Presión atmosférica: unidades, medida y variación con la altura

Temario

Meteorología y Climatología

ARES Formació

Presión atmosférica

Presión atmosférica. Unidades y medida. Barómetros de mercurio, aneroides y barógrafos. Variación de la presión con la altura. Ciclo diurno de la presión en superficie. Isobaras e isohipsas. Sistemas de altas y bajas presiones: borrascas y anticiclones.

La atmósfera ejerce sobre todos los cuerpos situados en la superficie terrestre una presión permanente debido al peso de los gases que la componen. Además, esta atmósfera está constituida por millares de millones de moléculas y átomos que se agitan alrededor y encima de él a grandes velocidades, chocan unos contra otros y golpean la superficie de la Tierra, los seres humanos y todos los cuerpos que se encuentran en ella.

El estudio de la presión atmosférica constituye una parte fundamental de los tratados de Meteorología. Las diferencias de presión en el seno de la atmósfera son el origen de las grandes corrientes atmosféricas. Los vientos y, finalmente, todos los elementos meteorológicos, cualesquiera que sean, aumentan debido a estas diferencias de presión.

Naturaleza de la presión atmosférica

En física, los científicos hacen una distinción entre fuerza y presión. La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie.

P =

S

F

Las moléculas y los átomos de nitrógeno, oxígeno y de todos los otros gases atmosféricos tienen peso. El peso total del aire contenido en una columna, de sección transversal unitaria, considerada desde un nivel cualquiera hasta el límite exterior de la atmósfera, se denomina presión atmosférica.

Como las moléculas de aire se desplazan en todos los sentidos, ejercen su presión en todas las direcciones. Esto se demuestra de la forma siguiente: se llena un vaso de agua hasta el borde y se coloca una hoja de cartulina cubriendo su boca. Si se invierte el vaso con precaución se comprueba que la cartulina continúa fuertemente pegada contra la boca del vaso.

Esta demostración prueba que la presión atmosférica es mayor que la presión ejercida por el agua hacia abajo en virtud de su peso. Si se gira lentamente el vaso en todas las direcciones, se puede comprobar que la presión atmosférica actúa tanto lateralmente como hacia arriba.

En las proximidades de la Tierra, la presión es siempre más alta puesto que su valor es igual al peso de la columna de aire situado encima de la unidad de superficie sobre la cual se ejerce. A medida que se asciende, el número de moléculas y átomos de aire que se encuentran encima del observador disminuye y, por lo tanto, la presión atmosférica decrece cuando la altura aumenta.

30009.0

40000.0

30000.0

Altitud

20003.0

1 0000.0

0.0

0.0

200.0

400.D

600.0

800.0

1000.0

1200.0

Presión (mb)

Cerca de la superficie terrestre, la presión atmosférica es de 1, 013 · 105 Newtons por metro cuadrado, aproximadamente 105 N/m2, lo que equivale a 105 Pascales ( = 1 bar).Debido a las ligeras variaciones que se producen en el transcurso de un día, se utiliza una unidad más pequeña que pueda señalar estas variaciones. En meteorología se emplea como unidad de medida de la presión la centena de pascales o el hectopascal ( hPa ) que equivale a un milibar. Por ejemplo:

105 Pascales (= 1bar) = 1.000hPa

Una presión de un hectopascal es pues la presión ejercida por una fuerza de 100 newtons por cada metro cuadrado de superficie en contacto con el aire.

Por ejemplo: tomemos un tubo de vidrio de 1 metro de longitud. Lo llenamos de mercurio (como hizo Torricelli) y lo invertimos sobre una cubeta que también contiene mercurio. La columna de mercurio desciende en el tubo y se estabiliza a una cierta altura, dejando en la parte superior del tubo sobre la superficie libre de mercurio un vacío. Este experimento muestra que la presión atmosférica es capaz de equilibrar el peso de la columna de mercurio contenida en el tubo.

Experimento de Torricelli. La altura alcanzada por el mercurio en el tubo de Torricelli está en función de la presión ejercida por el aire sobre el recipiente que lo contiene. Cuando la presión atmosférica es grande, el mercurio sube mucho; cuando es reducida sube muy poco.

La altura de la columna de mercurio varía evidentemente con la temperatura del mercurio y su peso en función de la gravedad en el lugar de observación. Por lo tanto, y con el fin de hacer las observaciones comparables entre sí, los meteorólogos reducen la altura de la columna de mercurio a la que tendría si las condiciones de temperatura y de gravedad fuesen normales. Se ha escogido como valor normal de la temperatura la del hielo fundente ( 0℃ )y como valor normal de la aceleración de la gravedad la constante g = 9.80665 m/s2. Si, en estas condiciones normales, la presión atmosférica puede equilibrar el peso de una columna de mercurio de 760 mm de altura, se dice entonces que la presión es igual a una atmósfera normal. Esta presión es equivalente a 1013,250 hPa. Por lo tanto, en condiciones normales, se tendrá que si:

760mm Hg =1013,250 hPa

1mm Hg =1,333224 hPa

Esta unidad se llama milímetro de mercurio normal.

milibar =

pascal

(Pa)

bar

(bar)

hectopascal

(mbar, hPa)

atmósfera

(atm)

torr = mmHg

(Torr)

1 Pa

=1 N/m2

10-5

10-2

9,8692 × 10-6

7,5006 ×10-3

1bar

100000

= 106dyn/cm2

0,98692

750,06

1hPa

100

= hPa

0,00098692

0,75006

(1mbar)

1 atm

101.325

1,01325

1.013, 25

= 1 atm

760

1 torr = 1

133,322

1,3332 × 10-3

1,3332

1,3158 × 10-3

= 1 Torr; ~

mmHg

mmHg

Medida de la presión atmosférica

Se llama barómetro al instrumento que permite medir la presión atmosférica. La palabra barómetro se deriva de las dos voces griegas baros (peso) y metron (medida).

Comúnmente se emplean dos tipos de barómetro: los barómetros de mercurio y los barómetros aneroides. El nombre aneroide viene de la palabra griega neros (liquido) y del prefijo negativo a (sin). Por lo tanto, contrariamente al barómetro de mercurio (liquido), el barómetro aneroide no contiene fluido.

Barómetros de mercurio

En 1643, el científico italiano Torricelli realizó el experimento siguiente: cogió un tubo devidrio de 80 cm, aproximadamente, de longitud, cerrado en uno de sus extremos. Lo llenó de mercurio y luego lo invirtió, introduciendo la extremidad inferior abierta en un recipiente que contenía mercurio.

Torricelli comprobó que el nivel del mercurio bajaba en el tubo y se estabilizaba a una altura de 0, 76 m, aproximadamente, sobre la superficie libre del mercurio contenido en el recipiente. Explicó este fenómeno enunciando que la atmósfera debía ejercer una presión sobre la superficie libre del mercurio de la cubeta y que su valor debía ser igual a la ejercida por el peso de la columna contenida en el tubo.

Este fue el primer barómetro de mercurio. La altura vertical de la columna de mercurio no depende de la inclinación del tubo. El valor de la presión atmosférica puede ser, por lo tanto, expresada en altura de mercurio. Sin embargo, esta altura debe ser corregida para reducirla a la que tendría en las condiciones normales de temperatura y de aceleración de la gravedad.

Generalmente, las estaciones meteorológicas están equipadas con dos tipos de barómetros de mercurio: el barómetro Fortin y el barómetro de cubeta fija (llamado a menudo barómetro de tipo Kew).

Como lo que se trata es de medir la distancia entre el extremo de la columna de mercurio y el nivel superior del mismo en la cubeta y toda variación de la altura de la columna de mercurio supone un cambio de nivel de mercurio en la cubeta, es necesario, para evitar esta dificultad, recurrir a una de las siguientes soluciones:

1. en el barómetro Fortin , el nivel del mercurio en la cubeta puede hacerse variar poniéndolo en contacto con una punta afilada de marfil, cuya extremidad coincide con el plano horizontal que pasa por el cero de la escala. Por lo tanto, para hacer la lectura de presión en un barómetro Fortin, es necesario ajustar primeramente el nivel de mercurio en la cubeta, de forma que este nivel corresponda al cero de la escala.escala

Vernier

escala de

la presión

tuerca de ajuste

de Vernier

Un barómetro de Fortín mide la presión barométrica por el efecto que ejerce en una columna vertical de mercurio. En la parte inferior del instrumento hay una bolsa de cuero que contiene mercurio. Se hace girar la tuerca de ajuste para poner a cero el instrumento, haciendo que la superficie del mercurio toque justo u n a aguja fija. La altura de la columna y con ella la

presión atmosférica (en milímetros de mercurio) se puede ver entonces en la escala Vernier situada en la parte superior del barómetro.

El nonio o escala de Vernier es una segunda escala auxiliar que tienen algunos instrumentos de medición, que permite apreciar una medición con mayor exactitud al complementar las divisiones de la regla o escala principal del instrumento de medida.[^40]b) en el barómetro de cubeta fija (que es a menudo llamado barómetro de tipo Kew), la escala grabada sobre el instrumento se construye de tal forma que compense las variaciones de nivel del mercurio. No hay, por lo tanto, necesidad de ajustar el nivel del mercurio.Presión atmosférica

Barometro Anerdido

Altuta del

barómetro

29 2 pulgadas

(700 mm)

Nivel

del mar

----

Baragrato

Barómetro de Mercurio

_

Reducción de las lecturas del barómetro a las condiciones normales

Como la altura de la columna de mercurio de un barómetro no depende sólo de la presión atmosférica, sino también de otros factores (principalmente de la temperatura y de la gravedad), es necesario especificar las condiciones normales en las cuales el barómetro debería teóricamente dar las lecturas reales de la presión. Para las aplicaciones meteorológicas, las escalas de los barómetros de mercurio deberán estar graduadas de forma tal que den directamente las lecturas reales en unidades normales, cuando el instrumento esté sometido a la temperatura normal de OºC y a la aceleración normal de la gravedad de 9, 80665 m/s2.

Con el fin de que las lecturas de los barómetros hechas a horas diferentes y en lugares distintos puedan ser comparables, es necesario hacer las correcciones siguientes:

• corrección por error instrumental;
• corrección por temperatura;
• corrección por gravedad.

.

1. Corrección por error instrumental En principio, si la graduación está bien hecha, la escala de lectura debe permitir calcular con exactitud la diferencia de nivel entre las superficies de mercurio en la cubeta y en el extremo del tubo. Pero en la práctica, a menudo es imposible obtener una fijación o una división exacta de la escala. Además, el mercurio no moja el vidrio del tubo y, por lo tanto, presenta un menisco convexo (el menisco es la superficie curva que se forma en la extremidad superior del líquido contenido en el tubo). En este caso, la fuerza de cohesión entre las moléculas de mercurio es más grande que la fuerza de adhesión