ضغط الهواء هو الضغط الذي يمارسه الهواء على الأجسام والسوائل والغازات الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. يوجد ضغط الهواء لأن الهواء يقع تحت تأثير الجاذبية الأرضية وبالتالي له وزن. ضغط الهواء يعمل في جميع الإتجاهات.
تبلغ كتلة الغلاف الجوي للأرض حوالي 5·10 18 كجم ومساحة سطح الأرض حوالي 5·10 14 مترًا مربعًا . يضغط حوالي 10000 كجم من الهواء على كل متر مربع من سطح الأرض. ومع زيادة الارتفاع، يتناقص طول عمود الضغط الهبوطي. ولذلك فإن الضغط الجوي يتناقص مع زيادة الارتفاع.
في تقارير الأرصاد الجوية، تم التعبير عن ضغط الهواء تقليديًا بالملليبار واليوم بالهكتوباسكال (hPa). الباسكال هو وحدة رسمية في النظام الدولي للوحدات (SI)، لكن الوحدات متكافئة عدديًا: على سبيل المثال، يبلغ الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر حوالي 1013 hPa ويساوي تقريبًا 1013 ملي بار.
ضغط الهواء
تم إثبات قوة ضغط الهواء في وقت مبكر من عام 1654 من خلال التجربة الكلاسيكية مع نصفي الكرة الأرضية في ماغديبورغ. ونظرًا لأن إحدى محطات الأرصاد الجوية أعلى من مستوى سطح البحر عن الأخرى، فليست جميع محطات الأرصاد الجوية على الأرض تقيس بالضرورة قيم الضغط الجوي. وللمقارنة الصحيحة، يتم تحويل ضغط الهواء في معظم محطات الأرصاد الجوية على الأرض إلى متوسط مستوى سطح البحر. يتم استخدام طريقة مختلفة في المحطات الجبلية العالية جدًا. يمكن لبالونات الأرصاد الجوية قياس ضغط الهواء والمعلمات الأخرى حتى ارتفاع حوالي 40 كم للحصول على صورة أكثر اكتمالاً لحالة الغلاف الجوي.
يتم قياس ضغط الهواء باستخدام البارومتر. تحتوي معظم أجهزة قياس الضغط الحديثة على صندوق خالٍ من الهواء تقريبًا، والذي يضغط بدرجة أكبر أو أقل اعتمادًا على الضغط (صندوق فيدي). الضغط على الصندوق قليلاً أو كثيراً سيؤدي إلى تحرك المؤشر المرفق به، والذي سينتقل إلى شاشة يمكن قراءة ضغط الهواء عليها. تستخدم العديد من أجهزة قياس الضغط المنزلية هذا المبدأ. لا يزال لدى العديد من مقاييس ضغط الدم المنزلية مقياس لضغط الزئبق بالملليمتر. يمكن تحويل هذه الوحدة بسهولة إلى هكتوباسكال عن طريق ضرب الرقم بالملليمتر من ضغط الزئبق في 1.333. الضغط الجوي القياسي هو 76 سم زئبق (760 مم زئبق) = 1013 هبأ = 1.013 بار = 1 جو. وهذا ما يسمى أيضًا الضغط القياسي. وفي مقاييس الضغط الزئبقية الحقيقية، إذا كانت الدقة العالية مطلوبة، فيجب أن يؤخذ في الاعتبار التغير في كثافة الزئبق تحت تأثير تغير درجة الحرارة.
أنظمة الضغط
يعد ضغط الهواء المُقاس لأغراض الأرصاد الجوية أمرًا مهمًا لأخصائي الأرصاد الجوية لفهم أماكن وجود أنظمة الضغط المهمة مثل مناطق الضغط المنخفض والضغط المرتفع. يمكن رسم خريطة مناخية ذات نقاط تساوي الضغط بناءً على عدد كبير من قيم الضغط الجوي الموزعة جغرافيًا وصولاً إلى مستوى سطح البحر. خطوط الأيزوبار هي خطوط تربط بين النقاط ذات الضغط الجوي المتساوي. في العديد من دول العالم، يتم رسم خطوط الأيزوبار كل 5 hPa (على سبيل المثال 995، 1000، 1005 hPa، وما إلى ذلك). ومن نمط الأيزوبار يمكن العثور على مراكز ضغط مختلفة ويمكن الحصول على فكرة عن اتجاه الرياح وسرعة الرياح. يتم التمييز بين أنظمة الضغط التالية:
- منطقة الضغط المنخفض، وتسمى أيضًا بالحد الأدنى أو الاكتئاب. تشكل الأيزوبارات خطوطًا مغلقة حول قلب منخفض الضغط، بينما يوجد دوران إعصاري.
- منطقة الضغط العالي، وتسمى أيضًا الحد الأقصى أو الإعصار المضاد. يتمتع القلب في خطوط الأيزوبار المغلقة هنا بضغط مرتفع نسبيًا حيث يحدث دوران مضاد للأعاصير.
- منطقة السرج، المنطقة الانتقالية عند تقاطع منطقتين للضغط العالي ومنطقتين للضغط المنخفض.
- المنخفض، وهو منطقة مستطيلة ذات ضغط جوي منخفض واتساع في منطقة الضغط المنخفض. عادة ما تكون المسافة بين الأيزوبار صغيرة ونتيجة لذلك تكون سرعة الرياح عالية.
- vore هو الحوض الصغير الذي تكون فيه المسافة بين الأيزوبار أكبر. الجو عاصف قليلاً هنا. لا يزال مفهوم vore غير مستخدم بشكل كافٍ. يُشار إلى هذا أيضًا عادةً باسم المسافة البادئة.
- سلسلة من التلال، وهي جزء من منطقة الضغط العالي على شكل حرف V وعادة ما تكون لها أكبر مسافة متساوية الضغط.
الطقس
تحمل معظم مقاييس البارومترات للهواة عناوين مثل “عادل” و”ثابت” و”متغير” و”مطر” و”عاصفة”. تعود هذه الإشارات إلى أوقات سابقة، عندما لم يكن يُعرف سوى القليل عن العلاقة بين المناخ والضغط الجوي.
لا يعني الضغط الذي يزيد عن 1030 أو 1040 هيكتوباسكال (hPa) دائمًا أن الطقس مشمس. قد يكون الضباب أو المطر. يقتصر هطول الأمطار عادةً على بضعة ملليمترات على الأكثر عند الضغط الجوي المرتفع، ولكن كانت هناك مناسبات سقط فيها ما بين 10 إلى 15 ملم من وابل موضعي عند ضغط جوي يبلغ 1030 هكتو باسكال. على العكس من ذلك، في منطقة الضغط المنخفض يمكن أن يكون الجو مشمسًا وجافًا وهادئًا. ويعتمد ذلك بشكل أساسي على مكان تواجد مركز منطقة الضغط بالنسبة للأرض. اعتمادًا على ذلك، قد نكون في طقس رطب مع سحب أو ضباب، أو على العكس، قد نواجه طقسًا جافًا وطقسًا مشمسًا.
ومع ذلك، فإن هطول الأمطار يكون أكثر احتمالاً بشكل عام في الضغط المنخفض منه في الضغط المرتفع. تظهر مقارنة قراءات البارومتر اليومية والطقس أن احتمال هطول الأمطار في ضغط جوي منخفض يبلغ 990 هكتوباسكال هو 80٪. وهذا يعني أن ثماني مرات من أصل عشرة سوف تمطر أو تتساقط الثلوج. عند مستوى 1000 hPa تكون فرصة هطول الأمطار 70%، وعند 1010 hPa 40%، وعند 1020 hPa 20%، وعند الضغط فوق 1030 hPa 10% فقط.
واليوم، يتم إدخال قياسات ضغط الهواء (وكميات أخرى) من مختلف أنحاء العالم في نماذج رياضية يتم حسابها في شبكة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة للتنبؤ بالطقس وأبحاث علم المناخ.
يتغير ضغط الهواء حسب الموقع
يتم تحديد قوة الرياح من خلال تدرج ضغط الهواء، وهو التغير في ضغط الهواء لكل وحدة مسافة ، والذي دائمًا ما يكون اتجاهه عموديًا على خطوط تساوي الضغط. لذلك، يكون تدرج ضغط الهواء هو الأكبر عندما تكون المسافة بين خطوط تساوي الضغط في أصغرها. ووفقا لقانون شراء الأصوات، فإن سرعة الرياح ستكون عالية هناك، ولا يهم إذا كان الضغط الجوي منخفضا أو مرتفعا في تلك المنطقة.
يتغير ضغط الهواء حسب الوقت
ضغط الهواء لا يكون ثابتًا أبدًا. ويسمى انخفاض ضغط الهواء في منطقة الضغط العالي انخفاضًا في منطقة الضغط العالي وزيادة في ضغط الهواء في مبنى منطقة الضغط العالي. في منطقة الضغط المنخفض، يسمى الانخفاض في ضغط الهواء بالتعميق والزيادة تسمى الامتلاء. غالبًا ما ترتبط تغيرات ضغط الهواء بتوتر نظام الضغط. ويتم تمثيل ذلك بخطوط تساوي الضغط، وهي الخطوط التي يتغير فيها ضغط الهواء بنفس المقدار خلال فترة زمنية معينة.
عادة ما ترتبط التغيرات السريعة في الضغط بالرياح القوية أو تكون مقدمة للعواصف. إذا ارتفعت قراءة البارومتر أو انخفضت بسرعة، فعادةً ما يعني ذلك أن الطقس على وشك التغير. تظهر الأبحاث حول العلاقة بين البارومتر والمناخ أنه في 80% من الحالات، تؤدي زيادة الضغط الجوي إلى تحسن الطقس وانخفاض الضغط الجوي يؤدي إلى تفاقم الطقس.
الروتين اليومي
تحت تأثير الشمس يتغير الطقس خلال النهار. ويحدث هذا النمط اليومي مع الإشعاع الشمسي والإشعاع الأرضي ودرجة حرارة الهواء والرياح والغطاء السحابي ورطوبة الهواء. الضغط الجوي له فترة يومين. ومن السهل اكتشاف ذلك بشكل خاص في الباروغراف في المناطق الاستوائية بسبب الاختلاف غير الدوري في أنظمة الضغط المنخفض.
خاصة في المناطق الاستوائية، تخلق الحركة النهارية رياحًا برية وبحرية لأن سطح البحر يسخن بدرجة أقل بكثير، لذلك تكون الحركة النهارية قليلة.
تأثير القمر
يظهر الضغط الجوي أيضًا تغيرًا دوريًا بسبب المد والجزر، وهو ما يشبه المد البحري. أعظم تأثير هو في المناطق الاستوائية. تبلغ السعة بضعة مليبار وتكاد تكون صفرًا عند القطبين.
قيم محسوبة للغاية
في 26 يناير 1932، تم قياس ضغط هواء قدره 1050.0 هكتوباسكال في دي بيلت، وهو أعلى ضغط تم قياسه على الإطلاق بواسطة KNMI. كان ضغط الهواء مرتفعًا جدًا لعدة أيام متتالية: تم حساب متوسط 1048 هكتو باسكال في 48 ساعة في دي بيلت. في 23 يناير 1907، ارتفع ضغط الهواء في دي بيلت إلى 1047.9 هكتوباسكال، وفي 23 ديسمبر 1962، تم قياسه عند 1047.8 هكتوباسكال.
تم كسر الرقم القياسي لـ RMI في Uccle مؤخرًا: في 20 يناير 2020، تم قياس ضغط الهواء عند 1048.3 هكتوباسكال [ 1 ] . الرقم القياسي السابق كان في 27 يناير 1932: 1048.0 هكتوباسكال.
عادة ما يتم قياس أعلى قيم ضغط الهواء في أشهر الشتاء. خلال فترة الصيف، نادرًا ما تكون البارومترات أعلى من 1035 هكتوباسكال، وتكون التغيرات اليومية في ضغط الهواء أقل بكثير مما كانت عليه في الأوقات الأخرى من العام. في الخريف، وخاصة من منتصف أكتوبر، يمكن أن يتغير الضغط الجوي بسرعة من يوم لآخر ويتم قياس أدنى القيم بشكل عام. على سبيل المثال، لم يتجاوز الضغط الجوي لشهر يوليو في دي بيليت أبدًا 1033 هكتو باسكال، وفي أغسطس كان الرقم القياسي للقرن هو 1034 هكتو باسكال.
تُعرف مناطق الضغط المرتفع في فصل الشتاء بقيم ضغط الهواء المرتفعة. غالبًا ما يحدث ضغط الهواء فوق 1050 هكتو باسكال في فصل الشتاء خاصة فوق سيبيريا. في 31 ديسمبر 1968، تم تسجيل رقم قياسي قدره 1083.8 هكتوباسكال في مدينة أجاتا في سيبيريا (350 كم جنوب شرق نوريلسك). وفي عام 2011، تم قياس قيمة 1084.4 هكتوباسكال في توسونتسينجيل في منغوليا. هذه هي أعلى قيمة لضغط الهواء تم قياسها حتى الآن في عام 2019. [ 2 ] لا تستطيع معظم مقاييس المنزل والحديقة والمطبخ إظهار هذه القيمة.
أدنى ضغط هواء تم قياسه على الإطلاق بواسطة KNMI في ديبيلات كان 956.4 hPa في 26 فبراير 1989. تم قياس ضغط هواء قدره 954.4 هكتو باسكال في فليسينجن في ذلك اليوم، لكن الرقم القياسي لهولندا هو 954.2 هكتو باسكال، والذي تم قياسه في إيلدي في 27 نوفمبر 1983. الرقم القياسي لضغط الهواء في الجزر البريطانية هو 936 هكتو باسكال، والذي تم قياسه ليلة 19-20 ديسمبر 1982 في شمال غرب اسكتلندا. وفي 26 يناير 1884، انخفض الضغط في اسكتلندا إلى 925.6 هكتوباسكال.
وتكون قيم الضغط الجوي أقل بشكل ملحوظ في الجزء الشمالي من المحيط الأطلسي. في 15 ديسمبر 1986، انخفض ضغط الهواء في المنطقة البحرية جنوب غرب أيسلندا إلى 920.2 هكتوبسكال، وهو أدنى ضغط تم قياسه على الإطلاق في تلك المنطقة. ومن القياسات القريبة من القاع، تمكن معهد KNMI من استنتاج أن ضغط الهواء في مركز منطقة الضغط المنخفض يجب أن يكون حوالي 915 hPa. في 11 يناير 1993، انخفض الضغط الجوي بالقرب من أيسلندا مرة أخرى إلى قيم منخفضة جدًا، تقدر بحوالي 916 هكتوباسكال.
في عام 2005، خلال موسم الأعاصير الأطلسي النشط للغاية، وصل إعصار ويلما إلى أدنى مستوى له وهو 882 هكتوباسكال. أصبح ويلما أحد أكثر الأعاصير نشاطًا هذا الموسم.
اعتماد الضغط الجوي على الارتفاع ودرجة الحرارة
[ تحرير | تحرير النص المصدر ]
في حالة التوازن، يتناقص ضغط الهواء P(h) تقريبًا مع الارتفاع وفقًا لمعادلة الارتفاع البارومتري :
- P(ساعة)=P0⋅e-mhour/art
حيث
M: متوسط الكتلة المولية للهواء؛ حوالي 0.029 كجم/مول جرام
: تسارع الجاذبية. 9.8 م/ ث 2 عند مستوى سطح البحر
ح: الارتفاع بالأمتار
ر: ثابت الغاز العام؛ 8.3145 J/(mol.K)
T: درجة الحرارة المطلقة بـ K
P 0 : ضغط الهواء عند مستوى سطح البحر.
هذه الصيغة مجرد تقريب، حيث يُفترض أن كلاً من T و g ثابتان لجميع الارتفاعات. بالإضافة إلى ذلك، يجب حساب الكتل المولية المختلفة للنيتروجين (28 كجم/مول كيلومتر) والأكسجين (32 كجم/مول كيلومتر) بشكل منفصل. ومع ذلك، يوضح الرسم البياني أعلاه أن تأثير كل هذه التبسيطات هامشي، حيث أن الضغط المقاس، المرسوم على مقياس لوغاريتمي، له تقدم خطي تقريبًا كدالة للارتفاع.
ولذلك، فإن الضغط بالقيمة المطلقة لكل متر يتناقص بشكل أسرع في الطبقات السفلية من الغلاف الجوي مقارنة بالطبقات العليا. وفي الجزء السفلي من الغلاف الجوي، ينخفض الضغط الجوي بحوالي 13 باسكال لكل متر. على ارتفاع 5.5 كم، انخفض الضغط بالفعل بنحو 50٪.