Luft ist ein Gas, aber zur Berechnung des atmosphärischen Drucks können Sie sie als Flüssigkeit betrachten und den Druck auf Meereshöhe mit dem Ausdruck für Flüssigkeitsdruck berechnen. Dieser Ausdruck ist:
Dabei ist ρ die Dichte der Luft, g die Erdbeschleunigung und h die Höhe der Atmosphäre. Dieser Ansatz funktioniert jedoch nicht, da weder ρ noch h konstant sind. Der traditionelle Ansatz besteht darin, stattdessen die Höhe einer Quecksilbersäule zu messen. Wenn Sie den atmosphärischen Druck in einer bestimmten Höhe suchen, können Sie die barometrische Formel verwenden. Dies ist eine ziemlich komplexe Beziehung, die von mehreren Variablen abhängt. Daher ist es einfacher, den benötigten Wert einfach in einer Tabelle nachzuschlagen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Wissenschaftler berechnen den atmosphärischen Druck auf Meereshöhe, indem sie die Höhe einer Quecksilbersäule messen und den Druck berechnen, den die Atmosphäre ausüben muss, um die Säule auf diese Höhe zu bringen.
Das Quecksilberbarometer
Tauchen Sie ein Glasröhrchen mit geschlossenem Ende in eine Quecksilberschale und lassen Sie die gesamte Luft entweichen, dann drehen Sie das Röhrchen aufrecht, wobei die Öffnung in das Quecksilber eingetaucht ist. Sie haben eine Quecksilbersäule im Inneren des Röhrchens und ein Vakuum zwischen dem oberen Ende der Säule und dem Ende des Röhrchens. Der von der Atmosphäre auf das Quecksilber im Boden ausgeübte Druck stützt die Kolonne, so dass die Höhe der Kolonne eine Möglichkeit ist, den Atmosphärendruck zu messen. Wenn das Rohr in Millimeter graduiert ist, beträgt die Höhe der Säule je nach atmosphärischen Bedingungen ca. 760 mm. Dies ist die Definition von 1 Atmosphäre Druck.
Quecksilber ist eine Flüssigkeit, daher können Sie den Druck berechnen, der zum Stützen der Säule erforderlich ist, indem Sie die Druckgleichung verwenden. In dieser Gleichung ist ρ die Dichte von Quecksilber und h die Höhe der Säule. In SI-Einheiten (metrisch) entspricht eine Atmosphäre 101.325 Pa (Pascal) und in britischen Einheiten 14,696 psi (Pfund pro Quadratzoll). Der Torr ist eine weitere Einheit des atmosphärischen Drucks, die ursprünglich mit 1 mm Hg definiert wurde. Seine derzeitige Definition ist 1 Torr = 133,32 Pa. Eine Atmosphäre = 760 Torr.
Die barometrische Formel
Obwohl Sie den atmosphärischen Druck auf Meereshöhe nicht aus der Gesamthöhe der Atmosphäre ableiten können, können Sie Änderungen des Luftdrucks von einer Höhe zur anderen berechnen. Diese Tatsache führt zusammen mit anderen Überlegungen, einschließlich des idealen Gasgesetzes, zu einer exponentiellen Beziehung zwischen dem Meeresspiegeldruck (P0) und Druck in Höhe h (Pha). Diese Beziehung, die als barometrische Formel bekannt ist, lautet:
P_h=P_o e^{\frac{-mgh}{kT}}
- m = Masse eines Luftmoleküls
- g = Erdbeschleunigung
- k = Boltzmann-Konstante (ideale Gaskonstante geteilt durch die Avogadro-Zahl)
- T = Temperatur
Obwohl diese Gleichung Drücke in verschiedenen Höhen vorhersagt, unterscheiden sich ihre Vorhersagen von der Beobachtung. Zum Beispiel sagt es einen Druck von 25 Torr in einer Höhe von 30 km (19 mi) voraus, aber der beobachtete Druck in dieser Höhe beträgt nur 9,5 Torr. Die Diskrepanz ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Temperaturen in höheren Lagen kälter sind.