دراسة فيزيائية حول قياس الضغط الجوي

توضيح مفهوم الضغط الجوي

يمكن تعريف الضغط بشكل عام بأنه القوة المؤثرة على وحدة المساحات. وبالنسبة للأرض، فإن الهواء المحيط بها، والذي يشكل الغلاف الجوي، له وزن. هذا الوزن يولد قوة ضاغطة على الأجسام الموجودة على سطح الأرض. هذا التأثير يعرف بالضغط الجوي، وهو ببساطة الضغط الناتج عن وزن الغلاف الجوي. وبتعبير علمي دقيق، هو وزن عمود الهواء الواقع على مساحة محددة من سطح الأرض، ويمتد هذا العمود من سطح الأرض وحتى نهاية الغلاف الجوي.

يعبر عن الضغط الجوي بوحدة تسمى باسكال (Pascal) في النظام الدولي للوحدات، وهي تعادل نيوتن لكل متر مربع. وفي تطبيقات الأرصاد الجوية العملية، غالبًا ما تستخدم وحدة المليبار لقياس الضغط الجوي.

أدوات و مقاييس الضغط الجوي

الوحدة القياسية للضغط في النظام الدولي للوحدات هي باسكال (Pa)، حيث أن 1 باسكال = 1 نيوتن/متر مربع. بما أن الباسكال وحدة صغيرة جدًا، فإنه من الشائع استخدام الكيلو باسكال (1 كيلو باسكال = 1000 باسكال) أو البار (1 بار = 100,000 باسكال). في الولايات المتحدة، غالبًا ما يقاس الضغط بوحدة رطل لكل بوصة مربعة (psi). كما تستخدم وحدة الضغط الجوي (atm)، التي تمثل متوسط ضغط الهواء على مستوى سطح البحر عند خط عرض باريس (45 درجة).

أجهزة رصد الضغط الجوي

يتم قياس الضغط الجوي باستخدام جهاز يسمى البارومتر. وقد تم اختراعه في عام 1643م على يد العالم الإيطالي تورشيلي. يوجد نوعان رئيسيان من البارومترات: البارومتر الزئبقي والبارومتر الفلزي. البارومتر الزئبقي يتكون من أنبوب زجاجي مدرج، بينما البارومتر الفلزي يعتمد على غرفة مطاطية تنكمش وتتمدد حسب الضغط الواقع عليها. وتعتمد هيئات الأرصاد الجوية بشكل كبير على البارومتر الزئبقي في إصدار النشرات الجوية.

المؤثرات في الضغط الجوي

يتغير الضغط الجوي المؤثر على نقطة معينة على سطح الأرض مع مرور الوقت، وهناك عدة عوامل رئيسية تؤثر في هذا التغير، ومن أهمها:

• درجة الحرارة: عندما ترتفع درجة الحرارة، يتمدد الهواء وتقل كثافته، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط الجوي. وعلى العكس من ذلك، عندما تنخفض درجة الحرارة، ينكمش الهواء وتزداد كثافته، مما يسبب ارتفاع الضغط.
• الارتفاع عن مستوى سطح البحر: يتكون ضغط الهواء بسبب وزن الهواء فوقنا. وبالتالي، فإن مستوى سطح البحر لديه أعلى ضغط جوي. وكلما ارتفعنا، تبقى الغازات الثقيلة في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط الهواء لأن الهواء يصبح أخف وأقل كثافة. لهذا السبب، يكون الضغط الجوي في المناطق المرتفعة أقل من الضغط في المناطق المنخفضة. هناك علاقة رياضية تربط الضغط الجوي بالارتفاع، حيث يقل الضغط بمقدار 1 مليبار لكل 10 أمتار ارتفاع. ولهذا السبب يواجه المسافرون في الطائرات صعوبة في التنفس بسبب انخفاض كمية الأكسجين.
• الرطوبة: الرطوبة هي نتيجة لتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية عن طريق التبخر. بخار الماء خفيف الوزن، لذلك يرتفع إلى الأعلى ويجعل ضغط الهواء الرطب أقل مقارنة بالهواء الجاف. كمية بخار الماء تختلف باختلاف الوقت والمكان، وهذا يؤدي إلى تفاوت في ضغط الهواء.
• الجاذبية الأرضية: يحيط الغلاف الجوي بالكرة الأرضية بسبب جاذبيتها. تقل قوة الجاذبية كلما ابتعدنا عن مركز الأرض. المناطق القطبية أقرب إلى مركز الأرض من المناطق الاستوائية، مما يجعل الضغط الجوي فيها أعلى.
• دوران الأرض: ينتج عن دوران الأرض قوة طرد مركزية تكون أكبر عند خط الاستواء وأقل عند المناطق القطبية. هذه القوة تدفع الأشياء بعيدًا عن المركز، مما يؤدي إلى ضغط أقل في المناطق الاستوائية مقارنة بالمناطق القطبية.

الضغط الجوي وأحوال الطقس

عندما تنخفض درجة الحرارة، يرتفع الضغط الجوي؛ لأن الهواء البارد أثقل وأكثر كثافة من الهواء الساخن بسبب تقارب جزيئاته. يحدث العكس عند ارتفاع درجة الحرارة، مع ثبات نسبة الرطوبة. وعند ارتفاع نسبة الرطوبة، تقل كثافة الهواء ويصبح أخف وزناً، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط الجوي، مع ثبات درجة الحرارة.

تعتبر المنطقة تحت تأثير مرتفع جوي عندما تكون نسبة الضغط الجوي فيها أعلى من المناطق المجاورة، ويتزامن ارتفاع الضغط مع هواء ثقيل هابط من الأعلى إلى الأسفل، مما يؤدي إلى استقرار الأجواء وصفاء السماء. ويحدث العكس في المنخفض الجوي، حيث يكون الهواء أخف وزناً فيصعد إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي، ويتكاثف ويشكل الغيوم، وبالتالي تتساقط الأمطار.

قال تعالى: ﴿وَهُوَ الَّذِي يُرْسِلُ الرِّيَاحَ بُشْرًا بَيْنَ يَدَيْ رَحْمَتِهِ حَتَّىٰ إِذَا أَقَلَّتْ سَحَابًا ثِقَالًا سُقْنَاهُ لِبَلَدٍ مَّيِّتٍ فَأَنزَلْنَا بِهِ الْمَاءَ فَأَخْرَجْنَا بِهِ مِن كُلِّ الثَّمَرَاتِ ۚ كَذَٰلِكَ نُخْرِجُ الْمَوْتَىٰ لَعَلَّكُمْ تَذَكَّرُونَ﴾ [الأعراف: 57].

استخدامات الضغط الجوي

من أبرز التطبيقات اليومية للضغط الجوي:

• قشة الشرب: عند غمس الجزء السفلي من القشة في المشروب وسحب الهواء من الطرف العلوي، فإننا نخفض الضغط الجوي داخل القشة. الضغط الموجود على سطح السائل الخارجي يبقى مساوياً للضغط الجوي، مما يؤدي إلى دفع السائل عبر القشة إلى الفم.
• الحقنة: هي أنبوب زجاجي بفتحة ومكبس لامتصاص السائل. عند غمس الحقنة في السائل وسحب المكبس، يقل الضغط داخل الحقنة، مما يؤدي إلى ارتفاع السائل داخلها.
• العلّاقة: هي قرص مطاطي يلتصق بالأسطح الملساء. شكلها يشبه الكوب المقعر من الداخل، وتستخدم لتعليق الأغراض على الجدران أو الزجاج.
• السيفون المنزلي: جزء من المرحاض داخل الحمام يستخدم لطرد الماء بداخله.
• جناح الطائرة: عندما تسير الطائرة بسرعة عالية، فإن ضغط الهواء فوق الجناح يكون أقل من أسفله بسبب شكله المنحني، مما يؤدي لرفع الطائرة نحو الأعلى.