Lucht is een gas, maar om de atmosferische druk te berekenen, zou je het als een vloeistof kunnen beschouwen en de druk op zeeniveau kunnen berekenen met behulp van de uitdrukking voor vloeistofdruk. Deze uitdrukking is:
waarbij ρ de dichtheid van lucht is, g de versnelling van de zwaartekracht en h de hoogte van de atmosfeer. Deze benadering werkt echter niet, omdat noch ρ noch h constant zijn. De traditionele benadering is om in plaats daarvan de hoogte van een kwikkolom te meten. Als u de atmosferische druk op een bepaalde hoogte zoekt, kunt u de barometrische formule gebruiken. Dit is een vrij complexe relatie die afhankelijk is van verschillende variabelen, dus het is gemakkelijker om gewoon de waarde die je nodig hebt in een tabel op te zoeken.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Wetenschappers berekenen de atmosferische druk op zeeniveau door de hoogte van een kwikkolom te meten en de druk te berekenen die de atmosfeer moet uitoefenen om de kolom tot die hoogte te brengen.
De kwikbarometer
Dompel een glazen buis met gesloten uiteinde in een bak met kwik en laat alle lucht ontsnappen, draai de buis vervolgens rechtop met de opening ondergedompeld in het kwik. Je hebt een kwikkolom in de buis en een vacuüm tussen de bovenkant van de kolom en het uiteinde van de buis. De druk die door de atmosfeer op het kwik in de schaal wordt uitgeoefend, ondersteunt de kolom, dus de hoogte van de kolom is een manier om de atmosferische druk te meten. Als de buis een maatverdeling heeft in millimeters, zal de hoogte van de kolom ongeveer 760 mm zijn, afhankelijk van de atmosferische omstandigheden. Dit is de definitie van 1 atmosfeer druk.
Kwik is een vloeistof, dus u kunt de druk berekenen die nodig is om de kolom te ondersteunen met behulp van de drukvergelijking. In deze vergelijking is ρ de dichtheid van kwik en is h de hoogte van de kolom. In SI (metrische) eenheden is één atmosfeer gelijk aan 101.325 Pa (Pascal) en in Britse eenheden is het gelijk aan 14,696 psi (pond per vierkante inch). De torr is een andere eenheid van atmosferische druk die oorspronkelijk werd gedefinieerd als gelijk aan 1 mm Hg. De huidige definitie is 1 torr = 133,32 Pa. Eén atmosfeer = 760 torr.
De barometrische formule
Hoewel je de atmosferische druk op zeeniveau niet kunt afleiden uit de totale hoogte van de atmosfeer, kun je veranderingen in luchtdruk van de ene hoogte naar de andere berekenen. Dit feit, samen met andere overwegingen, waaronder de ideale gaswet, leidt tot een exponentiële relatie tussen de druk op zeeniveau (P0) en druk op hoogte h (Ph). Deze relatie, bekend als de barometrische formule, is:
P_h=P_o e^{\frac{-mgh}{kT}}
- m = massa van één luchtmolecuul
- g = versnelling door zwaartekracht
- k = constante van Boltzmann (ideale gasconstante gedeeld door het getal van Avogadro)
- T = temperatuur
Hoewel deze vergelijking druk op verschillende hoogten voorspelt, verschillen de voorspellingen van waarneming. Het voorspelt bijvoorbeeld een druk van 25 torr op een hoogte van 30 km (19 mijl), maar de waargenomen druk op die hoogte is slechts 9,5 torr. Het verschil is voornamelijk te wijten aan het feit dat de temperaturen op grotere hoogten kouder zijn.