A pressão atmosférica é a pressão exercida pela mistura gasosa que constitui a atmosfera em questão (na Terra : o ar ) em uma superfície em contato com ela. As moléculas dessa mistura, animadas por um movimento aleatório incessante, a agitação térmica , sofrem colisões entre si e contra a superfície dos objetos. As forças de impacto devido aos choques dessas moléculas nos objetos presentes na atmosfera resultam em forças distribuídas na superfície desses objetos e que são responsáveis pela pressão atmosférica (forças de pressão das moléculas da atmosfera por unidade de área).
Mais precisamente, a gravidade presente na Terra comprime a atmosfera em direção ao solo de modo que, em cada nível, a pressão local assim gerada é suficiente para suportar o peso total da coluna de ar sobrejacente. A pressão atmosférica ao nível do mar é em média de 1013,25 hPa ou 1 atm . Depende essencialmente da massa da atmosfera que, distribuída de forma complexa pela circulação atmosférica global, faz com que a pressão varie de local para local.
A pressão atmosférica é medida usando um barômetro , hipsômetro ou altímetro . Há muito é medido em milímetros de mercúrio (símbolo mmHg; também chamado torr , símbolo Torr) devido ao uso comum do barômetro de coluna de mercúrio .
Desde a adoção do pascal no Sistema Internacional de Unidades (SI) como unidade de pressão, os meteorologistas utilizam um múltiplo dessa unidade, o hectopascal (hPa), que tem a vantagem de corresponder exatamente ao milibar utilizado anteriormente.: 1 hPa = 1 mbar .
Em 1638, Galileu escreveu Discursos e demonstrações matemáticas sobre duas novas ciências (in) , onde descreve vários experimentos, incluindo um projetado por Aristóteles que pode destacar o peso do ar por meio de um cilindro contendo ar comprimido. Em seu trabalho, o cientista relata uma observação que as fontes de Florença lhe submeteram sobre a incapacidade das bombas de sucção das fontes em elevar água acima de 10 metros. Galileu atribui essa impotência a uma causa intrínseca, o horror limitado do vácuo , retomando a falsa ideia aristotélica de horror vacui ( "a natureza abomina o vácuo" ). Em 1643, Torricelli , amigo e discípulo de Galileu, realiza um experimento (in) que lhe permite atribuir a subida da água a uma causa externa, a pressão atmosférica, e medir com precisão o peso da atmosfera. Os experimentos dos hemisférios de Magdeburg realizados por Otto von Guericke a partir de 1654 mostram que a pressão atmosférica empurra as duas meias-bolas uma contra a outra a uma taxa de dez toneladas por metro quadrado.
A pressão atmosférica efetivamente medida varia em torno da pressão atmosférica normal fixada, por definição, como sendo, ao "nível do mar" (nível médio), à temperatura de 15 ° C , de:
Em unidades do Sistema CGS mais antigas , a pressão atmosférica normal é:
Por definição do milímetro de mercúrio (mmHg) e da torr (Torr) que é igual a ele, a pressão atmosférica normal é exatamente 760 mmHg = 760 Torr .
Finalmente, a própria pressão atmosférica normal permite definir uma unidade de pressão : 1 atm = 101 325 Pa .
A 20 ° C, a velocidade média das moléculas de ar à pressão atmosférica normal é de cerca de 500 m / s (1.800 km / h), a 100 ° C, essa velocidade de agitação chega a 560 m / s (2.016 km / h). Mas a 20 ° C e à pressão atmosférica, a distância média entre as moléculas é da ordem de dez vezes o diâmetro dessas moléculas e o caminho livre médio da ordem de 100 vezes esse diâmetro. As moléculas colidem com muita frequência (cada uma sofre uma colisão média a cada 10 -10 segundos), elas apenas mantêm essa velocidade em distâncias muito curtas).
A pressão atmosférica diminui com o aumento da altitude , porque a massa - e, portanto, o peso - do ar sobrejacente necessariamente diminui com a altura, comprimindo o ar cada vez menos. A pressão diminui, exponencialmente, por um fator de 10 cada vez que você sobe 16 km (ou metade a 5500 m ). Assim, é possível usar a pressão para medir a altura, que é o princípio básico do altímetro usado na aeronáutica e no montanhismo.
Na meteorologia aplicada, a pressão é freqüentemente usada diretamente como uma coordenada vertical. Falaremos, por exemplo, da temperatura em (uma "altura" de) 700 hPa . Esta abordagem tem vantagens técnicas e simplifica certas equações usadas em meteorologia.
Normalmente, a pressão atmosférica cai pela metade em cerca de 5.500 metros e a temperatura média da atmosfera diminui em 9,7 ° C por 1.000 metros. No entanto, essa taxa só é válida para uma atmosfera padronizada e na verdade varia de acordo com o teor de vapor d'água e a altitude. Essas propriedades podem ser rigorosamente demonstradas se fizermos a suposição de que a atmosfera está em equilíbrio (embora isso continue sendo uma excelente aproximação, não é totalmente verdadeiro na prática).
Quando o solo é aquecido pelo Sol, por convecção, as camadas inferiores da atmosfera são aquecidas e como o ar quente é menos denso, o ar aquecido tende a subir graças ao impulso de Arquimedes . Se a bolsa de ar quente esfriar menos rapidamente do que o ar circundante, essa bolsa de ar acelerará para cima. Estamos então na presença de uma massa de ar instável. Caso contrário, o ar ascendente torna-se mais frio do que o ar circundante, o movimento ascendente pára e a atmosfera fica estável.
A taxa de resfriamento da massa de ar ascendente pode ser calculada teoricamente, ou em um diagrama termodinâmico , em relação à temperatura do ambiente dada por uma radiossonda . Este cálculo é baseado na suposição de que não há troca de calor com o ar externo e que a taxa de mudança de temperatura é diferente se o ar estiver saturado ou não. No primeiro caso, o vapor de água condensado é removido da massa ascendente.
Os meteorologistas analisam variações horizontais na pressão atmosférica para localizar e rastrear sistemas meteorológicos: isso torna possível definir zonas de depressões (D) (pressão geralmente menor que 1013 hPa , 760 mmHg ), zonas de alta pressão (A) (pressão geralmente maior que 1013 hPa , 760 mmHg ) e isóbaros . Baixas e depressões geralmente estão associadas ao mau tempo . Os anticiclones e cristas barométricas são favoráveis ao bom tempo.
A diferença de pressão entre dois pontos da mesma altitude (ou gradiente de pressão horizontal ) também é a força motriz mais importante do vento : valores de 5 hPa / km foram observados nos ciclones tropicais mais violentos.
Para usar a pressão para monitorar sistemas meteorológicos e estimar a força do vento, é necessário reconciliar as medições de pressão que foram feitas em diferentes altitudes: no mar, nos vales, nas montanhas. Isso é feito submetendo as medições de pressão bruta a um ajuste padronizado. O valor resultante desse ajuste é chamado de pressão ao nível do mar ou PNM . Se tomarmos por exemplo o caso de uma estação localizada 100 metros acima do nível do mar , o ajuste será feito estimando a pressão no fundo de um buraco fictício, de 100 metros de profundidade, que 'teríamos cavado na estação. Mais precisamente, o valor do PNM é função da pressão medida na estação e da temperatura atribuída à coluna de ar fictícia. Para este último, usamos a média da temperatura atual na estação e aquela medida doze horas antes. MLP é uma aproximação muito útil, mas deve-se tomar cuidado para não fornecer o valor total de uma medida física exata, especialmente em terreno montanhoso. A pressão atmosférica medida ao nível do mar varia em torno de um valor médio de 1.013 hPa .
A pressão medida no solo é usada para calibração e validação de dados de instrumentos de medição meteorológica remota. Medições precisas de pressão são, portanto, uma base necessária para a observação da Terra e do clima.
O experimento de “vidro invertido” ou “vidro invertível” consiste em encher um copo com um líquido não gasoso, cobrindo sua abertura com uma folha de papel cartão (ou suporte equivalente), invertendo suavemente o vidro e, em seguida, retirando a mão que o segura. o papel. O líquido permanece no copo. Esta observação contra-intuitiva pode ser explicada da seguinte forma: pressão atmosférica (cerca de 1 kg / cm 2 ) e, em menor extensão , tensão superficial , exerce uma força vertical para cima maior do que o peso do líquido contido no vidro e a pressão do ar no fundo do copo. Se o suporte for removido, o líquido escapa embora a pressão atmosférica exerça a mesma força ascendente: as forças gravitacionais (desestabilizadoras) têm precedência sobre as forças de tensão superficial (estabilizadoras) e disparam a instabilidade de Rayleigh-Taylor .
Um corolário dessa experiência é a abertura de um pote de geléia, lata de vidro ou pote de bebê, dificultada pela pressão atmosférica mais alta do que a pressão de ar extremamente baixa sob a tampa. Outro corolário é “água fervendo sem fogo” com a abertura de um copo sem haste coberto com um lenço pressionado para dentro para que fique em contato com a superfície do líquido e dobrado para fora em torno do copo. Assim que o copo estiver invertido, traga o lenço com uma mão até que esteja totalmente esticado sobre a abertura. Ouve-se um borbulhar e observa-se que grandes bolhas sobem através da água agitada como se estivessem a ferver. Ao estender o lenço, produz-se um “vácuo parcial” no interior do copo, que faz com que o ar exterior passe pelos poros do tecido e a água preencha este “vazio”.
A combustão de um fósforo ou de uma vela que repousa no fundo de um recipiente cheio de água (prato, cristalizador ...) e que é colocado sob um invólucro (normalmente um vidro), realça a pressão atmosférica. O consumo parcial de oxigênio devido à combustão da cera de parafina produz dióxido de carbono CO 2e água H 2 S, dois produtos de reação que estão na forma gasosa. O resfriamento do gás residual ( contração térmica ) e a condensação do vapor d'água (observável pela formação de névoa nas paredes internas do invólucro) causam uma diminuição da pressão interna que passa a ser inferior à pressão atmosférica externa. Ao contrário da crença popular às vezes ensinada, é principalmente esse fenômeno que explica por que a água é empurrada para dentro do vidro pela pressão atmosférica.