فشار هوا

فشار هوا فشاری است که هوا بر اجسام، مایعات و گازهای موجود در جو زمین وارد می کند . فشار هوا به این دلیل وجود دارد که هوا تحت تأثیر گرانش زمین است و بنابراین وزن دارد . فشار هوا در همه جهات کار می کند.

اتمسفر زمین دارای جرمی در حدود 5·10 ¹⁸ کیلوگرم است و سطح زمین حدود 5·10 ¹⁴  متر ^مربع است . تقریباً 10000 کیلوگرم هوا بر هر متر مربع از سطح زمین فشار می آورد. با افزایش ارتفاع، طول ستون هوای فشاری رو به پایین کاهش می یابد. بنابراین فشار هوا با افزایش ارتفاع کاهش می یابد.

در گزارش های هواشناسی، فشار هوا به طور سنتی بر حسب میلی بار و امروزه بر حسب هکتوپاسکال (hPa) بیان می شد. پاسکال یک واحد رسمی SI است ، اما واحدها از نظر عددی برابر هستند: برای مثال، فشار اتمسفر در سطح دریا تقریباً 1013 hPa است و تقریباً برابر با 1013 mbar است.

قدرت فشار هوا در اوایل سال 1654 با آزمایش کلاسیک با نیمکره های ماگدبورگ نشان داده شد . از آنجایی که یک ایستگاه هواشناسی از سطح دریا بالاتر از دیگری است، همه ایستگاه های هواشناسی روی زمین لزوماً مقادیر فشار هوا را اندازه گیری نمی کنند. به منظور مقایسه صحیح، فشار هوای اکثر ایستگاه های هواشناسی روی زمین به میانگین سطح دریا تبدیل می شود. روش متفاوتی در ایستگاه های کوهستانی بسیار مرتفع استفاده می شود. بالن های هواشناسی می توانند فشار هوا و سایر پارامترها را تا ارتفاع تقریبی 40 کیلومتر اندازه گیری کنند تا تصویر کامل تری از وضعیت جو به دست آورند.

فشار هوا با فشارسنج اندازه گیری می شود . بیشتر فشارسنج های مدرن حاوی یک جعبه تقریباً بدون هوا هستند که بسته به فشار کم و بیش فشرده می شود (جعبه Vidi). فشار دادن کم یا زیاد جعبه منجر به حرکت یک اشاره گر متصل به آن می شود که به صفحه ای منتقل می شود که فشار هوا روی آن قابل خواندن است. بسیاری از فشارسنج های خانگی از این اصل استفاده می کنند. بسیاری از این فشارسنج های خانگی هنوز مقیاسی بر حسب میلی متر از فشار جیوه دارند . این واحد به راحتی با ضرب عدد بر حسب میلی متر فشار جیوه (Hg) در 1.333 به هکتوپاسکال تبدیل می شود. فشار استاندارد اتمسفر 76 سانتی متر جیوه (760 میلی متر جیوه ) = 1013 hPa = 1.013 بار = 1 اتمسفر است . این فشار استاندارد نیز نامیده می شود. در فشارسنج های جیوه واقعی، در صورت نیاز به دقت بالا، تغییر چگالی جیوه تحت تأثیر تغییر دما باید در نظر گرفته شود.

فشار هوای اندازه گیری شده برای اهداف هواشناسی برای هواشناس مهم است تا بفهمد سیستم های فشار مهمی مانند مناطق کم فشار و پرفشار در کجا قرار دارند. نقشه آب و هوا با ایزوبارها را می توان بر اساس تعداد زیادی از مقادیر فشار هوای توزیع شده جغرافیایی که تا سطح دریا کاهش یافته است ترسیم کرد . ایزوبارها خطوطی هستند که نقاط با فشار هوای برابر را به هم متصل می کنند. در بسیاری از کشورهای جهان، ایزوبارها هر 5 hPa رسم می شوند (به عنوان مثال 995، 1000، 1005 hPa و غیره). از الگوی ایزوبار، مراکز مختلف فشار را می توان یافت و ایده ای از جهت باد و سرعت باد به دست آورد. بین سیستم های فشار زیر تمایز قائل می شود:

• ناحیه کم فشار که به آن کمینه یا فرورفتگی نیز می گویند. ایزوبارها خطوط بسته را در اطراف هسته ای با فشار کم تشکیل می دهند، در حالی که یک گردش سیکلونی وجود دارد .
• ناحیه فشار بالا که حداکثر یا آنتی سیکلون نیز نامیده می شود. هسته در ایزوبارهای بسته در اینجا دارای فشار نسبتاً بالایی است که در اطراف آن یک گردش آنتی سیکلونی انجام می شود.
• ناحیه زینی ، ناحیه انتقال در تقاطع دو ناحیه پرفشار و دو ناحیه کم فشار.
• فرورفتگی ، ناحیه ای کشیده با فشار کم هوا و گسترش ناحیه کم فشار. معمولاً فاصله بین ایزوبارها کم است و در نتیجه سرعت باد زیاد است.
• vore ، ناودانی است که در آن فاصله بین ایزوبارها بیشترین مقدار را دارد. اینجا باد کمی می‌وزد. مفهوم vore هنوز کم استفاده می شود. این نیز معمولا به عنوان یک فرورفتگی نامیده می شود.
• برآمدگی ، بخشی از یک ناحیه پرفشار که دارای V شکل است و معمولاً فاصله ایزوبار بیشترین مقدار را دارد.

بیشتر فشارسنج های آماتور دارای عناوینی مانند “عادلانه”، “پایدار”، “متغیر”، “باران” و “طوفان” هستند. این ذکرها مربوط به زمان های قبلی است، زمانی که اطلاعات کمی در مورد رابطه بین آب و هوا و فشار هوا وجود داشت.

فشار بالای 1030 یا 1040 هکتوپاسکال (hPa) همیشه به معنای هوای آفتابی نیست. ممکن است مه یا باران باشد. معمولاً در فشار هوای زیاد، بارندگی حداکثر به چند میلی‌متر محدود می‌شود، اما موقعیت‌هایی وجود داشته است که در آن 10 تا 15 میلی‌متر از یک دوش محلی در فشار هوای 1030 هکتوپاسکال سقوط می‌کند. برعکس، در یک منطقه کم فشار هوا می تواند آفتابی، خشک و آرام باشد. عمدتاً به این بستگی دارد که مرکز ناحیه فشار نسبت به زمین کجا باشد. بسته به این، ممکن است در هوای مرطوب همراه با ابر یا مه قرار بگیریم یا برعکس، هوای خشک و هوای آفتابی را تجربه کنیم.

با این حال، احتمال بارش در فشار هوای کم به طور کلی بیشتر از فشار زیاد است. مقایسه خوانش فشارسنج روزانه و آب و هوا نشان می دهد که احتمال بارش در فشار هوای کم 990 هکتوپاسکال 80 درصد است. این بدان معناست که در هشت مورد از هر ده مورد باران یا برف خواهد بود. در سطح 1000 hPa شانس بارندگی 70٪، در 1010 hPa 40٪، در 1020 hPa 20٪ و در فشار بالای 1030 hPa فقط 10٪ است.

امروزه اندازه‌گیری‌های فشار هوا (و مقادیر دیگر) از سراسر جهان وارد مدل‌های ریاضی می‌شوند که در شبکه‌ای از ابررایانه‌ها برای پیش‌بینی آب و هوا و تحقیقات اقلیم‌شناسی محاسبه می‌شوند .

نیروی باد با گرادیان فشار هوا تعیین می شود که عبارت است از تغییر فشار هوا در واحد فاصله که همیشه جهتی عمود بر ایزوبارها دارد. بنابراین، گرادیان فشار هوا بیشترین مقدار را دارد که فاصله بین ایزوبارها کمترین باشد. بر اساس قانون خرید رای، سرعت باد در آنجا زیاد خواهد بود و فرقی نمی‌کند که فشار هوا در آن منطقه کم یا زیاد باشد.

فشار هوا تقریباً هرگز ثابت نیست. کاهش فشار هوا در یک منطقه پرفشار را کاهش ناحیه پرفشار و افزایش فشار هوا در ساختمان منطقه پرفشار می گویند. در یک منطقه کم فشار، افت فشار هوا را عمیق شدن و افزایش را پر کردن می نامند. تغییرات فشار هوا اغلب به کشش یک سیستم فشار مربوط می شود. این با ایزالوبارها نشان داده می شود ، خطوطی که در آن فشار هوا در یک دوره زمانی معین به همان میزان تغییر کرده است.

تغییرات سریع فشار معمولاً با بادهای شدید همراه است یا پیش درآمد طوفان است . اگر میزان فشارسنج به سرعت بالا یا پایین شود، معمولاً به این معنی است که آب و هوا در شرف تغییر است. تحقیقات در مورد رابطه بین فشارسنج و آب و هوا نشان می دهد که در 80 درصد موارد، افزایش فشار هوا منجر به بهبود آب و هوا و کاهش فشار هوا منجر به بدتر شدن آب و هوا می شود.

تحت تأثیر خورشید ، در طول روز تغییر آب و هوا رخ می دهد . این الگوی روزانه با تابش خورشیدی ، تابش زمینی ، دمای هوا، باد ، پوشش ابر و رطوبت هوا رخ می دهد . فشار هوا یک دوره دو روزه دارد. تشخیص این امر به ویژه در یک باروگراف در مناطق استوایی آسان است زیرا تغییرات غیر دوره ای در سیستم های فشار کم است.

به خصوص در مناطق استوایی، حرکت روزانه بادهای خشکی و دریایی ایجاد می کند زیرا سطح دریا بسیار کمتر گرم می شود، به طوری که حرکت روزانه در آنجا کم است.

فشار هوا نیز به دلیل جزر و مد ، تغییر چرخه ای را نشان می دهد که مشابه جزر و مد دریا است. بیشترین تأثیر در مناطق استوایی است. دامنه چند میلی بار است و در قطب ها تقریباً صفر است.

در 26 ژانویه 1932، فشار هوا 1050.0 hPa در De Bilt اندازه‌گیری شد که بالاترین فشاری است که تاکنون توسط KNMI اندازه‌گیری شده است . فشار هوا برای چندین روز متوالی بسیار بالا بود: میانگین 1048 hPa در 48 ساعت در De Bilt محاسبه شد. در 23 ژانویه 1907، فشار هوا در De Bilt به 1047.9 hPa افزایش یافت و در 23 دسامبر 1962 ، 1047.8 hPa اندازه گیری شد.

رکورد RMI در Uccle اخیرا شکسته شد: در 20 ژانویه 2020، فشار هوا 1048.3 hPa اندازه گیری شد ^[ 1 ] . رکورد قبلی مربوط به 27 ژانویه 1932 : 1048.0 hPa.

بالاترین مقادیر فشار هوا معمولاً در ماه های زمستان اندازه گیری می شود . در دوره تابستان فشارسنج ها به ندرت بالاتر از 1035 hPa هستند و تغییرات روزانه فشار هوا نیز بسیار کمتر از سایر زمان های سال است. در پاییز، به ویژه از اواسط اکتبر، فشار هوا می تواند به سرعت از روز به روز تغییر کند و به طور کلی کمترین مقادیر اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، فشار هوا در ماه جولای در دی بیلت هرگز از 1033 hPa تجاوز نکرده است و برای اوت رکورد قرن 1034 hPa است.

مناطق پرفشار زمستانی به دلیل مقادیر بالای فشار هوا شناخته شده اند. به خصوص در بالای سیبری، فشار هوای بیش از 1050 hPa اغلب در زمستان رخ می دهد. در 31 دسامبر 1968، رکورد 1083.8 hPa در شهر آگاتا در سیبری (350 کیلومتری جنوب شرقی نوریلسک ) ثبت شد. در سال 2011، مقدار 1084.4 hPa در Tosontsengel در مغولستان اندازه گیری شد. این بالاترین مقدار فشار هوا است که تا سال 2019 اندازه گیری شده است. ^[ 2 ] بیشتر فشارسنج‌های خانه، باغ و آشپزخانه حتی نمی‌توانند آن مقدار را نشان دهند.

کمترین فشار هوا که تا کنون توسط KNMI در دی بیلت اندازه گیری شده است، 956.4 hPa در 26 فوریه 1989 بود . فشار هوا 954.4 hPa در Vlissingen در آن روز اندازه‌گیری شد، اما رکورد قرن برای هلند 954.2 hPa است که در 27 نوامبر 1983 در Eelde اندازه‌گیری شد . رکورد قرن فشار هوا در جزایر بریتانیا 936 hPa است که در شب 19 تا 20 دسامبر 1982 در شمال غربی اسکاتلند اندازه گیری شد . در 26 ژانویه 1884، فشار هوا در اسکاتلند حتی کمتر شد و به 925.6 hPa رسید.

مقادیر فشار هوا به طور قابل توجهی پایین تر در بخش شمالی اقیانوس اطلس اندازه گیری شده است . در 15 دسامبر 1986، فشار هوا در منطقه دریا در جنوب غربی ایسلند به 920.2 hPa کاهش یافت که کمترین فشاری است که تا به حال در آن منطقه اندازه گیری شده است. از اندازه گیری های نزدیک به فرورفتگی ، KNMI توانست استنباط کند که فشار هوا در مرکز ناحیه کم فشار باید تقریباً 915 hPa باشد. در 11 ژانویه 1993، فشار هوا در نزدیکی ایسلند دوباره به مقادیر بسیار پایین کاهش یافت که در حدود 916 hPa تخمین زده شد.

در سال 2005، در طول یک فصل طوفان بسیار فعال اقیانوس اطلس ، طوفان ویلما در هسته خود به پایین ترین حد خود یعنی 882 hPa رسید . ویلما به یکی از فعال ترین طوفان های آن فصل تبدیل شد.

در حالت تعادل، فشار هوا P(h) به طور تقریبی با ارتفاع طبق فرمول ارتفاع فشارسنجی کاهش می یابد :

پ(ساعت)=پ0⋅ه-مgساعت/آرتی

جایی که
M: میانگین جرم مولی هوا؛ تقریباً 0.029 کیلوگرم بر مول
گرم: شتاب گرانشی . 9.8 متر بر ثانیه ² در سطح دریا
h: ارتفاع بر حسب متر
R: ثابت گاز عمومی ; 8.3145 J/(mol.K)
T: دمای مطلق بر حسب K
P ₀ : فشار هوا در سطح دریا
این فرمول فقط یک تقریب است، زیرا T و g هر دو برای همه ارتفاعات ثابت فرض می شوند. علاوه بر این، توده های مولی مختلف نیتروژن (28 کیلوگرم بر کیلومتر) و اکسیژن (32 کیلوگرم بر کیلومتر مول) باید به طور جداگانه محاسبه شوند. با این حال، نمودار بالا نشان می دهد که تأثیر همه این ساده سازی ها حاشیه ای است، زیرا فشار اندازه گیری شده که در مقیاس لگاریتمی رسم می شود، یک پیشرفت تقریباً خطی به عنوان تابعی از ارتفاع دارد.
بنابراین فشار در قدر مطلق در هر متر در لایه های پایین تر اتمسفر سریعتر از لایه های بالاتر کاهش می یابد. در قسمت پایین جو، فشار هوا حدود 13 پاسکال بر متر کاهش می یابد. در ارتفاع 5.5 کیلومتری، فشار در حال حاضر حدود 50٪ کاهش یافته است.