فشار متعارف جو[1]: کلید فهم آبوهوا و پرواز
فشار هوا چیست و چگونه ایجاد میشود؟
اتمسفر زمین، پتوی ضخیمی از گازها است که بر اثر نیروی گرانش به سمت سیارهٔ ما کشیده شدهاند. این لایهٔ گازی دارای جرم است و این جرم بر سطح زمین و هر چیزی روی آن «فشار» وارد میکند. به بیان ساده، فشار هوا، نیروی وارد شده توسط وزن ستونی از هوا بر یک واحد سطح است. تصور کنید که یک مکعبعرضی به مساحت 1 متر مربع از سطح دریا تا بالای اتمسفر را در نظر بگیرید. وزن تمام هوای داخل این ستون، همان فشاری است که ما آن را اندازه میگیریم.
فشار به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف میشود. این رابطه در فیزیک با فرمول $P = \frac{F}{A}$ نشان داده میشود که در آن $P$ فشار، $F$ نیرو و $A$ مساحت سطح است. در مورد فشار هوا، $F$ همان وزن ستون هوا است.
یک مثال روزمره: وقتی با نی[4] نوشابه مینوشید، با مکیدن، هوای داخل نی را خارج میکنید. فشار هوای داخل نی کم میشود، اما فشار هوای اتمسفر روی سطح نوشابه زیاد است. این اختلاف فشار باعث میشود نوشابه به سمت بالا و داخل نی رانده شود. این پدیده دقیقاً بر اساس اصل فشار جو کار میکند.
تعریف استاندارد: چرا به یک معیار ثابت نیاز داریم؟
فشار هوا ثابت نیست. این فشار با ارتفاع، دما و شرایط آبوهوایی تغییر میکند. برای اینکه دانشمندان، مهندسان و خلبانان در سراسر دنیا بتوانند با یک زبان مشترک صحبت کنند و محاسباتشان قابل مقایسه باشد، یک مقدار ثابت به عنوان مرجع تعریف شده است. این مقدار، فشار متعارف جو در سطح دریا نامیده میشود.
این استاندارد در شرایط ایدهآل تعریف میشود: دمای 15 درجه سلسیوس (59 درجه فارنهایت) و شتاب گرانش استاندارد. اهمیت این عدد زمانی آشکار میشود که بخواهیم ارتفاعسنج[5] هواپیماها را تنظیم کنیم یا نقشههای هواشناسی را ترسیم کنیم. همهٔ فشارهای اندازهگیری شده در ارتفاعات مختلف، ابتدا با یک محاسبه به شرایط سطح دریا کاهش داده میشوند تا قابل مقایسه باشند.
| واحد اندازهگیری | نماد | مقدار فشار متعارف جو | کاربرد رایج |
|---|---|---|---|
| اتمسفر | atm | 1 اتمسفر (دقیقاً) | معمول در آموزش علوم |
| میلیمتر جیوه | mmHg | 760 میلیمتر | هواشناسی و پزشکی (فشار خون) |
| هکتوپاسکال | hPa | 1013.25 هکتوپاسکال | ایستگاههای هواشناسی جهانی |
| پوند بر اینچ مربع | psi | حدود 14.7 psi | صنعت (مانند فشار لاستیک) |
تأثیر ارتفاع: چرا در کوه نفسنفس میزنیم؟
یکی از مهمترین و محسوسترین اثرات فشار هوا، تغییر آن با ارتفاع است. هر چه از سطح دریا بالاتر برویم، ستون هوای بالای سر ما کوتاهتر و در نتیجه سبکتر میشود. بنابراین، فشار هوا با افزایش ارتفاع کاهش مییابد. این کاهش فشار، اثرات مستقیمی بر زندگی دارد.
مثال عملی: در شهر تهران که حدود 1200 متر از سطح دریا ارتفاع دارد، فشار هوا به طور میانگین حدود 890 هکتوپاسکال است (کمتر از مقدار استاندارد 1013). این یعنی مولکولهای هوا در واحد حجم کمتر هستند. به همین دلیل، کوهنوردان در ارتفاعات بالا، حتی با وجود هوای پاک، دچار کمبود اکسیژن میشوند و نفسشان تنگ میشود، زیرا در هر دم، تعداد مولکولهای اکسیژن کمتری وارد ریههایشان میشود. برای جبران این کاهش فشار، کابین هواپیماهای مسافربری در ارتفاع پرواز، به صورت مصنوعی تحت فشار قرار میگیرند تا شرایطی مشابه ارتفاع پایینتر را برای مسافران شبیهسازی کند.
اندازهگیری و کاربرد: از پیشبینی هوا تا تنظیم ارتفاعسنج
ابزار اصلی اندازهگیری فشار هوا، فشارسنج[6] است. سادهترین نوع آن فشارسنج جیوهای است که توسط اوانجلیستا توریچلی اختراع شد. در این وسیله، یک لولهٔ شیشهای پر از جیوه برعکس در یک ظرف جیوه قرار میگیرد. فشار هوا بر سطح جیوه در ظرف، مانع خالی شدن کامل لوله میشود. ارتفاع ستون جیوه در لوله، مستقیم فشار هوا را نشان میدهد.
در ایستگاههای هواشناسی امروزی از فشارسنجهای دیجیتالی (آنیروئید) استفاده میشود که تغییرات فشار را به صورت الکترونیکی ثبت میکنند. نقشههای هواشناسی که خطوط همفشار[7] روی آنها رسم شده، دقیقاً بر اساس این اندازهگیریها ترسیم میشوند. الگوی این خطوط، محل تشکیل تودههای هوای پرفشار[8] (آبوهوای صاف و آفتابی) و کمفشار[9] (احتمال ابر و بارش) را نشان میدهد.
پرسشهای رایج و شبهات علمی
پاسخ: بله، اما نه در شرایط عادی. فشار هوا در سطح دریا نیروی قابل توجهی ($~14.7$ psi) در همهٔ جهات وارد میکند. اگر بتوانیم هوای داخل یک جسم را کاملاً خارج کنیم (خلأ ایجاد کنیم)، فشار بیرونی میتواند آن را در هم بشکند. آزمایش معروف «قوطی حلبی» که با گرم کردن و سرد کردن سریع، فشار داخلش کاهش مییابد و توسط فشار جو له میشود، این موضوع را نشان میدهد. بدن ما به دلیل پر بودن از مایع و گاز تحت فشار، این نیرو را احساس نمیکند.
پاسخ: پاسکال، واحد بسیار کوچکی در سیستم بینالمللی[10] است. فشار استاندارد جو برابر با $101325$ پاسکال است که نوشتن و کار کردن با آن اعداد بزرگ، ناخوشایند است. به همین دلیل، هواشناسان از واحد بزرگتر «هکتوپاسکال» استفاده میکنند. هر هکتوپاسکال برابر با $100$ پاسکال است. بنابراین فشار متعارف جو میشود $1013.25$ هکتوپاسکال که عددی مناسبتر است. جالب است که 1 میلیبار[11] (واحد قدیمی) دقیقاً برابر با 1 هکتوپاسکال است.
پاسخ: نقطهٔ جوش آب، دمایی است که فشار بخار آب با فشار محیط برابر شود. در سطح دریا (فشار بالا)، آب باید تا 100°C گرم شود تا فشار بخارش به اندازهٔ فشار جو برسد و بجوشد. در ارتفاعات بالا (فشار کم)، این تعادل در دمای پایینتری رخ میدهد. مثلاً در قلهٔ دماوند، آب در دمای حدود 85°C میجوشد. به همین دلیل پختن غذا در کوهستان زمان بیشتری میبرد.
پاورقی و واژهنامه
[1] فشار متعارف جو (Standard Atmospheric Pressure).
[2] هواشناسی (Meteorology): علم مطالعهٔ اتمسفر و پدیدههای آبوهوایی.
[3] هوانوردی (Aviation): علم و فناوری پرواز.
[4] نی (Straw).
[5] ارتفاعسنج (Altimeter): وسیلهای برای اندازهگیری ارتفاع.
[6] فشارسنج (Barometer).
[7] خطوط همفشار (Isobar): خطوطی روی نقشه که نقاط با فشار هوای یکسان را به هم وصل میکنند.
[8] پرفشار (High Pressure).
[9] کمفشار (Low Pressure).
[10] سیستم بینالمللی (International System of Units - SI).
[11] میلیبار (Millibar - mb): واحد قدیمی فشار.
