LUCHTDRUK
Onze aarde wordt omgeven door een gasvormig omhulsel die dampkring wordt genoemd. De dikte van deze dampkring of atmosfeer variëert maar bedraagt omstreeks 800 km. Daarboven gaat men geleidelijk over in de interplanetaire ruimte. In deze dampkring of atmosfeer vinden we een mengsel van verscheidene gassen die naar gelang de hoogte in verschillende concentraties voorkomen. Deze mengsels van gassen wordt binnen de dampkring gehouden dankzij de aantrekkingskracht van de aarde, een onmisbare kracht waar we niet buiten kunnen aangezien in dat geval leven door het ontbreken van zuurstof en stikstof niet mogelijk was geweest. Hoe dichter men bij het aardoppervlak komt, hoe groter deze schijnbare magnetische kracht is.
Wat is luchtdruk?
Dankzij
de aantrekkingskracht worden de meeste gasmoleculen en die het zwaarste
zijn, het dichtst bij de aarde gehouden. De helft van alle moleculen
binnen de dampkring vinden we ongeveer in de onderste luchtlaag van 5,5
km dik. De overige helft van de moleculen bevinden zich dus in de veel
dikkere laag erboven. Hoe verder we van de aarde af bewegen, hoe minder
moleculen we per m3 zullen vinden. Dat merken we zelf al als we de
bergen intrekken. Als we vrij hoog zitten, weten we dat de lucht ijler
(dunner) wordt. De hoeveelheid zuurstof neemt tegelijkertijd af zodat
we meer moeite moeten doen om de gewenste hoeveelheid zuurstof te
kunnen inademen.
Lucht is het mengsel van gassen welke we vooral in de troposfeer
tegenkomen, de onderste laag van de dampkring van 12-16 km dik alwaar
het weer zich afspeelt en waar zich ruim 90% van onze lucht bevindt. De
deeltjes die zich onderin deze laag bevinden, botsen regelmatig tegen
het aardoppervlak. Gezamelijk oefenen ze een kracht uit die we per m2
kunnen berekenen. De kracht die we in Newton per m2 uitdrukken is
afhankelijk van de hoeveelheid luchtmoleculen wat weer het aantal
botsingen zal bepalen. Het aantal moleculen hangt weer af van de hoogte
en de temperatuur. Anders gezegd: is de lucht warmer dan zullen er
minder luchtmoleculen in één m3 bevinden en oefenen ze totaal minder
kracht uit op een vlak van 1 m2. Dat klopt ook. Warmere lucht is
lichter dan koudere lucht zodat ook de luchtdruk i.h.a. in een warmere
luchtlaag lager is dan in een koudere luchtlaag.
De luchtdruk wordt binnen de meteorologie in Hectopascal uitgedrukt,
voorheen was de eenheid millibar of millimeter kwikdruk. Evangelista
Toricelli ontwierp in 1673 de buis van Toricelli en ondekte dat de
lengte van de kwikkolom in de glazen buis per dag verschilde. Deze buis
was 1 meter lang en had een oppervlakte van 1 cm2.
Even een voorbeeld:
We gaan uit van een bui gevuld met kwik die omgekeerd in een bak met
kwik staat en waarop de totale luchtkolom met haar gewicht een bepaalde
kracht en dus ook een luchtdruk uitoefent.
We berekenen de druk die door een kolom lucht op 1 cm kwik wordt
uitgeoefend:
1 cm = 0,01 m; dichtheid kwik (Hg) = 13.600 kg/m3;
zwaartekrachtversnelling = gemiddeld 9,8 kg.m/sec2.m2
kracht volume
x dichtheid x
zwaartekrachtversnelling 0,01
x 13.600 x 9,8
druk = ---------------- =
-------------------------------------------------------------------------- =
---------------------------- = 1332,8
Pascal
oppervlakte 1
m2
1
Binnen de meteorologie rekenen we liever niet met Pascal, de officiële
eenheid voor druk, maar met de Hectopascal (hPa) hetgeen overeenkomt
met de vertrouwde millibar. Een druk van 1332,8 Pascal komt dan overeen
met 13,33 hPa (afgerond).
Een drukstijging van 13,33 hPa zal dus in de buis het kwik met 1 cm
laten stijgen.
Op deze wijze kan men ook uitrekenen dat een kubus van 1 m3 lucht met
een dichtheid van 1,2 kg/m3 een kracht van 11,8 Newton op een
oppervlakte van 1 m2 uitoefent. Echter neemt het aantal moleculen lucht
per m3 met de hoogte af zodat dus ook de dichtheid van lucht met de
hoogte afneemt en ook nog eens van de temperatuur afhangt.
Gemiddeld oefent de totale luchtkolom vanaf de rand van de dampkring op
ons aardoppervlak een kracht van 101.300 Newton per m2 uit, wat overeen
komt met de massa van 10.336,7 kg (een flinke 10-tonner vrachtauto dus).
Hoogte,
luchtdruk, luchtdichtheid en temperatuur (volgens
ICAO Standaard Atmosfeer)
|
Hoogte
in meters |
Hoogte
in feet |
Luchtdruk
hPa |
Dichtheid
kg/m3 |
Temperatuur
°C |
|
0
|
0
|
1013,3
|
1,2250
|
15,0
|
|
500
|
1640
|
954,6
|
1,1673
|
11,8
|
|
1000
|
3281
|
898,6
|
1,1116
|
8,5
|
|
1500
|
4921
|
845,6
|
1,0581
|
5,3
|
|
2000
|
6562
|
795,0
|
1,0065
|
2,0
|
|
2500
|
8202
|
746,8
|
0,9569
|
-1,3
|
|
3000
|
9843
|
701,1
|
0,9091
|
-4,5
|
|
5000
|
16404
|
540,2
|
0,7361
|
-17,5
|
|
10000
|
32808
|
264,4
|
0,4127
|
-50,0
|
|
15000
|
49213
|
120,5
|
0,1937
|
-56,5
|
|
20000
|
65617
|
54,8
|
0,0880
|
-56,5
|
|
30000
|
98425
|
11,7
|
0,0180
|
-46,5
|
Hoe meten we de luchtdruk?
De luchtdruk wordt gemeten met
een barometer. Baro is Latijn voor druk. Behalve de reeds besproken buis
van Toricelli, de eigenlijke kwikbarometer, kan de luchtdruk
ook met een aneroïde barometer en eendigitale quartz barometer worden
gemeten. Met de laatste soort wordt tegenwoordig op de modern
toegeruste weerstations gemeten. Dit principe werkt met een
kristalbandje die in verbinding staat met een balg die weer in indirect
contact met de buitenlucht staat. Gemeten wordt de frequentie die
voortkomt uit de kracht die op het kristalbandje staat en een functie
is van de heersende luchtdruk.
De aneroïde
barometer werkt
d.m.v. het doosje van Vidi. Het doosje is nagenoeg luchtledig en wordt
bij een hogere luchtdruk meer samengedrukt. De mate van samendrukking
van dit doosje wordt overgebracht op een wijzer. Ook de oudere
barograaf werkte dikwijls op dezelfde manier.
Doorsnede
atmosfeer .... ontleend aan de Grote Encyclopedie
>>>
Hoe gebruiken we het?
De luchtdruk is van groot belang voor de weerkundige. Alle beschikbare
metingen geven op deze wijze een goed beeld van de algemeen heersende
drukverdeling op aarde. De meteoroloog kan zo de verschillende
druksystemen (hoge- en lagedrukgebieden) onderscheiden. De ligging van
deze systemen geven inzicht op de heersende en te verwachten
windrichting.
De onderlinge luchtdrukverschillen over een bepaalde afstand zijn weer
een maat voor de windsnelheid.
Ook voor de luchtvaart is de luchtdruk belangrijk. Piloten stellen op
een bepaalde hoogte boven het vliegveld de hoogtemeters aan de hand van
de heersende luchtdruk in (de QNH). Boven de
zogenaamde transition
levelmoet op de QNE
of SAS (Standaard
Altimeter Setting) van 1013,25 hPa zijn overgegaan. In Nederland ligt
dit level meestal op 4000 of 4500 voet (1219 of 1372 m).
Deze waarde van 1013,25 hPa geeft de druk op gemiddeld zeeniveau aan
zoals deze volgens de ICAO
standaardatmosfeer (ISA)
is bepaald. Deze standaardatmosfeer geeft voor elke hoogte tot 32 km
een vaste waarde voor de luchtdruk (zie tabel boven). Er wordt dan geen
rekening gehouden met de werkelijke temperatuur van de luchtlagen.
Aangezien elk vliegtuig op deze standaardatmosfeer vliegt, zijn de
afwijkingen t.o.v. de werkelijke atmosfeer nagenoeg hetzelfde. In
werkelijkheid vliegt een piloot bij een warmere atmosfeer hoger en bij
een koudere atmosfeer lager dan zijn hoogtemeter aangeeft.
Conversie
en eenheden van luchtdruk
1 mbar = 1hPa = 0,75 mm kwikdruk
1 hPa = 0,02953 inches kwikdruk (inches zijn vooral nog in Amerikaanse
landen in gebruik)
1 inch = 33,864 hPa
.