Barometru

Un barometru este un instrument științific utilizat în meteorologie pentru măsurarea presiunii atmosferice. Tendința de presiune poate anticipa schimbări pe termen scurt ale vremii. Numeroase măsurători ale presiunii aerului sunt utilizate în cadrul analizei meteorologice de suprafață pentru a ajuta la găsirea golurilor barometrice de suprafață, a sistemelor de înaltă presiune și a fronturilor atmosferice.

Barometrele și altimetrele de presiune (tipul de altimetru cel mai de bază și cel mai comun) sunt în esență același instrument, dar sunt utilizate în scopuri diferite. Un altimetru este destinat a fi transportat din un loc în altul corespunzând presiunii atmosferice la altitudinea corespunzătoare, în timp ce un barometru este menținut staționar și măsoară schimbările de presiune subtile cauzate de vreme. Principala excepție sunt navele pe mare, care pot folosi un barometru deoarece altitudinea lor nu se schimbă.

Tipuri

Barometre pe bază de apă

(Dispozitivul lui Goethe.)

Conceptul că scăderea presiunii atmosferice prezice vremea furtunoasă, postulat de Lucien Vidi, oferă baza teoretică pentru un dispozitiv de prognoză meteorologică denumit „pahar de vreme” sau un „barometru Goethe” (numit după Johann Wolfgang von Goethe, renumitul scriitor și polimat german care a dezvoltat un barometru simplu, dar eficient, cu ajutorul unor principii dezvoltate de Torricelli). Numele francez, le baromètre Liègeois, este folosit de unii vorbitori de engleză. Acest nume reflectă originile multor pahare de vreme timpurii – suflantele de sticlă din Liège, Belgia.

Barometrul cu balon de vreme constă dintr-un recipient de sticlă cu un corp etanș, umplut pe jumătate cu apă. Un jgheab îngust se conectează la corp sub nivelul apei și se ridică deasupra nivelului apei. Gura îngustă este deschisă spre atmosferă. Când presiunea aerului este mai mică decât în ​​momentul în care corpul a fost etanșat, nivelul apei din gură va crește peste nivelul apei din corp; atunci când presiunea aerului este mai mare, nivelul apei din gura va scădea sub nivelul apei din corp. O variație a acestui tip de barometru se poate face ușor acasă.

Barometre cu mercur

Un barometru cu mercur are un tub de sticlă verticală închis în partea de sus într-un bazin deschis cu mercur în partea de jos. Greutatea mercurului creează un vid în partea superioară a tubului cunoscut sub numele de vacuum Torricellian. Mercurul din tub se ajustează până când greutatea coloanei de mercur echilibrează forța atmosferică exercitată asupra rezervorului. Presiunea atmosferică ridicată pune mai multă forță asupra rezervorului, forțând mercurul mai sus în coloană. Presiunea scăzută permite mercurului să scadă la un nivel inferior în coloană prin scăderea forței plasate pe rezervor. Deoarece nivelurile ridicate ale temperaturii în jurul instrumentului vor reduce densitatea mercurului, scala pentru citirea înălțimii mercurului este ajustată pentru a compensa acest efect. Tubul trebuie să fie cel puțin la fel de lung ca și cantitatea care se scufundă în mercur + spațiul de sus + lungimea maximă a coloanei.

(Desen schematic al unui barometru simplu cu mercur cu coloană verticală de mercur și rezervor la bază)

Torricelli a documentat că înălțimea mercurului dintr-un barometru se schimbă ușor în fiecare zi și a concluzionat că acest lucru se datorează presiunii în schimbare din atmosferă. El a scris: „Noi trăim submersați în fundul unui ocean de aer elementar, care este cunoscut prin experimente incontestabile de a avea greutate”. Inspirat de Torricelli, Otto von Guericke, la 5 decembrie 1660, a constatat că presiunea aerului a fost neobișnuit de scăzută și a prezis o furtună care a avut loc a doua zi.

(Barometrul Fortin)

Designul barometrului cu mercur dă naștere la exprimarea presiunii atmosferice în inci sau milimetri sau picioare (torr): presiunea este cotată ca nivelul înălțimii mercurului în coloana verticală. În mod obișnuit, presiunea atmosferică este măsurată între 26,5 țoli (670 mm) și 31,5 țoli (800 mm) de Hg. O atmosferă (1 atm) este echivalentă cu 29,92 țoli (760 mm) coloană de mercur.

Schimbările de proiectare pentru a face instrumentul mai sensibil, mai ușor de citit și mai ușor de transport au dus la variații precum bazinul, sifonul, roata, cisterna, Fortin, barometre multiple, stereometrice și balanțe. Barometrele Fitzroy combină barometrul standard cu mercur cu un termometru, precum și un ghid de interpretare a modificărilor de presiune. Barometrele Fortin folosesc un rezervor de mercur cu deplasare variabilă, construită de obicei cu un buton care presează pe o diafragmă la fund din piele. Aceasta compensează deplasarea mercurului în coloana cu presiune variabilă. Pentru a utiliza un barometru Fortin, nivelul de mercur este setat la nivelul zero înainte ca presiunea să fie citită pe coloană. Unele modele folosesc, de asemenea, o supapă pentru închiderea rezervorului, permițând coloanei de mercur să fie forțată în partea de sus a coloanei pentru transport. Acest lucru împiedică deteriorarea coloanei prin lovire în timpul transportului.

La 5 iunie 2007, a fost adoptată o directivă a Uniunii Europene pentru a restrânge vânzarea mercurului, ceea ce a dus la încetarea efectivă a producției de noi barometre de mercur în Europa.

Barometru cu ulei de pompă de vid

Utilizarea uleiului de pompă de vid ca lichid de lucru într-un barometru a dus la crearea noului „cel mai înalt barometru din lume” în februarie 2013. Barometrul de la Portland State University (PSU) utilizează ulei de pompă de vid dublu distilat și are o înălțime nominală de aproximativ 12,4 m pentru înălțimea coloanei; scurgerile așteptate sunt în intervalul de ± 0,4 m pe parcursul unui an. Pompa de vid are o presiune foarte scăzută a vaporilor și este disponibilă într-o gamă de densități; pentru barometrul PSU a fost ales uleiul cu cea mai scăzută densitate de vid pentru a maximiza înălțimea coloanei de ulei.

Barometre aneroide

(Barometrul modern aneroid)

Un barometru aneroid este un instrument pentru măsurarea presiunii ca metodă care nu implică lichid. Inventat în 1844 de către omul de știință francez Lucien Vidi, barometrul aneroid utilizează o cutie metalică mică, flexibilă, numită celulă aneroidă (capsulă), care este fabricată dintr-un aliaj de beriliu și cupru. Capsula evacuată (sau de obicei mai multe capsule, stivuite pentru a se aduna mișcările lor) este împiedicată să se prăbușească printr-un arc puternic. Modificările mici ale presiunii externe a aerului determină extinderea sau contractarea celulei. Această expansiune și contracție conduc pârghiile mecanice astfel încât mișcările minuscule ale capsulei sunt amplificate și afișate pe fața barometrului aneroid. Multe modele includ un ac setat manual care este utilizat pentru a marca măsurarea curentă, astfel încât se poate vedea o schimbare. În plus, mecanismul este făcut în mod deliberat „rigid”, astfel încât prin atingerea barometrului să se evidențieze dacă presiunea crește sau scade pe măsură ce se mișcă acul indicator. Acest tip de barometru este obișnuit în case și în ambarcațiuni de agrement, precum și în aeronave mici. Este de asemenea utilizat în meteorologie, mai ales în barografe și ca un instrument de presiune în radiosondări.

Barografe

Un barograf înregistrează un grafic al presiunii atmosferice.

Barometre MEMS

Sistemele de microelectromecanică (sau MEMS) sunt dispozitive extrem de mici între 1 și 100 micrometri în mărime (adică 0,001 până la 0,1 mm). Ele sunt create prin fotolitografie sau prelucrare fotochimică. Aplicațiile tipice includ stațiile meteorologice miniaturizate, barometrele electronice și altimetrele.

Un barometru se regăsește și în smartphone-uri, bazate pe tehnologii MEMS și piezorestitive de detectare a presiunii. Includerea barometrelor pe smartphone-uri a avut drept scop inițial asigurarea unei blocări GPS mai rapide. Cercetătorii sugerează că includerea barometrelor în smartphone-uri poate oferi o soluție pentru determinarea cotei unui utilizator, dar sugerează de asemenea că mai multe probleme trebuie mai întâi depășite.

Aplicații

(Barograf de înregistrare analogică cu ajutorul a cinci celule barometrice aneroide stivuite.)

Presiunea barometrică și tendința de presiune (schimbarea presiunii în timp) au fost folosite în prognoza meteo de la sfârșitul secolului al XIX-lea. Atunci când este utilizat în combinație cu observațiile de vânt, pot fi făcute prognoze rezonabile pe termen scurt. De asemenea, citirile barometrice simultane de pe o rețea de stații meteorologice permit crearea hărților de presiune a aerului, care au fost prima formă a hărții meteorologice moderne creată în secolul al XIX-lea. Izobarele, linii de presiune egală, atunci când sunt trase pe o astfel de hartă, dau o hartă a conturului care prezintă zone de presiune ridicată și joasă. Presiunea atmosferică ridicată localizată acționează ca o barieră în calea apropierii de sistemele meteorologice, deviind cursul lor. Creșterea atmosferică provocată de convergența vântului la nivel scăzut duce la nori și, uneori, la precipitații. Cu cât schimbarea presiunii este mai mare, mai ales dacă este mai mare de 3,5 hPa (0,1 inHg), cu atât mai mare este schimbarea vremii. Dacă scăderea presiunii este rapidă, se apropie un sistem de presiune scăzută și există șanse mai mari de ploaie. Creșterea presiunii rapide, cum ar fi în urma unui front rece, este asociată cu îmbunătățirea condițiilor meteorologice, cum ar fi cerul senin.

Cu scăderea presiunii aerului, gazele prinse în interiorul cărbunelui din minele adânci pot scăpa mai liber. Astfel, presiunea scăzută mărește riscul acumulării de gaze inflamabile. Barometrele, prin urmare, urmăresc presiunea.

Barometrele aneroide sunt folosite în scufundări. Un manometru submersibil este utilizat pentru a urmări conținutul rezervorului de aer al scafandrului. Un alt ecartament este utilizat pentru a măsura presiunea hidrostatică, exprimată, de obicei, ca o adâncime a apei de mare. Oricare sau ambele manometre pot fi înlocuite cu variante electronice sau cu un computer de scufundare.

Barometre și calcularea presiunii atmosferice

Când presiunea atmosferică este măsurată printr-un barometru, presiunea este denumită și „presiunea barometrică”. Să presupunem un barometru cu o secțiune transversală A, o înălțime h, umplută cu mercur din partea de jos a punctului B la vârf la punctul C. Presiunea din partea inferioară a barometrului, punctul B, este egală cu presiunea atmosferică. Presiunea la vârf, punctul C, poate fi considerată zero, deoarece există doar vapori de mercur deasupra acestui punct și presiunea sa este foarte scăzută în raport cu presiunea atmosferică. Prin urmare, se poate gasi presiunea atmosferică folosind barometrul și această ecuație:

P_atm = ρgh

unde ρ este densitatea mercurului, g este accelerația gravitațională și h este înălțimea coloanei de mercur deasupra suprafeței libere. Dimensiunile fizice (lungimea tubului și a secțiunii transversale a tubului) a barometrului în sine nu au niciun efect asupra înălțimii coloanei de fluid din tub.

În calculele termodinamice, o unitate de presiune obișnuită este „atmosfera standard”. Aceasta este presiunea rezultată dintr-o coloană de mercur de înălțime de 760 mm la 0 °C. Pentru densitatea mercurului, se folosește ρ_Hg = 13,595 kg/m³ și pentru accelerația gravitațională g = 9,807 m/s².

Dacă s-ar folosi apă (în locul mercurului) pentru a atinge presiunea atmosferică standard, ar fi necesară o coloană de apă de aproximativ 10,3 m.