Der atmosphärische Druck ist der Druck, der von dem Gasgemisch, das die fragliche Atmosphäre (auf der Erde : die Luft ) bildet, auf eine mit ihr in Kontakt stehende Oberfläche ausgeübt wird . Die Moleküle dieser Mischung, animiert von einem unaufhörlichen zufällige Bewegung, thermische Bewegung durchlaufen Kollisionen mit einander und gegen die Oberflächen der Objekte. Die Stoßkräfte durch die Stöße dieser Moleküle auf die in der Atmosphäre vorhandenen Objekte führen zu Kräften, die sich auf der Oberfläche dieser Objekte verteilen und für den Atmosphärendruck verantwortlich sind (Druckkräfte der Atmosphärenmoleküle pro Flächeneinheit).
Genauer gesagt komprimiert die auf der Erde vorhandene Schwerkraft die Atmosphäre in Richtung Boden, so dass auf jeder Ebene der so erzeugte lokale Druck ausreicht, um das Gesamtgewicht der darüber liegenden Luftsäule zu tragen. Der Luftdruck auf Meereshöhe beträgt durchschnittlich 1013,25 hPa oder 1 atm . Sie hängt im Wesentlichen von der Masse der Atmosphäre ab , die durch die globale atmosphärische Zirkulation auf komplexe Weise verteilt wird, wodurch der Druck von Ort zu Ort variiert.
Der Luftdruck wird mit einem Barometer , Hypsometer oder Höhenmesser gemessen . Aufgrund der üblichen Verwendung des Quecksilbersäulenbarometers wird sie seit langem in Millimeter Quecksilbersäule (Symbol mmHg; auch Torr genannt , Symbol Torr) gemessen .
Seit der Übernahme des Pascal in das Internationale Einheitensystem (SI) als Druckeinheit verwenden Meteorologen ein Vielfaches dieser Einheit, das Hektopascal (hPa), was den Vorteil hat, dass es genau dem zuvor verwendeten Millibar entspricht . : 1 hPa = 1 mbar .
1638 Galileo schrieb Diskursen und mathematische Demonstrationen über zwei neue Wissenschaften (in) , wo er verschiedene Experimente beschrieben, darunter eine von entworfen Aristoteles , der das Gewicht der Luft durch einen Zylinder enthält Druckluft hervorheben können. In seiner Arbeit berichtet der Wissenschaftler über eine Beobachtung, die ihm die Brunnen von Florenz über die Unfähigkeit der Saugpumpen der Brunnen vorgelegt haben, Wasser über 10 Meter zu heben. Galilei führt diese Ohnmacht auf eine intrinsische Ursache zurück, den begrenzten Horror eines Vakuums , und greift damit die falsche aristotelische Vorstellung von horror vacui ( "die Natur verabscheut ein Vakuum" ) auf. 1643 führt Torricelli , ein Freund und Schüler von Galileo, ein Experiment (in) durch , das es ihm ermöglicht, den Anstieg des Wassers auf eine äußere Ursache, den atmosphärischen Druck, zurückzuführen und das Gewicht der Atmosphäre genau zu messen. Die von Otto von Guericke 1654 durchgeführten Experimente der Magdeburger Halbkugeln zeigen, dass der atmosphärische Druck die beiden Halbkugeln mit einer Geschwindigkeit von zehn Tonnen pro Quadratmeter gegeneinander drückt.
Der tatsächlich gemessene atmosphärische Druck schwankt um den normalen atmosphärischen Druck , der per Definition auf "Meereshöhe" (mittlere Höhe) bei einer Temperatur von 15 ° C festgelegt ist:
Bei älteren CGS - System - Einheiten , normaler Atmosphärendruck ist:
Nach Definition des Millimeters Quecksilber (mmHg) und des ihm entsprechenden Torr (Torr) beträgt der normale Luftdruck genau 760 mmHg = 760 Torr .
Schließlich ermöglicht der normale Atmosphärendruck selbst die Definition einer Druckeinheit : 1 atm = 101 325 Pa .
Bei 20 °C beträgt die durchschnittliche Geschwindigkeit von Luftmolekülen bei normalem Atmosphärendruck etwa 500 m/s (1.800 km/h), bei 100 °C erreicht diese Rührgeschwindigkeit 560 m/s (2.016 km/h). Aber bei 20 ° C und atmosphärischem Druck liegt der durchschnittliche Abstand zwischen den Molekülen in der Größenordnung des Zehnfachen des Durchmessers dieser Moleküle und die durchschnittliche freie Weglänge in der Größenordnung des 100-fachen dieses Durchmessers. Die Moleküle kollidieren sehr oft (jedes erfährt eine durchschnittliche Kollision alle 10 -10 Sekunden), sie behalten diese Geschwindigkeit nur über sehr kurze Distanzen bei.
Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab , da die Masse – und damit das Gewicht – der darüber liegenden Luft zwangsläufig mit der Höhe abnimmt und die Luft immer weniger komprimiert. Der Druck nimmt exponentiell um den Faktor 10 ab, wenn Sie 16 km aufsteigen (oder die Hälfte auf 5500 m ). So ist es möglich, die Höhe mittels Druck zu messen, was das Grundprinzip des Höhenmessers ist, der in der Luftfahrt und im Bergsteigen verwendet wird.
In der angewandten Meteorologie wird der Druck oft direkt als vertikale Koordinate verwendet . Wir werden zum Beispiel von der Temperatur bei (einer "Höhe" von) 700 hPa sprechen . Dieser Ansatz hat technische Vorteile und vereinfacht bestimmte Gleichungen, die in der Meteorologie verwendet werden.
Typischerweise nimmt der Atmosphärendruck auf etwa 5.500 Metern um die Hälfte ab und die durchschnittliche Temperatur der Atmosphäre sinkt um 9,7 ° C pro 1.000 Meter. Dieser Wert gilt jedoch nur für eine genormte Atmosphäre und variiert tatsächlich je nach Wasserdampfgehalt und Höhenlage. Diese Eigenschaften können rigoros nachgewiesen werden, wenn wir davon ausgehen, dass die Atmosphäre im Gleichgewicht ist (obwohl dies eine ausgezeichnete Näherung bleibt, ist dies in der Praxis nicht ganz richtig).
Wenn der Boden durch die Sonne durch Konvektion erwärmt wird, werden die unteren Schichten der Atmosphäre erwärmt, und da die heiße Luft weniger dicht ist, steigt die erwärmte Luft dank des Archimedes-Schubs tendenziell an . Kühlt die Heißlufttasche weniger schnell ab als die Umgebungsluft, beschleunigt sich dieses Luftpaket nach oben. Wir befinden uns dann in der Gegenwart einer instabilen Luftmasse. Andernfalls wird die aufsteigende Luft kälter als die umgebende Luft, die Aufwärtsbewegung stoppt und die Atmosphäre ist dann stabil.
Die Abkühlungsgeschwindigkeit der aufsteigenden Luftmasse kann theoretisch oder auf einem thermodynamischen Diagramm in Bezug auf die von einer Radiosonde gegebene Umgebungstemperatur berechnet werden . Diese Berechnung basiert auf der Annahme, dass kein Wärmeaustausch mit der Außenluft stattfindet und dass die Temperaturänderungsrate unterschiedlich ist, ob die Luft gesättigt ist oder nicht. Im ersten Fall wird der kondensierte Wasserdampf aus der aufsteigenden Masse entfernt.
Meteorologen analysieren horizontale Veränderungen des atmosphärischen Drucks, um meteorologische Systeme zu lokalisieren und zu verfolgen: Dies ermöglicht die Definition von Tiefdruckzonen (D) (Druck im Allgemeinen unter 1013 hPa , 760 mmHg ), Hochdruckzonen (A) (Druck im Allgemeinen über 1013 hPa , 760 mmHg ) und Isobaren . Lows und Mulden sind in der Regel mit schlechtem assoziiert Wetter . Antizyklone und barometrische Höhenzüge sind günstig für gutes Wetter.
Der Druckunterschied zwischen zwei Punkten gleicher Höhe (oder horizontaler Druckgradient ) ist auch die wichtigste Triebkraft des Windes : Bei den heftigsten tropischen Wirbelstürmen wurden Werte von 5 hPa/km beobachtet .
Um mithilfe des Drucks Wettersysteme zu überwachen und die Windstärke abzuschätzen, ist es notwendig, Druckmessungen aus verschiedenen Höhen abzugleichen: auf See, in Tälern, in Bergen. Dies geschieht, indem die Rohdruckmessungen einem standardisierten Abgleich unterzogen werden. Der sich aus dieser Anpassung ergebende Wert wird als Meeresspiegeldruck oder PNM bezeichnet . Wenn wir zum Beispiel den Fall einer 100 Meter über dem Meeresspiegel gelegenen Station nehmen , wird die Anpassung durch Schätzung des Drucks am Boden eines fiktiven 100 Meter tiefen Lochs vorgenommen, das wir an der Station gegraben hätten. Genauer gesagt ist der Wert des PNM eine Funktion des an der Station gemessenen Drucks und der der fiktiven Luftsäule zugeordneten Temperatur. Für letzteres verwenden wir den Durchschnitt der aktuellen Temperatur an der Station und die zwölf Stunden zuvor gemessene. MLP ist eine sehr nützliche Näherung, aber es sollte darauf geachtet werden, dass sie nicht den vollen Wert einer genauen physikalischen Messung erhält, insbesondere in bergigem Gelände. Der auf Meereshöhe gemessene Luftdruck schwankt um einen Durchschnittswert von 1.013 hPa .
Der am Boden gemessene Druck wird zur Kalibrierung und Validierung von Daten von fernen meteorologischen Messgeräten verwendet. Genaue Druckmessungen sind daher eine notwendige Grundlage für die Erd- und Klimabeobachtung.
Das Experiment "umgedrehtes Glas" oder "umgedrehtes Glas" besteht darin, ein Glas mit einer nicht gasförmigen Flüssigkeit zu füllen, seine Öffnung mit einem Blatt Karton (oder einem gleichwertigen Medium) zu bedecken, das Glas vorsichtig umzudrehen und dann die Hand zu entfernen, die hält es. das Papier. Die Flüssigkeit bleibt im Glas. Diese kontraintuitive Beobachtung kann wie folgt erklärt werden: Atmosphärendruck (ca. 1 kg / cm 2 ) und in geringerem Maße Oberflächenspannung üben eine nach oben gerichtete vertikale Kraft aus, die größer ist als das Gewicht der im Glas enthaltenen Flüssigkeit und der Luftdruck am Boden des Glases. Wird die Stütze entfernt, entweicht die Flüssigkeit, obwohl der atmosphärische Druck dieselbe nach oben gerichtete Kraft ausübt: Gravitationskräfte (destabilisierend) haben Vorrang vor Oberflächenspannungskräften (stabilisierend) und lösen Rayleigh-Taylor-Instabilität aus .
Eine Folge dieses Experiments ist das Öffnen eines Marmeladenglases, einer Glasdose oder eines Babyglases, das durch den höheren Luftdruck als den extrem niedrigen Luftdruck unter dem Deckel erschwert wird. Eine weitere Folge ist „Wasserkochen ohne Feuer“ mit der Öffnung eines stiellosen Glases, das mit einem Taschentuch bedeckt ist, das in das Innere gedrückt wird, so dass es mit der Flüssigkeitsoberfläche in Kontakt kommt und außen um das Glas gefaltet wird. . Sobald das Glas umgedreht ist, bringen Sie das Taschentuch mit einer Hand, bis es vollständig über die Öffnung gespannt ist. Dann ist ein Blasen zu hören und es ist zu beobachten, dass große Blasen durch das gerührte Wasser aufsteigen, als ob es kocht. Durch das Vorhalten des Taschentuchs wird im Inneren des Glases ein „Teilvakuum“ erzeugt, wodurch die Außenluft durch die Poren des Stoffes strömt und Wasser diese „Lücke“ füllt.
Die Verbrennung eines Streichholzes oder einer Kerze, die auf dem Boden eines mit Wasser gefüllten Behälters (Teller, Kristallisator …) ruht und unter einer Umhüllung (typischerweise ein Glas) platziert wird, verstärkt den atmosphärischen Druck. Durch den teilweisen Sauerstoffverbrauch durch die Verbrennung von Paraffinwachs entsteht Kohlendioxid CO 2und Wasser H 2 O, zwei Reaktionsprodukte, die in gasförmiger Form vorliegen. Die Abkühlung des Restgases ( thermische Kontraktion ) und die Kondensation des Wasserdampfes (beobachtbar durch Nebelbildung an den Innenwänden des Gehäuses) bewirken eine Abnahme des Innendrucks, der unter den äußeren Atmosphärendruck fällt. Entgegen der landläufigen Meinung ist es hauptsächlich dieses Phänomen, das erklärt, warum Wasser durch den atmosphärischen Druck in das Glas gedrückt wird.