اتم‌ها و مولکول‌هایی که لایه‌های مختلف جو را تشکیل می‌دهند، به طور مداوم در جهات مختلف و به صورت تصادفی حرکت می‌کنند. با اینکه اندازه آن‌ها بسیار کوچک است، اما وقتی به سطحی برخورد می‌کنند، نیرویی به آن سطح وارد می‌کنند که ما آن را به‌عنوان فشار می‌شناسیم. هر مولکول به تنهایی نیروی بسیار کمی وارد می‌کند؛ اما وقتی تمامی نیروهایی که از سوی تعداد زیادی مولکول به یک سطح وارد می‌شود را جمع کنیم، فشار نهایی می‌تواند بسیار قابل توجه باشد.

 

فشار هوا یا فشار جو به نیرویی اطلاق می‌شود که بر هر نقطه‌ای از سطح زمین وارد می‌شود. این نیرو ناشی از وزن ستون هوایی است که درست بالای آن نقطه قرار دارد. به زبان ساده‌تر، هوایی که در فضای بالای ما قرار دارد، به دلیل جرم خود، نیرویی را به سمت پایین وارد می‌کند که به آن فشار هوا گفته می‌شود.

 

 

 

در سطح آبها و دریاهای آزاد، فشار هوا معمولاً حدود یک کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است. این مقدار معادل با فشاری است که یک وزن یک کیلوگرمی بر یک سطح یک سانتی‌متر مربع وارد می‌کند. این مقدار فشار، که به طور تقریبی معادل با فشار اتمسفری استاندارد (۱۰۱۳.۲۵ میلی‌بار یا هکتوپاسکال) است، نقطه مرجعی برای مقایسه فشارها در ارتفاعات مختلف فراهم می‌کند.

 

واحد علمی فشار پاسکال (Pa) است که به افتخار بلز پاسکال (1623-1662) نامگذاری شده است. یک پاسکال برابر با 0.01 میلی‌بار یا 0.00001 بار است. از سال 1929، در علم هواشناسی از میلی‌بار برای اندازه‌گیری فشار هوا استفاده شده است. هنگامی که در دهه 1960 تغییراتی در واحدهای علمی اعمال شد، بسیاری از هواشناسان ترجیح دادند مقدار مورد استفاده خود را حفظ کنند و پیشوند "هکتو" (h) به معنای 100 را اضافه کردند. بنابراین، 1 هکتوپاسکال (hPa) برابر با 100 پاسکال است که معادل 1 میلی‌بار است. 100,000 پاسکال برابر با 1000 هکتوپاسکال یا 1000 میلی‌بار است.  

اگرچه واحدهای استفاده شده در هواشناسی متفاوت هستند، مقدار عددی آن‌ها همچنان ثابت است. فشار استاندارد در سطح دریا هم در واحد میلی‌بار (mb) و هم هکتوپاسکال (hPa) برابر با 1013.25 است.

 

فشار هوا به دو روش قابل افزایش یا کاهش است. اولین روش این است که با افزودن مولکول‌ها به یک محفظه، فشار افزایش یابد؛ زیرا با افزایش تعداد مولکول‌ها، تعداد برخوردها با دیواره محفظه نیز بیشتر می‌شود. این امر به عنوان افزایش فشار مشاهده می‌شود. یک مثال خوب از این مورد، اضافه یا کم کردن هوا در تایر خودرو است. با افزودن هوا، تعداد مولکول‌ها افزایش می‌یابد و تعداد برخوردها با دیواره داخلی تایر بیشتر می‌شود. این افزایش برخوردها، فشار را بالا می‌برد و تایر به دلیل فشار بیشتر منبسط می‌شود.  

روش دوم برای تغییر فشار هوا، افزودن یا کاهش حرارت است. افزودن حرارت به یک محفظه می‌تواند انرژی را به مولکول‌های هوا منتقل کند. مولکول‌های گرم شده با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند و با نیروی بیشتری به دیواره محفظه برخورد می‌کنند که به‌عنوان افزایش فشار مشاهده می‌شود.

 

از آنجا که مولکول‌ها در همه جهات حرکت می‌کنند، می‌توانند حتی به سمت بالا نیز فشار هوا را ایجاد کنند. در جو، فشار هوا می‌تواند در همه جهات اعمال شود. در ایستگاه فضایی بین‌المللی، چگالی هوا به گونه‌ای حفظ می‌شود که مشابه چگالی در سطح زمین باشد که برابر با 14.7 پوند بر اینچ مربع است.

 

بر روی زمین، با افزایش ارتفاع، تعداد مولکول‌ها کاهش می‌یابد و چگالی هوا نیز کمتر می‌شود که به معنای کاهش فشار هوا است. در واقع، با اینکه جو تا صدها مایل ارتفاع دارد، نیمی از مولکول‌های هوای جو در ارتفاعات کمتر از 18,000 فوت (5.6 کیلومتر) قرار دارند. این کاهش فشار با ارتفاع، مقایسه فشار هوا در سطح زمین را بین دو مکان با ارتفاع‌های مختلف دشوار می‌سازد. بنابراین، برای اینکه مقدار فشار اندازه‌گیری شده در هر ایستگاه معنا پیدا کند، فشار هوای اندازه‌گیری شده در هر ایستگاه را به مقداری که در سطح دریا مشاهده می‌شود، تبدیل می‌کنیم.  

دو واحد رایج برای اندازه‌گیری فشار در ایالات متحده "اینچ جیوه" و "میلی‌بار" هستند. اینچ جیوه به ارتفاع یک ستون جیوه بر حسب صدم اینچ اشاره دارد. این چیزی است که شما معمولاً از رادیوی هواشناسی NOAA یا از منبع خبری یا هواشناسی خود می‌شنوید. در سطح دریا، فشار استاندارد هوا برابر با 29.92 اینچ جیوه است.  

میلی‌بار از اصطلاح اصلی فشار، یعنی "بار" گرفته شده است. "بار" از کلمه یونانی "بَروس" به معنای وزن گرفته شده است. یک میلی‌بار برابر با 1/1000 بار و تقریباً معادل 1000 داین است (یک داین مقدار نیرویی است که باعث می‌شود یک جسم با جرم یک گرم با شتاب یک سانتی‌متر بر ثانیه مربع حرکت کند). مقدار میلی‌بار مورد استفاده در هواشناسی از حدود 100 تا 1050 متغیر است. در سطح دریا، فشار استاندارد هوا در واحد میلی‌بار برابر با 1013.2 است. نقشه‌های هواشناسی که فشار سطحی را نشان می‌دهند با استفاده از میلی‌بار ترسیم می‌شوند.

 

اگرچه تغییرات فشار معمولاً بسیار آهسته است و به‌طور مستقیم مشاهده نمی‌شود، فشار هوا تقریباً همیشه در حال تغییر است. این تغییر در فشار به دلیل تغییر در چگالی هوا است و چگالی هوا به دما بستگی دارد. هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای سرد دارد؛ زیرا مولکول‌های گاز در هوای گرم با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند و فاصله بین آن‌ها بیشتر از هوای سرد است. بنابراین، اگرچه ارتفاع متوسط لایه 500 میلی‌بار حدود 18,000 فوت (5600 متر) است، اما ارتفاع واقعی این لایه در هوای گرم بیشتر و در هوای سرد کمتر است.

 

ساده‌ترین تغییر در فشار، افزایش و کاهش دو بار در روز به دلیل گرمای خورشید است. هر روز، فشار در حدود ساعت 4 صبح و 4 بعد از ظهر به کمترین مقدار خود می‌رسد و در حدود ساعت 10 صبح و 10 شب به بالاترین مقدار خود می‌رسد. دامنه این چرخه روزانه در نزدیکی خط استوا بیشتر است و به سمت قطب‌ها کاهش می‌یابد.  

علاوه بر نوسانات روزانه، تغییرات بزرگتری نیز در فشار به دلیل سیستم‌های جوی متحرک رخ می‌دهد. این سیستم‌های جوی با علامت‌های "H" آبی و "L" قرمز در نقشه‌های هواشناسی مشخص می‌شوند.

 

در سال 1848، کشیش دکتر بروئر از انگلستان در کتاب خود "راهنمای دانش علمی چیزهای آشنا" چنین درباره رابطه فشار و آب و هوا نوشت:

 

- در هوای بسیار گرم، افت بارومتر نشان‌دهنده وقوع رعد و برق است. در غیر این صورت، افت ناگهانی بارومتر نشان‌دهنده باد شدید است.

- در هوای یخ‌بندان، افت بارومتر نشان‌دهنده آب شدن یخ است.

- اگر بلافاصله پس از افت بارومتر، هوای مرطوب رخ دهد، انتظار کمی از بارش داشته باشید.

- در هوای مرطوب، اگر بارومتر افت کند، انتظار بارش بیشتری داشته باشید.

- در هوای صاف، اگر بارومتر به شدت افت کند و در سطح پایینی بماند، انتظار بارش و احتمالا وزش باد زیادی را در چند روز آینده داشته باشید.

- بارومتر در پایین‌ترین حالت خود، نشان‌دهنده باد و باران همزمان است؛ پس از آن باد (به استثنای بادهای شرقی یا شمال شرقی).

 

- در زمستان، افزایش بارومتر نشان‌دهنده یخبندان است.

- در هوای یخبندان، افزایش بارومتر نشان‌دهنده برف است.

- اگر بلافاصله پس از افزایش بارومتر هوای صاف رخ دهد، انتظار کمی از این هوای صاف داشته باشید.

- در هوای مرطوب، اگر جیوه بارومتر به شدت افزایش یابد و در همان سطح بماند، انتظار هوای خوب و پایدار را در یک یا دو روز آینده داشته باشید.

- در هوای مرطوب، اگر جیوه به طور ناگهانی به شدت افزایش یابد، هوای خوب به مدت طولانی ادامه نخواهد داشت.

- بارومتر برای بادهای شمالی و شرقی به بالاترین سطح خود می‌رسد؛ برای سایر بادها افت می‌کند.

 

- اگر حرکت جیوه ناپایدار باشد، انتظار هوای ناپایدار داشته باشید.

- اگر بارومتر روی "باران زیاد" باشد و به "تغییرپذیر" افزایش یابد، انتظار هوای صاف کوتاه مدت را داشته باشید.

- اگر بارومتر روی "صاف" باشد و به "تغییرپذیر" کاهش یابد، انتظار هوای خراب را داشته باشید.

- حرکت رو به بالا نشان‌دهنده نزدیک شدن هوای خوب است؛ حرکت رو به پایین نشان‌دهنده نزدیک شدن هوای خراب است.

این سیستم‌های جوی در نتیجه تغییرات آب و هوا و سایر عوامل جوی از مکانی به مکان دیگر در سراسر جهان حرکت می‌کنند

 

 هوا ارتفاع یکی از عوامل اساسی در تعیین فشار هواست. در واقع، فشار هوا به‌طور مستقیم تحت تأثیر وزن ستون هوای بالای نقطه‌ی اندازه‌گیری قرار دارد. به این ترتیب، هرچه به سطح زمین نزدیک‌تر باشیم، فشار هوا بیشتر است زیرا ستون هوای بالای ما بلندتر و متراکم‌تر است. اما با افزایش ارتفاع، این ستون هوایی کوتاه‌تر شده و در نتیجه فشار کاهش می‌یابد. کاهش فشار در ارتفاعات بالا همچنین باعث کاهش میزان اکسیژن قابل تنفس می‌شود که به‌ویژه در صعودهای کوهستانی و پروازهای بلند ارتفاع چالش‌برانگیز است. کوهنوردان و خلبانان برای جلوگیری از کاهش اکسیژن، از دستگاه‌های اکسیژن اضافی استفاده می‌کنند تا شرایط تنفسی مناسب داشته باشند.

 

تاثیر دما بر فشار هوا به دلیل تغییر در چگالی هوا اتفاق می‌افتد. با افزایش دما، مولکول‌های هوا انرژی بیشتری پیدا کرده و سریع‌تر حرکت می‌کنند، که منجر به افزایش فاصله بین آن‌ها و کاهش چگالی هوا می‌شود. این کاهش چگالی باعث کاهش فشار هوا می‌شود. به همین دلیل، مناطق گرمسیر معمولاً فشار هوای پایین‌تری دارند. در طرف مقابل، هوای سرد مولکول‌ها را به هم نزدیک‌تر می‌کند، که چگالی را افزایش داده و فشار هوا را بالا می‌برد. این تغییرات دما و فشار در ایجاد بادها و تغییرات آب و هوایی نقش کلیدی دارند. مناطق گرم و سرد به‌طور پیوسته با یکدیگر تعامل دارند و تغییرات در دما و فشار باعث حرکت هوا و ایجاد الگوهای پیچیده آب و هوایی می‌شود.

 

رطوبت، که با میزان بخار آب در هوا اندازه‌گیری می‌شود، تأثیر مستقیم بر چگالی و فشار هوا دارد. بخار آب چگالی کمتری نسبت به مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن دارد که هوای خشک را تشکیل می‌دهند. زمانی که هوا مرطوب می‌شود، بخار آب جایگزین برخی از این مولکول‌های سنگین‌تر می‌شود و در نتیجه چگالی کاهش می‌یابد. این کاهش چگالی باعث کاهش فشار هوا در مناطق مرطوب می‌شود. این تغییرات در رطوبت به‌ویژه در مناطق گرمسیری تأثیرات زیادی دارد؛ چرا که بخار آب بیشتری در هوا وجود دارد و این امر فشار هوا را کاهش داده و بر الگوهای آب و هوایی تأثیر می‌گذارد. 

 

فشار هوا نه‌تنها در سیستم‌های طبیعی بلکه در فعالیت‌های روزمره و فناوری‌های مختلف نیز تأثیرگذار است. درک تأثیرات فشار هوا بر بدن انسان، ساختارهای هواشناسی و حتی صنایع به ما کمک می‌کند تا بهتر با محیط و تغییرات آب و هوایی تطابق پیدا کنیم. تغییرات فشار هوا ممکن است بر حس کلی ما از فضا و محیط اطراف تأثیر بگذارد و در برنامه‌ریزی فعالیت‌ها مانند سفرهای هوایی و کوهنوردی اثرگذار باشد. همچنین، دانستن این موضوع می‌تواند به ما در پیش‌بینی تغییرات آب و هوایی کمک کند و ما را به آمادگی بیشتری در برابر پدیده‌های ناگهانی سوق دهد.

 

 

سیستم‌های فشار بالا و پایین از عوامل کلیدی در تعیین الگوهای آب و هوایی محسوب می‌شوند. سیستم‌های فشار بالا (که به آن‌ها «پرفشار» نیز گفته می‌شود) معمولاً باعث ایجاد هوای صاف و پایدار می‌شوند، چرا که هوای سنگین به سمت پایین فشار داده می‌شود و از تشکیل ابرها جلوگیری می‌کند. در مقابل، سیستم‌های فشار پایین، که به «کم‌فشار» معروف هستند، هوا را به سمت بالا می‌کشند و باعث سرد شدن و تراکم آن می‌شوند که به تشکیل ابر و بارش منجر می‌شود. این تغییرات در سیستم‌های فشار باعث به وجود آمدن فصل‌های بارانی و خشک در مناطق مختلف می‌شود و تاثیر مستقیمی بر کشاورزی، منابع آبی، و زندگی روزمره انسان‌ها دارد.

 

هوانوردی از جمله حوزه‌هایی است که به شدت به تغییرات فشار هوا وابسته است. کنترل و تنظیم فشار هوا برای حفظ ایمنی و راحتی مسافران و خدمه پروازی ضروری است. فشار هوا بر ارتفاع پرواز، عملکرد موتورها، و حتی دینامیک پرواز (مانند برخاست و فرود) تأثیر می‌گذارد. فشار کمتر در ارتفاعات بالا می‌تواند باعث کاهش کارایی موتورهای هواپیما شود و به همین دلیل هواپیماها برای جبران این موضوع از سیستم‌های توربوشارژ استفاده می‌کنند. درون کابین هواپیما، نیز سیستم‌های تنظیم فشار وجود دارد تا از بروز عوارضی مانند انسداد گوش و ناراحتی‌های تنفسی برای مسافران جلوگیری شود. 

 

تغییرات فشار هوا بر بدن انسان اثرات متفاوتی دارد. به عنوان مثال، تغییرات سریع در فشار هوا (مانند هنگام بلند شدن یا فرود آمدن هواپیما) ممکن است باعث انسداد گوش و احساس ناراحتی در سیستم شنوایی شود. این وضعیت به دلیل تفاوت فشار در داخل و خارج گوش میانی به وجود می‌آید و معمولاً با بلعیدن یا خمیازه کشیدن برطرف می‌شود. همچنین، در ارتفاعات بالاتر، به دلیل کاهش فشار، اکسیژن کمتری به بافت‌های بدن می‌رسد که ممکن است به بیماری ارتفاع منجر شود. این وضعیت می‌تواند باعث سرگیجه، تهوع، و حتی از دست دادن هوشیاری در افراد حساس شود.

 

فشار هوا در طول تاریخ منجر به کشفیات و داستان‌های علمی بسیاری شده است. از اختراع بارومتر توسط دانشمند ایتالیایی اوانسلو توریچلی در قرن هفدهم، تا توسعه مدل‌های پیش‌بینی آب و هوایی مدرن، مطالعه فشار هوا به ما در شناخت بهتر جو و تغییرات آب و هوایی کمک کرده است. یکی از پدیده‌های جالب فشار هوا در شکل‌گیری طوفان‌ها و گردبادها است. در این رویدادها، سیستم‌های فشار پایین شدید به سرعت هوای اطراف را به داخل خود جذب کرده و جریان‌های باد قوی و چرخشی ایجاد می‌کنند. این شرایط نه تنها تأثیرات طبیعی قابل توجهی به جا می‌گذارد، بلکه نشان‌دهنده قدرت فشار هوا در شکل‌دهی به شرایط جوی مختلف است.

 

 

فشار هوا به طور معمول با استفاده از ابزارهایی به نام بارومتر اندازه‌گیری می‌شود. این دستگاه‌ها از زمان‌های دور برای اندازه‌گیری فشار هوای محیط به کار رفته‌اند. بارومترها اولین بار در قرن هفدهم توسط دانشمند ایتالیایی اوآنسلو توریچلی اختراع شدند و به مرور زمان تکامل یافته‌اند. هدف اصلی این دستگاه‌ها همچنان همان است که در ابتدا بود: اندازه‌گیری وزن یا فشار هوا. بارومترها به طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند: بارومتر جیوه‌ای و بارومتر آنروید (که به نام فشارسنج‌های بدون مایع نیز شناخته می‌شوند).

در بارومتر جیوه‌ای، سطح جیوه در یک لوله بلند شیشه‌ای با یک انتهای باز قرار دارد. وقتی فشار هوا تغییر می‌کند، سطح جیوه در لوله بالا یا پایین می‌رود و این تغییر سطح به عنوان اندازه‌گیری فشار هوا در نظر گرفته می‌شود. واحدهای معمول برای اندازه‌گیری فشار هوا میلی‌بار یا پاسکال (Pa) هستند.

فشارسنج چیست و چگونه کار می‌کند؟

فشارسنج (که به انگلیسی Barometer نامیده می‌شود) دستگاهی است که برای اندازه‌گیری فشار هوا یا فشار جو به کار می‌رود. فشار، به معنای نیرویی است که به طور عمودی بر واحد سطح وارد می‌شود. برای مثال، وزن هوای موجود در هر متر مربع از سطح زمین تقریباً معادل ۱۰،۰۰۰ کیلوگرم است. بنابراین، فشار هوا به‌طور مستقیم با وزن هوای موجود در جو مرتبط است. این فشار به صورت نیرویی وارد بر سطوح مختلف، از جمله بدن انسان و اجسام، احساس می‌شود.

فشارسنج‌ها معمولاً از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند. یکی از مدل‌های رایج، فشارسنج آنروید است که در آن از یک قوطی فلزی استفاده می‌شود که به طور محکم بسته شده است و در داخل آن هوا قرار دارد. زمانی که فشار هوا تغییر می‌کند، قوطی فلزی به دلیل تغییرات فشار هوا به سمت داخل یا خارج حرکت می‌کند. حرکت این قوطی با کمک اهرم‌ها به یک عقربه منتقل می‌شود که به طور دقیق تغییرات فشار را بر روی صفحه‌ای مدرج نشان می‌دهد.

در بارومترهای جیوه‌ای، یک لوله شیشه‌ای بلند با جیوه پر شده است. یک انتهای این لوله در یک ظرف پر از جیوه قرار دارد و انتهای دیگر لوله باز است. تغییرات فشار هوا باعث می‌شود که سطح جیوه در داخل لوله بالا یا پایین برود. در این سیستم، فشار هوای بیشتر باعث بالا رفتن سطح جیوه و فشار هوای کمتر باعث پایین رفتن آن می‌شود. این تغییرات توسط یک مقیاس اندازه‌گیری نشان داده می‌شود.

در نتیجه، فشارسنج‌ها ابزارهایی حیاتی برای اندازه‌گیری تغییرات فشار جو و پیش‌بینی وضعیت آب و هوایی هستند. آنها نه تنها در پژوهش‌های علمی بلکه در کاربردهای مختلف صنعتی، کشاورزی، هوانوردی و حتی در پیش‌بینی طوفان‌ها و دیگر پدیده‌های جوی مورد استفاده قرار می‌گیرند.