Ilmakehän paine on paine , jonka aiheuttaa kaasumaisen seoksen muodostavien ilmakehässä kyseessä (päällä Maan : ilma ) yhdellä pinnalla kosketuksessa sen kanssa. Tämän seoksen molekyylit, jotka on animoitu jatkuvalla satunnaisella liikkeellä, termisellä sekoituksella , törmäävät toisiinsa ja esineiden pintoja vasten. Näiden molekyylien iskuista johtuvat iskujoukot ilmakehässä oleviin esineisiin aiheuttavat voimia, jotka jakautuvat näiden esineiden pinnalle ja jotka ovat vastuussa ilmakehän paineesta (ilmakehän molekyylien puristusvoimat pinta-alayksikköä kohti).
Tarkemmin sanottuna maan päällä oleva painovoima puristaa ilmakehän maata kohti siten, että näin syntynyt paikallinen paine on kullakin tasolla riittävä tukemaan päällekkäisen ilmapylvään kokonaispainoa. Ilmanpaine merenpinnan tasolla on keskimäärin 1013,25 hPa tai 1 atm . Se riippuu olennaisesti ilmakehän massasta , joka ilmakehän globaalin kiertonsa vuoksi monimutkaisesti jakautuneena saa paineen vaihtelemaan paikasta toiseen.
Ilmanpaine mitataan barometrilla , hypsometrillä tai korkeusmittarilla . Se on mitattu pitkään millimetreinä elohopeaa (symboli mmHg; kutsutaan myös torriksi , symboli Torr) johtuen elohopeapylväsbarometrin yleisestä käytöstä .
Sen jälkeen kun pascal hyväksyttiin kansainväliseen yksikköjärjestelmään (SI) paineyksikkönä, meteorologit käyttävät tämän yksikön moninkertaista osaa, hektopascalia (hPa), jolla on se etu, että se vastaa tarkalleen aiemmin käytettyä millibaaria : 1 hPa = 1 mbar .
Vuonna 1638, Galileo kirjoitti diskurssit ja matemaattinen mielenosoituksia koskevat kaksi uutta tieteet (in) , jossa hän kuvaa erilaisia kokeita, joista yksi suunnitellut Aristoteleen joka voi korostaa painon ilmaa sisältävän sylinterin paineilmalla. Työssään tutkija kertoo havainnon, jonka Firenzen suihkulähteet esittivät hänelle suihkulähteiden imupumppujen kyvyttömyydestä nostaa vettä yli 10 metrin korkeuteen. Galileo syyttää tämän impotenssin sisäisestä syystä, alipaineen rajoitetusta kauhusta, joka omaksuu väärän aristoteleisen ajatuksen kauhun vacuista ( "luonto kauhistuu tyhjiössä" ). Vuonna 1643 Torricelli , Galileon ystävä ja opetuslapsi, suorittaa kokeen , jonka avulla hän voi määrätä veden nousun ulkoiseksi syyksi, ilmanpaineeksi ja mitata tarkasti ilmakehän painon. Magdeburgin pallonpuoliskojen kokeet , jotka Otto von Guericke suoritti vuodesta 1654, osoittavat, että ilmakehän paine työntää kaksi puolipalloa toisiaan vastaan nopeudella kymmenen tonnia neliömetriltä.
Todellisuudessa mitattu ilmanpaine vaihtelee normaalin ilmanpaineen ympäri , joka määritelmän mukaan on "merenpinnalla" (keskitaso) 15 ° C : n lämpötilassa :
Vanhemmissa CGS System yksikköä , normaali ilmakehän paine on:
Elohopean millimetrin (mmHg) ja sitä vastaavan torrin (Torr) määritelmän mukaan normaali ilmanpaine on tarkalleen 760 mmHg = 760 Torr .
Lopuksi, normaali ilmakehän paine itse tekee mahdolliseksi määritellä paineen yksikkö : 1 atm = 101 325 Pa .
20 ° C: ssa ilmamolekyylien keskinopeus normaalissa ilmakehän paineessa on noin 500 m / s (1800 km / h), 100 ° C: ssa tämä sekoitusnopeus saavuttaa 560 m / s (2016 km / h). Mutta 20 ° C: ssa ja ilmakehän paineessa molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys on luokkaa kymmenen kertaa näiden molekyylien halkaisija ja keskimääräinen vapaa polku luokkaa 100 kertaa tämä halkaisija. Molekyylit törmäävät hyvin usein (kullakin tapahtuu keskimääräinen törmäys 10-10 sekunnin välein), ne pitävät tämän nopeuden vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä.
Ilmanpaine pienenee korkeuden kasvaessa, koska päällisen ilman massa - ja siten paino - pienenee väistämättä korkeuden kanssa, puristamalla ilmaa vähemmän ja vähemmän. Paine laskee eksponentiaalisesti 10 kertaa joka kerta, kun nouset 16 km (tai puolet 5500 m: n kohdalla ). Siten on mahdollista käyttää painetta korkeuden mittaamiseen, mikä on ilmailussa ja vuorikiipeilyssä käytetyn korkeusmittarin perusperiaate .
On sovellettu meteorologia , paine on usein käyttää suoraan pystysuora koordinaatti . Puhumme esimerkiksi lämpötilasta 700 hPa : n ("korkeudessa") . Tällä lähestymistavalla on teknisiä etuja ja se yksinkertaistaa tiettyjä meteorologiassa käytettyjä yhtälöitä.
Tyypillisesti ilmanpaine laskee puoleen noin 5500 metrin korkeudessa ja ilmakehän keskilämpötila laskee 9,7 ° C / 1000 metriä. Tämä nopeus on kuitenkin voimassa vain standardoidussa ilmakehässä ja vaihtelee itse asiassa vesihöyrypitoisuuden ja korkeuden mukaan. Nämä ominaisuudet voidaan osoittaa tiukasti, jos oletamme, että ilmakehä on tasapainossa (vaikka tämä onkin edelleen hyvä arvio, se ei ole aivan totta käytännössä).
Kun aurinko lämmittää maata konvektiolla, ilmakehän alemmat kerrokset lämpenevät ja koska kuuma ilma on vähemmän tiheää, lämmitetyllä ilmalla on taipumus nousta Archimedeksen työntövoiman ansiosta . Jos kuumailmatasku jäähtyy vähemmän kuin ympäröivä ilma, tämä ilmapaketti kiihtyy ylöspäin. Sitten olemme epävakaan ilmamassan läsnäollessa. Muuten nouseva ilma tulee kylmemmäksi kuin ympäröivä ilma, ylöspäin suuntautuva liike pysähtyy ja ilmakehä on sitten vakaa.
Nousevan ilmamassan jäähdytysnopeus voidaan laskea teoreettisesti tai termodynaamisella kaaviona suhteessa radiosondin antamaan ympäristön lämpötilaan . Tämä laskelma perustuu oletukseen, että ulkoilman kanssa ei tapahdu lämmönvaihtoa ja että lämpötilan muutosnopeus on erilainen, jos ilma on kyllästettyä tai ei. Ensimmäisessä tapauksessa tiivistynyt vesihöyry poistetaan nousevasta massasta.
Meteorologit analysoivat ilmakehän paineen horisontaalisia vaihteluita sääjärjestelmien paikantamiseksi ja seuraamiseksi: tämä antaa mahdollisuuden määritellä syvennysten (D) (paine yleensä alle 1013 hPa , 760 mmHg ), korkeapainevyöhykkeiden (A) (paine yleensä yli 1013 ) vyöhykkeet hPa , 760 mmHg ) ja isobaareja . Matalat ja kourut liittyvät yleensä huonoon säähän . Antisyklonit ja barometriset harjanteet ovat suotuisia hyvälle säälle.
Kahden saman korkeuden pisteen (tai vaakasuoran paineen gradientin ) välinen paine-ero on myös tuulen tärkein liikkeellepaneva voima : Väkivaltaisimmissa trooppisissa sykloneissa on havaittu arvoja 5 hPa / km .
Jotta paineita voidaan käyttää sääjärjestelmien tarkkailuun ja tuulen voimakkuuden arvioimiseen, on sovitettava yhteen paineenmittaukset, jotka on tehty eri korkeuksilla: merellä, laaksoissa, vuoristossa. Tämä tehdään suorittamalla raakapaineen mittaukset vakioidulla säätöllä. Tästä säätöstä johtuvaa arvoa kutsutaan merenpinnan paineeksi tai PNM: ksi . Jos otamme esimerkiksi aseman, joka sijaitsee 100 metriä merenpinnan yläpuolella , säätö tehdään arvioimalla paine 100 metrin syvyydessä olevan fiktiivisen reiän pohjassa, jonka 'olisimme kaivaneet asemalle. Tarkemmin sanottuna PNM: n arvo on asemalta mitatun paineen ja fiktiiviselle ilmakolonnille osoitetun lämpötilan funktio. Jälkimmäiseen käytetään aseman nykyisen lämpötilan keskiarvoa ja 12 tuntia aiemmin mitattua lämpötilaa. MLP on erittäin hyödyllinen arvio, mutta on varottava, ettei sille anneta täsmällisen fyysisen mittauksen täyttä arvoa etenkin vuoristoisissa olosuhteissa. Merenpinnalla mitattu ilmanpaine vaihtelee keskiarvon 1013 hPa ympäri .
Maalla mitattua painetta käytetään etämeteorologisten mittauslaitteiden tietojen kalibrointiin ja validointiin. Tarkat painemittaukset ovat siis välttämätön perusta maan ja ilmaston havainnoinnille.
"Käänteinen lasi" tai "käännettävä lasi" -kokeilu koostuu lasin täyttämisestä muulla kuin kaasumaisella nesteellä, peittämällä sen aukko kartonkiarkilla (tai vastaavalla alustalla), kääntämällä lasin varovasti ylöspäin ja poistamalla sitten käden, joka pitää kiinni se. paperi. Neste jää lasiin. Tämä vasta-intuitiivinen havainto voidaan selittää seuraavasti: ilmakehän paine (noin 1 kg / cm 2 ) ja vähemmässä määrin pintajännitys käyttää ylöspäin suuntautuvaa pystysuoraa voimaa, joka on suurempi kuin lasissa olevan nesteen paino ja ilmanpaine lasin alaosassa. Jos tuki poistetaan, neste poistuu, vaikka ilmakehän paine käyttää samaa ylöspäin suuntautuvaa voimaa: gravitaatio- (epävakauttavat) voimat ovat etusijalla pintajännitys (vakauttavat) voimat ja laukaisevat Rayleigh-Taylorin epävakauden .
Tämän kokeen seuraus on hillopurkin, lasipurkin tai vauvan purkin avaaminen, jonka vaikeuttaa korkeampi ilmanpaine kuin kannen alla oleva erittäin alhainen ilmanpaine. Toinen seuraus on "tulella kiehuva vesi", jonka varrettoman lasin aukko on peitetty nenäliinalla, joka on painettu sisätilaan siten, että se on kosketuksessa nestepinnan kanssa ja taittunut ulkopuolelle lasin ympärille. Kun lasi on käännetty ylösalaisin, tuo kudos yhdellä kädellä, kunnes se on täysin venytetty aukon yli. Sitten kuuluu kuplimista ja havaitaan suurten kuplien nousevan sekoitetun veden läpi kuin se kiehaisi. Nenäliinaa ojennettaessa lasin sisään muodostuu "osittainen tyhjiö", joka saa ulkoilman kulkemaan kankaan huokosten läpi ja vesi täyttämään tämän "tyhjiön".
Palaminen ottelun tai kynttilän, joka lepää pohjan säiliöön vedellä (levy, kiteyttimen ...) ja joka on asetettu kotelon (tyypillisesti lasia), korostaa ilmakehän paine. Parafiinivahan palamisesta johtuva osittainen hapenkulutus tuottaa hiilidioksidia CO 2ja vesi H 2 O, kaksi reaktiotuotetta, jotka ovat kaasumaisessa muodossa. Jäännöskaasun jäähtyminen ( terminen supistuminen ) ja vesihöyryn kondensoituminen (havaittavissa muodostamalla sumua kotelon sisäseiniin) aiheuttavat sisäisen paineen laskun, joka tulee pienemmäksi kuin ulkoinen ilmanpaine. Toisin kuin toisinaan opetettu yleinen käsitys , juuri tämä ilmiö selittää, miksi vettä painetaan lasin sisään ilmakehän paineella.