La presión atmosférica es la presión que ejerce la mezcla gaseosa que constituye la atmósfera en cuestión (en la Tierra : el aire ) sobre una superficie en contacto con ella. Las moléculas de esta mezcla, animadas por un incesante movimiento aleatorio, la agitación térmica , sufren colisiones entre sí y contra las superficies de los objetos. Las fuerzas de impacto debidas a los choques de estas moléculas sobre los objetos presentes en la atmósfera dan como resultado fuerzas distribuidas en la superficie de estos objetos y que son responsables de la presión atmosférica (fuerzas de presión de las moléculas de la atmósfera por unidad de área).
Más precisamente, la gravedad presente en la Tierra comprime la atmósfera hacia el suelo de modo que en cada nivel, la presión local así generada es suficiente para soportar el peso total de la columna de aire suprayacente. La presión atmosférica al nivel del mar es de 1013,25 hPa o 1 atm . Depende esencialmente de la masa de la atmósfera que, al estar distribuida de manera compleja por la circulación atmosférica global, hace que la presión varíe de un lugar a otro.
La presión atmosférica se mide con un barómetro , hipsómetro o altímetro . Durante mucho tiempo se ha medido en milímetros de mercurio (símbolo mmHg; también llamado torr , símbolo Torr) debido al uso común del barómetro de columna de mercurio .
Desde la adopción del pascal en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como unidad de presión, los meteorólogos utilizan un múltiplo de esta unidad, el hectopascal (hPa), que tiene la ventaja de corresponder exactamente al milibar utilizado anteriormente.: 1 hPa = 1 mbar .
En 1638, Galileo escribió Discursos y demostraciones matemáticas sobre dos nuevas ciencias (en) , donde describe varios experimentos, incluido uno diseñado por Aristóteles que puede resaltar el peso del aire a través de un cilindro que contiene aire comprimido. En su trabajo, el científico relata una observación que le presentaron las fuentes de Florencia sobre la incapacidad de las bombas de succión de las fuentes para elevar el agua por encima de los 10 metros. Galileo atribuye esta impotencia a una causa intrínseca, el horror limitado del vacío , retomando la falsa idea aristotélica del horror vacui ( "la naturaleza aborrece el vacío" ). En 1643, Torricelli , amigo y discípulo de Galileo, realiza un experimento (en) que le permite atribuir la subida del agua a una causa externa, la presión atmosférica, y medir con precisión el peso de la atmósfera. Los experimentos de los hemisferios de Magdeburgo llevados a cabo por Otto von Guericke en 1654 muestran que la presión atmosférica empuja las dos medias bolas una contra la otra a razón de diez toneladas por metro cuadrado.
La presión atmosférica realmente medida varía alrededor de la presión atmosférica normal fijada, por definición, al "nivel del mar" (nivel medio), a la temperatura de 15 ° C , de:
En las unidades del Sistema CGS más antiguas , la presión atmosférica normal es:
Por definición del milímetro de mercurio (mmHg) y el torr (Torr) que es igual a él, la presión atmosférica normal es exactamente 760 mmHg = 760 Torr .
Finalmente, la propia presión atmosférica normal permite definir una unidad de presión : 1 atm = 101325 Pa .
A 20 ° C, la velocidad media de las moléculas de aire a presión atmosférica normal es de unos 500 m / s (1800 km / h), a 100 ° C, esta velocidad de agitación alcanza los 560 m / s (2016 km / h). Pero a 20 ° C y a presión atmosférica, la distancia media entre moléculas es del orden de diez veces el diámetro de estas moléculas y la trayectoria libre media del orden de 100 veces este diámetro. Las moléculas chocan muy a menudo (cada una sufre una colisión promedio cada 10-10 segundos), solo mantienen esta velocidad en distancias muy cortas).
La presión atmosférica disminuye con el aumento de la altitud , porque la masa - y por lo tanto el peso - del aire suprayacente necesariamente disminuye con la altura, comprimiendo el aire cada vez menos. La presión disminuye, exponencialmente, en un factor de 10 cada vez que sube 16 km (o la mitad a 5500 m ). Por tanto, es posible utilizar la presión para medir la altura, que es el principio básico del altímetro utilizado en aeronáutica y montañismo.
En meteorología aplicada, la presión se utiliza a menudo directamente como coordenada vertical. Hablaremos, por ejemplo, de la temperatura a (una "altura" de) 700 hPa . Este enfoque tiene ventajas técnicas y simplifica ciertas ecuaciones utilizadas en meteorología.
Por lo general, la presión atmosférica disminuye a la mitad a unos 5.500 metros y la temperatura media de la atmósfera disminuye en 9,7 ° C por cada 1.000 metros. Sin embargo, esta tasa solo es válida para una atmósfera estandarizada y de hecho varía según el contenido de vapor de agua y la altitud. Estas propiedades pueden demostrarse rigurosamente si asumimos que la atmósfera está en equilibrio (aunque esto sigue siendo una excelente aproximación, no es del todo cierto en la práctica).
Cuando el suelo es calentado por el Sol, por convección, las capas inferiores de la atmósfera se calientan y como el aire caliente es menos denso, el aire calentado tenderá a subir gracias al empuje de Arquímedes . Si la bolsa de aire caliente se enfría menos rápido que el aire circundante, esta bolsa de aire se acelerará hacia arriba. Entonces estamos en presencia de una masa de aire inestable. De lo contrario, el aire ascendente se vuelve más frío que el aire circundante, el movimiento ascendente se detendrá y la atmósfera será estable.
La tasa de enfriamiento de la masa de aire ascendente se puede calcular teóricamente, o en un diagrama termodinámico , con respecto a la temperatura del ambiente dada por una radiosonda . Este cálculo se basa en el supuesto de que no hay intercambio de calor con el aire exterior y que la tasa de cambio de temperatura es diferente si el aire está saturado o no. En el primer caso, el vapor de agua condensado se elimina de la masa ascendente.
Los meteorólogos analizan las variaciones horizontales de la presión atmosférica para localizar y rastrear sistemas meteorológicos: esto permite definir zonas de depresiones (D) (presión generalmente menor de 1013 hPa , 760 mmHg ), zonas de alta presión (A) (presión generalmente mayor de 1013 hPa ) hPa , 760 mmHg ) e isobaras . Los mínimos y valles se asocian generalmente con el mal tiempo . Los anticiclones y las crestas barométricas favorecen el buen tiempo.
La diferencia de presión entre dos puntos de la misma altitud (o gradiente de presión horizontal ) es también la fuerza impulsora más importante del viento : se han observado valores de 5 hPa / km en los ciclones tropicales más violentos.
Para utilizar la presión para monitorear los sistemas meteorológicos y estimar la fuerza del viento, es necesario conciliar las mediciones de presión que se han tomado a diferentes altitudes: en el mar, en los valles, en las montañas. Esto se hace sometiendo las mediciones de presión bruta a un ajuste estandarizado. El valor resultante de este ajuste se denomina presión a nivel del mar o PNM . Si tomamos por ejemplo el caso de una estación ubicada a 100 metros sobre el nivel del mar , el ajuste se hará estimando la presión en el fondo de un pozo ficticio, de 100 metros de profundidad, que 'hubiéramos cavado en la estación'. Más precisamente, el valor del PNM es función de la presión medida en la estación y de la temperatura asignada a la columna de aire ficticia. Para esto último utilizamos el promedio de la temperatura actual en la estación y la medida doce horas antes. MLP es una aproximación muy útil, pero se debe tener cuidado de no darle el valor total de una medición física exacta, especialmente en terreno montañoso. La presión atmosférica medida al nivel del mar varía alrededor de un valor promedio de 1.013 hPa .
La presión medida en el suelo se utiliza para la calibración y validación de datos de instrumentos de medición meteorológicos remotos. Las mediciones precisas de la presión son, por tanto, una base necesaria para la observación de la Tierra y el clima.
L'expérience du « verre retourné » ou « verre inversable » consiste à remplir un verre de liquide non gazeux, recouvrir son ouverture d'une feuille de papier cartonné (ou un support équivalent), retourner délicatement le verre puis retirer la main qui maintient el papel. El líquido permanece en el vaso. Esta observación contraria a la intuición se puede explicar de la siguiente manera: la presión atmosférica (alrededor de 1 kg / cm 2 ) y, en menor medida la tensión superficial , ejercen una fuerza vertical ascendente mayor que el peso del líquido contenido en el vaso y la presión del aire en el fondo del vaso. Si se retira el soporte, el líquido escapa aunque la presión atmosférica ejerce la misma fuerza hacia arriba: las fuerzas gravitacionales (desestabilizadoras) tienen prioridad sobre las fuerzas de tensión superficial (estabilizadoras) y desencadenan la inestabilidad de Rayleigh-Taylor .
Un corolario de este experimento es la apertura de un frasco de mermelada, una lata de vidrio o un frasco para bebés, dificultada por la presión atmosférica más alta que la presión de aire extremadamente baja debajo de la tapa. Otro corolario es “agua hirviendo sin fuego” con la apertura de un vaso sin tallo cubierto con un pañuelo presionado en el interior para que esté en contacto con la superficie del líquido y doblado hacia afuera alrededor del vaso. Una vez que el vaso esté invertido, lleve el pañuelo con una mano hasta que esté completamente estirado sobre la abertura. Luego se escucha un burbujeo y se observan grandes burbujas que se elevan a través del agua agitada como si estuviera hirviendo. Al sostener el pañuelo, se produce un "vacío parcial" dentro del vaso, lo que hace que el aire exterior pase por los poros del tejido y el agua llene este "vacío".
La combustión de un fósforo o una vela que reposa en el fondo de un recipiente lleno de agua (plato, cristalizador …) y que se coloca debajo de un recinto (típicamente un vaso), resalta la presión atmosférica. El consumo parcial de oxígeno debido a la combustión de la cera de parafina produce dióxido de carbono CO 2y agua H 2 O, dos productos de reacción que se encuentran en forma gaseosa. El enfriamiento del gas residual ( contracción térmica ) y la condensación del vapor de agua (observable por la formación de neblina en las paredes internas del recinto) provocan una disminución de la presión interna que llega a ser inferior a la presión atmosférica externa. Contrariamente a la creencia popular que a veces se enseña, es principalmente este fenómeno el que explica por qué la presión atmosférica empuja el agua dentro del vaso.