La pressione atmosferica è la pressione esercitata dalla miscela gassosa che costituisce l' atmosfera in questione (sulla Terra : l' aria ) su una superficie a contatto con essa. Le molecole di questa miscela, animate da un incessante movimento casuale, agitazione termica , subiscono urti tra di loro e contro le superfici degli oggetti. Le forze di impatto dovute agli urti di queste molecole sugli oggetti presenti nell'atmosfera risultano in forze distribuite sulla superficie di questi oggetti e che sono responsabili della pressione atmosferica (forze di pressione delle molecole dell'atmosfera per unità di area).
Più precisamente, la gravità presente sulla Terra comprime l'atmosfera verso il suolo in modo che ad ogni livello, la pressione locale così generata sia sufficiente a sostenere il peso totale della colonna d'aria sovrastante. La pressione atmosferica a livello del mare è in media di 1013,25 hPa o 1 atm . Esso dipende essenzialmente dalla massa della atmosfera , che, essendo distribuita in modo complesso dalla circolazione atmosferica globale, provoca la pressione variare da luogo a luogo.
La pressione atmosferica viene misurata utilizzando un barometro , un ipsometro o un altimetro . È stato a lungo misurato in millimetri di mercurio (simbolo mmHg; chiamato anche torr , simbolo Torr) a causa dell'uso comune del barometro a colonna di mercurio .
Dall'adozione del pascal nel Sistema Internazionale di Unità (SI) come unità di pressione, i meteorologi utilizzano un multiplo di questa unità, l' ettopascal (hPa), che ha il vantaggio di corrispondere esattamente al millibar utilizzato in precedenza. : 1 hPa = 1 mbar .
Nel 1638 Galileo scrive Discorsi e dimostrazioni matematiche riguardanti due nuove scienze (in) , dove descrive vari esperimenti, tra cui uno ideato da Aristotele che può evidenziare il peso dell'aria attraverso un cilindro contenente aria compressa. Nel suo lavoro lo scienziato riporta un'osservazione che le fontane di Firenze gli hanno sottoposto sull'incapacità delle pompe di aspirazione delle fontane di sollevare l'acqua oltre i 10 metri. Galileo attribuisce questa impotenza a una causa intrinseca, l'orrore limitato del vuoto , riprendendo la falsa idea aristotelica dell'horror vacui ( "la natura aborre il vuoto" ). Nel 1643, Torricelli , amico e discepolo di Galileo, compie un esperimento (in) che gli permette di attribuire l'innalzamento dell'acqua ad una causa esterna, la pressione atmosferica, e di misurare con precisione il peso dell'atmosfera. Gli esperimenti degli emisferi di Magdeburgo condotti da Otto von Guericke dal 1654 mostrano che la pressione atmosferica spinge le due mezze sfere l'una contro l'altra alla velocità di dieci tonnellate per metro quadrato.
La pressione atmosferica effettiva misurata varia intorno alla pressione atmosferica normale fissata, per definizione, come essendo, al "livello del mare" (livello medio), alla temperatura di 15 °C , di:
Nelle vecchie unità del sistema CGS , la pressione atmosferica normale è:
Per definizione del millimetro di mercurio (mmHg) e del torr (Torr) che gli è uguale, la pressione atmosferica normale è esattamente 760 mmHg = 760 Torr .
Infine, la stessa pressione atmosferica normale consente di definire un'unità di pressione : 1 atm = 101 325 Pa .
A 20 ° C, la velocità media delle molecole d'aria alla normale pressione atmosferica è di circa 500 m / s (1.800 km / h), a 100 ° C, questa velocità di agitazione raggiunge i 560 m / s (2.016 km / h). Ma a 20°C e alla pressione atmosferica, la distanza media tra le molecole è dell'ordine di dieci volte il diametro di queste molecole e il percorso libero medio dell'ordine di 100 volte questo diametro. Le molecole si scontrano molto spesso (ognuna subisce una collisione media ogni 10 -10 secondi), mantengono questa velocità solo su distanze molto brevi).
La pressione atmosferica diminuisce con l' aumentare dell'altitudine , perché la massa - e quindi il peso - dell'aria sovrastante diminuisce necessariamente con l'altezza, comprimendo l'aria sempre meno. La pressione diminuisce, esponenzialmente, di un fattore 10 ogni volta che si sale di 16 km (o la metà a 5500 m ). È così possibile utilizzare la pressione per misurare l'altezza, che è il principio base dell'altimetro utilizzato in aeronautica e alpinismo.
Nella meteorologia applicata, la pressione è spesso usata direttamente come coordinata verticale. Parleremo ad esempio della temperatura a (una "altezza" di) 700 hPa . Questo approccio presenta vantaggi tecnici e semplifica alcune equazioni utilizzate in meteorologia.
Tipicamente, la pressione atmosferica diminuisce della metà a circa 5.500 metri e la temperatura media dell'atmosfera diminuisce di 9,7 °C per 1.000 metri. Tuttavia, questa tariffa è valida solo per un'atmosfera standardizzata e infatti varia in base al contenuto di vapore acqueo e all'altitudine. Queste proprietà possono essere rigorosamente dimostrate se si assume che l'atmosfera sia in equilibrio (sebbene questa rimanga un'ottima approssimazione, in pratica non è del tutto vera).
Quando il suolo viene riscaldato dal Sole, per convezione, gli strati inferiori dell'atmosfera si riscaldano e man mano che l'aria calda è meno densa, l'aria riscaldata tenderà a salire grazie alla spinta di Archimede . Se la sacca d'aria calda si raffredda meno rapidamente dell'aria circostante, questo pacco d'aria accelererà verso l'alto. Siamo quindi in presenza di una massa d'aria instabile. In caso contrario, l'aria ascendente diventa più fredda dell'aria circostante, il movimento verso l'alto si interrompe e l'atmosfera è quindi stabile.
La velocità di raffreddamento della massa d'aria ascendente può essere calcolata teoricamente, o su un diagramma termodinamico , rispetto alla temperatura dell'ambiente data da una radiosonda . Questo calcolo si basa sul presupposto che non vi sia scambio termico con l'aria esterna e che la velocità di variazione della temperatura sia diversa se l'aria è satura o meno. Nel primo caso, il vapore acqueo condensato viene rimosso dalla massa ascendente.
I meteorologi analizzano le variazioni orizzontali della pressione atmosferica per localizzare e tracciare i sistemi meteorologici: questo permette di definire zone di depressione (D) (pressione generalmente inferiore a 1013 hPa , 760 mmHg ), zone di alta pressione (A) (pressione generalmente maggiore di 1013 hPa , 760 mmHg ) e isobare . I minimi e gli avvallamenti sono generalmente associati a condizioni meteorologiche avverse . Gli anticicloni e le creste barometriche fanno bene al bel tempo.
La differenza di pressione tra due punti della stessa altitudine (o gradiente di pressione orizzontale ) è anche la più importante forza motrice del vento : valori di 5 hPa/km sono stati osservati nei cicloni tropicali più violenti.
Per utilizzare la pressione per monitorare i sistemi meteorologici e stimare la forza del vento, è necessario conciliare le misurazioni della pressione che sono state effettuate a diverse altitudini: in mare, nelle valli, in montagna. Questo viene fatto sottoponendo le misurazioni della pressione grezza a una regolazione standardizzata. Il valore risultante da questa regolazione è chiamato pressione a livello del mare , o PNM . Se prendiamo ad esempio il caso di una stazione situata a 100 metri sul livello del mare , la regolazione verrà effettuata stimando la pressione al fondo di una fossa fittizia, profonda 100 metri, che "avremmo scavato alla stazione". Più precisamente, il valore del PNM è funzione della pressione misurata alla stazione e della temperatura assegnata alla colonna d'aria fittizia. Per quest'ultimo utilizziamo la media della temperatura attuale alla stazione e quella misurata dodici ore prima. MLP è un'approssimazione molto utile, ma occorre prestare attenzione a non dargli il valore completo di una misurazione fisica esatta, specialmente in terreni montuosi. La pressione atmosferica misurata al livello del mare varia intorno ad un valore medio di 1013 hPa .
La pressione misurata al suolo viene utilizzata per la calibrazione e la validazione dei dati provenienti da strumenti di misura meteorologica a distanza. Le misurazioni accurate della pressione sono quindi una base necessaria per l'osservazione della Terra e del clima.
L'esperimento del “vetro rovesciato” o del “vetro invertibile” consiste nel riempire un bicchiere con un liquido non gassoso, coprendone l'apertura con un foglio di cartoncino (o un supporto equivalente), capovolgendo delicatamente il bicchiere e poi rimuovendo la mano che lo tiene. la carta. Il liquido rimane nel bicchiere. Questa osservazione controintuitiva può essere spiegata come segue: la pressione atmosferica (circa 1 kg/cm 2 ) e, in misura minore, la tensione superficiale , esercitano una forza verticale verso l'alto maggiore del peso del liquido contenuto nel bicchiere e della pressione dell'aria sul fondo del bicchiere. Se il supporto viene rimosso, il liquido fuoriesce sebbene la pressione atmosferica eserciti la stessa forza verso l'alto: le forze gravitazionali (destabilizzanti) prevalgono sulle forze di tensione superficiale (stabilizzanti) e innescano l' instabilità di Rayleigh-Taylor .
Un corollario di questo esperimento è l'apertura di un barattolo di marmellata, un barattolo di vetro o un vasetto per bambini, reso difficile dalla pressione atmosferica più elevata rispetto alla pressione dell'aria estremamente bassa sotto il coperchio. Altro corollario è “l'acqua bollente senza fuoco” con l'apertura di un bicchiere senza stelo coperto da un fazzoletto premuto all'interno in modo che sia a contatto con la superficie del liquido e piegato all'esterno attorno al bicchiere. . Una volta capovolto il bicchiere, portare il fazzoletto con una mano fino a quando non è completamente teso sull'apertura. Si sente quindi un gorgoglio e si osservano grandi bolle salire attraverso l'acqua mescolata come se stesse bollendo. Tendendo il fazzoletto, si produce un "vuoto parziale" all'interno del vetro, che fa passare l'aria esterna attraverso i pori del tessuto e l'acqua per riempire questo "vuoto".
La combustione di un fiammifero o di una candela che poggia sul fondo di un recipiente pieno d'acqua (piatto, cristallizzatore …) e che è posto sotto un involucro (tipicamente un bicchiere), evidenzia la pressione atmosferica. Il consumo parziale di ossigeno dovuto alla combustione della cera di paraffina produce anidride carbonica CO 2e acqua H 2 O, due prodotti di reazione che sono in forma gassosa. Il raffreddamento del gas residuo ( contrazione termica ) e la condensazione del vapore acqueo (osservabile dalla formazione di nebbia sulle pareti interne dell'involucro) provocano una diminuzione della pressione interna che diventa inferiore alla pressione atmosferica esterna. Contrariamente alla credenza popolare a volte insegnata, è principalmente questo fenomeno a spiegare perché l'acqua viene spinta all'interno del vetro dalla pressione atmosferica.