエソメーターのようなより伝統的なデザインのものまで様々である。シャークオイル気圧計^{[ 37 ]}のように、温暖な気候で得られる特定の温度範囲でのみ機能するものもある。

水銀の密度は温度に依存するため、測定値は測定器の温度に合わせて調整する必要があります。この目的のために、水銀温度計を気圧計に取り付けることができます。アネロイド気圧計の温度補正は、機械的な連結部にバイメタル要素を組み込むことで実現できます。家庭用として販売されている安価なアネロイド気圧計は、通常、室温での精度を基準に製造されており、温度による調整機能は備えていません。

海抜高度が高くなるにつれて気圧は低下し（海抜高度より低くなるにつれて気圧は上昇する）、気圧計の補正されていない読み値は設置場所によって異なります。そのため、報告のために読み値は海面気圧に換算されます。例えば、海抜高度にあり、天候が良好な気圧計を高度1,000フィート（305 メートル）に移動した場合、読み値に約1インチ水銀柱（約35ヘクトパスカル）を加算する必要があります。時間、水平距離、気温の変化がごくわずかであれば、2つの場所の気圧計の読み値は同じになるはずです。これを怠ると、高所で嵐が接近しているという誤った表示が出てしまいます。

アネロイド気圧計には機械的な調整機構があり、機器を別の高度に移動させない限り、海面気圧相当値を直接、追加の調整なしで読み取ることができます。アネロイド気圧計の設定は、時刻がずれているアナログ時計をリセットするのと似ています。ダイヤルを回して、既知の正確な気圧計（例えば、地元の気象観測所）から得られた現在の気圧を表示します。気圧計の読み取り値はすでに海面気圧相当値に変換されているため、高度に関係なく、この値が設定する気圧計に転送されるため、計算は不要です。ややまれではありますが、気象観測を目的としたアネロイド気圧計の中には、高度に合わせて手動で調整できるように校正されているものもあります。この場合、高度または現在の気圧のいずれかを知っていれば、今後の正確な測定値を得るのに十分です。

下の表は、カリフォルニア州サンフランシスコ市内の3つの地点における例を示しています。補正後の気圧計の読み値は同一であり、海面気圧を基準としていることに注意してください。（気温は15 ℃と仮定します。） 

1787年、モンブランでの科学探検中に、ド・ソシュールはさまざまな高度での水の沸点について調査し、物理実験を行った。彼は、アルコールバーナーで一定量の水を沸騰させるのにかかる時間を測定することで、各実験の高度を計算し、この方法で山の高さを4775メートルと決定した。（これは後に、実際の高さ4807メートルより32メートル低いことが判明した）。これらの実験のために、ド・ソシュールは気圧計や温度計などの特定の科学機器を持参した。彼が計算した山頂での水の沸点はかなり正確で、わずか0.1ケルビンの誤差だった。^{[ 45 ]}

彼の発見に基づいて、気圧高度計は気圧計の特定の応用として開発された。19世紀半ばには、この方法は探検家によって使用された。^{[ 46 ]}