Ilmakehän paine

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 .

Historiallinen

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.

Normaali ilmanpaine

Todellisuudessa mitattu ilmanpaine vaihtelee normaalin ilmanpaineen ympäri , joka määritelmän mukaan on "merenpinnalla" (keskitaso) 15  ° C : n lämpötilassa :

Muut kuin SI- yksiköt

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.

Pystysuora vaihtelu

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.

Vakaus ja epävakaus

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.

Vaakasuora vaihtelu

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.

Tyypilliset arvot

Tallenna arvot

Havainnot ja kokemukset

Palautuslasikokemus

"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".

Kokemus nousevasta vedestä suljetussa tilassa, jossa polttoaine on palanut

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.

Huomautuksia ja viitteitä

  1. Vuonna hydrostatics , paino elohopeapatsas (P = m Hg g) tasapainottavat paino ilmassa, joka painaa koko vapaan pinnan elohopean säiliössä. Yhdistämällä nämä kaksi voimaa samaan pintayksikköön voimme kirjoittaa, että säiliön sisältämän elohopean pinnalle kohdistuva paine (P A = P atm = P a, koska piste A on kosketuksessa ympäröivän ilman kanssa) on yhtä suuri kuin elohopeassa oleva paine putken aukossa (P B ). Elohopeakylpyyn upotetussa Torricelli-putkessa (symboli Hg ja tiheys ρ) kolonni ylitetään tyhjöllä (kutsutaan Torricelli-tyhjöksi) tai tarkemmin elohopeahöyryllä kyllästävässä höyrynpaineessa (20 ° C: ssa, p * (Hg) = 0,16012 Pa). Tämän arvon ollessa vähäinen suhteessa ilmakehän paineeseen voidaan olettaa, että P C ≈ 0. Paine-ero kahden pisteen B ja C välillä (sijaitsevat sellaisella korkeudella, että h B - h C = h) ja h C , jotka sijaitsevat vastaavasti syvyys h B ja h C on annettu hydrostaattien perustuslakilla puristamattomalle nesteelle eri pisteiden välillä: PB-PVS=ρ g (hB-hVS){\ displaystyle P_ {B} -P_ {C} = \ rho \ g \ (h_ {B} -h_ {C})}
    PB-0=ρ g h{\ displaystyle P_ {B} -0 = \ rho \ g \ h}
    Pklo=ρ g h{\ displaystyle P_ {a} = \ rho \ g \ h}
    Elohopealle P atm = 101 325  Pa , ρ = 13 600 kg / m 3 , 9,81 m / s 2 , joten h = 76  mm Hg . Veden ρ = 1000 kg / m 3 ja h = 10,3  m H 2 O. Vrt. Fysiikka ja kemia , Bordas,2004, s.  251
  2. (in) kaavio Galilean kokemuksesta
  3. (in) Howard Margolis, se alkoi Kopernikuksen: Miten kytkeminen World Inside Out johti tieteellinen vallankumous , McGraw-Hill,2002, s.  174
  4. Normaali ilmanpaine , Météo-France
  5. Ideoita ja käsityksiä materiaalitieteistä , Encyclopaedia Universalis,2015, s.  77-78
  6. Georges Bruhat, termodynamiikka , Masson,1962, s.  477
  7. (in) Kshudiram Saha , Maan ilmakehään: Sen fysiikka ja Dynamics , Berlin, Springer-Verlag,2008, 367  Sivumäärä ( ISBN  978-3-540-78426-5 ) , s.  31
  8. Syklonien eri luokat .
  9. "  Absoluuttinen paine Mongoliassa  " , The Weather Channel ,21. tammikuuta 2010(käytetty 13. heinäkuuta 2013 ) .
  10. (in) Maailman ilmatieteen järjestö, "  World: Korkein merenpinnan ilmanpaine yli 750 metriä  " on Arizonan yliopiston (näytetty 13 joulukuu 2012 ) .
  11. (in) Maailman ilmatieteen järjestö, "  World: Korkein merenpinnan ilmanpaineen alapuolella 750 metriä  " on Arizonan yliopiston (näytetty 13 joulukuu 2012 ) .
  12. (in) Maailman ilmatieteen järjestö, "  World: Alin merenpinnan ilmanpaine (pois lukien tornadot)  " on Arizonan yliopiston (näytetty 13 joulukuu 2012 ) .
  13. (in) "  Advanced Dvorak Technique Intensity listing for Cyclone Monica (Maningrida, Australia)  " , CIMSS (käytetty 13. heinäkuuta 2013 ) .
  14. (in) Stephen L. Durdat, "  Remote Sensing ja mallinnus Cyclone Monica lähellä Peak intensiteetti  " , Atmosphere , Monitieteelliset Digital Publishing Institute, Voi.  1, n o  1,12. heinäkuuta 2010, s.  15–33 ( ISSN  2073-4433 , DOI  10.3390 / atmos1010015 , luettu verkossa , käytetty 13. heinäkuuta 2013 2012 ).
  15. Pahvipaperiarkki (käyntikortti, postikortti), paperipyyhe ... Koe toimii myös sideharsoilla, vaijeriliinalla tai siivilällä, johon liittyy voimakkaammin toinen fyysinen ilmiö, pintajännitys , mikä selittää, että koe ei "työ" paperilla, joka on pehmennetty tai voideltu pienellä öljyllä.
  16. Jean-Michel Courty Édouard Kierlik "  Des nesteet ylösalaisin  ", Pour la Science , n o  467,31. elokuuta 2016, s.  89-91 ( lue verkossa )
  17. Raoul Marquis, 100 fyysistä koketta, A.-L. Guyot,1920, s.  30-31
  18. Tämä kokemus juontaa juurensa Filippiin Aleksandriasta . Vrt. Francisco Vera, op. cit. , s. 882.
  19. asteittainen lakkaamiseen liekki ei johdu katoaminen hapen vaan CO: n vapautumiseen 2joka joutuu kosketuksiin lasin kanssa, jäähtyy ja "putoaa" tukahdutetun liekin päälle (happipitoinen ilmakehä tekee mahdollisen palamisen mahdottomaksi). Tämä ominaisuus selittää suosituksen palon aikana ryömiä maahan savun alla sieppaamaan raikas ilma vähemmän CO 2: n tukehtimana .. CF [video] Scilabus, Demystified kynttilä kokemus on YouTubessa ,31. lokakuuta 2014, (en) James P. Birk & Anton E. Lawson, "  Kynttilän ja sylinterin väärinkäsityksen pysyvyys  " , J. Chem. Educ. , voi.  76, n °  7,1999, s.  914 ( DOI  10.1021 / ed076p914 )
  20. Vaha höyryä, joka reagoi hapen kanssa on antanut seuraavan reaktion: C n H 2 n + 2(t) + (1,5 N + 0,5) O 2(g) -> CO 2(g) + (n + 1) H 2 O (g)
  21. Kokeellisesti keitetty muna tai ilmapallo "imetään" kuumennetun pullon tai pullon kaulan läpi (huuhdellaan kuumalla vedellä, tulitikut sytytetään ja upotetaan astiaan) ja sitten jäähdytetään, perustuu myös supistumisperiaatteeseen, joka luo pullon sisään masennuksen.
  22. (in) Harold R. Hunt, Toby F. Block, George M. McKelvy, laboratoriotestauksia Yleinen kemia , Brooks / Cole Thomson Learning,2002, s.  146-149
  23. (in) Francisco Vera, Rodrigo Rivera, César Núñez Ramírez "  Burning kynttilän astiassa, Yksinkertainen koe on pitkä historia  " , Science & Education , Vol.  20, n o  9,2011, s.  881-893 ( DOI  10.1007 / s11191-011-9337-4 )

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit