3.2. Légnyomás

A levegő nyomása az az erő, amelyet az adott sűrűségű és hőmérsékletű levegő gyakorol a vele érintkező felületre. Statikus esetben a légnyomás a légkör tetszőleges pontjában a pont fölött elhelyezkedő (a légkör külső határáig terjedő) légoszlop súlya. (Minél magasabbra haladunk a légkörben egy adott pont felett, annál kisebb lesz a légnyomás, hiszen egyre kevesebb levegőrészecske súlya nehezedik egységnyi felületre.)

3.2.1. A légnyomás mértékegységei

A légnyomás mértékegysége a Pascal (Pa):

1 Pa = 1 N/m2

A meteorológiai gyakorlatban elfogadott a hektopascal (hPa) használata is:

1 hPa = 100 Pa.

A légnyomás felírható az alábbi egyenlettel:

,

(3-6)

ahol ρ a sűrűség, g a nehézségi gyorsulás, h pedig a magasság. Toricelli higanykádas kísérlete alapján a higany sűrűségét, a légnyomással egyensúlyt tartó higanyoszlop átlagos magasságát, valamint a nehézségi gyorsulást tengerszintre, 45° földrajzi szélességre és 0 °C-ra vonatkoztatva a következőt kapjuk:

,

(3-7)

amit standard légköri nyomásnak hívunk.

Egyéb, légnyomás mértékegységek a következők:

  • 1 bar = 100 000 Pa,

  • 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa,

  • 1 mmHg (higany milliméter) = 133 Pa

  • 1 torr = 133 Pa

  • 1 atm = 101325 Pa

3.2.2. A légnyomás mérése

A légnyomás mérése különböző légnyomásmérőkkel (barométerekkel) történhet. Ezek lehetnek folyadékbarométerek (3.13. ábra), aneroid barométerek (3.14. ábra), vagy elektromos barométerek (3.15. ábra).

A felszíni mérésekkel kapcsolatos követelmények (WMO, 2008):

  • mérési tartomány: 500–1080 hPa,

  • pontosság: 10 Pa.

Folyadékbarométer

3.13. ábra: Folyadékbarométer

Aneroid barométer

3.14. ábra: Aneroid barométer

Elektromos barométer

3.15. ábra: Elektromos barométer (Vaisala PTB210)

3.2.2.1. Folyadékbarométerek (higanyos barométerek)

A higanyos barométerek szerkezete egy felül zárt, alul nyitott cső, amely egy folyadékkal töltött csészébe merül. A csőben levő folyadék abban a magasságban állapodik meg, amennyivel a légnyomás egyensúlyt tud tartani. A higany azért a legmegfelelőbb anyag a folyadékos légnyomásmérőkben, mert

  • nagy a fajsúlya (kis mennyiség is elég a légnyomás ellensúlyozására, víz esetén több mint 10 méteres csőre lenne szükség),

  • párolgása normál hőmérsékleti értékek mellett csekély más folyadékokhoz képest, ezért gőzei alig befolyásolják a mérőcső légüres terét,

  • nem tapad az üvegfalhoz (a higany felszínének domború meniszkusza van).

a.) Gay-Lussac-féle (szifon) barométer:

Ez a barométertípus egy alul U alakban meghajlított cső, melynek egyik ága zárt, a másik ága a nyitott. Mindkét ág egy-egy tartályban kiszélesesedik, ahol a higanyszint változhat. A tartály a nyitott ágban alacsonyabban, a zárt ágban magasabban van. A higanyszint magasságát leolvassuk a felső, illetve alsó tartály mellett elhelyezett skálán is. A légnyomást a kettő különbsége adja. Pontos mérés végezhető vele, de körülményes. Más barométerek hitelesítésére használják.

b.) Körtés (fix ciszternás) barométer:

Egyszerűbb, mint a Gay-Lussac-féle barométer, de pontatlanabb. Ez is egy alul U alakban hajlított cső, de a higanyszint változását csak a felső, vékony csőben olvassuk le, elhanyagolva az alsó, nagy felületű tartályban bekövetkezett szintváltozást (a nagy felület miatt itt ugyanis csak kis mértékben változik a higany szintje. A mérési hiba attól függ, hogy mekkora a barométercső és a körte keresztmetszetének aránya. (ha pl. 1:100 az arány, 10 mm süllyedés 0,1 mm emelkedést okoz a körtében, tehát 1%-os lesz a hiba)

c.) Fortin-féle barométer:

Ezzel a típussal pontosabb mérés végezhető, mint a ciszternás barométerrel. A körte helyett alul egy bőrzsák található, aminek magassága egy csavarral állítható. Az edény felső részéből egy elefántcsont tüske lóg a higany felszíne felé. A mérés kezdetekor a bőrzsák helyzetét addig kell változtatni, hogy a tüske épp érintse a higany felszínét. Ezzel megtörténik a higany szint nullára állítása. Ezután más csak a felső higany szintet kell leolvasni a skálán (3.16. ábra).

d.) Állomási (kompenzált) barométer:

A műszer készítésekor pontosan lemérik a barométer üvegcsövében és a higany tartályban elhelyezkedő higany keresztmetszetét. Ezekkel az adatokkal egy olyan kompenzált skálát szerkesztenek, amely már eleve figyelembe veszi az alsó higany szint változásait (3.17. ábra). Ezáltal könnyen kezelhetővé válik a műszer, mert csak egy értéket kell leolvasni és a mérés előtti szintezés is elkerülhető.

Fortin-féle barométer

3.16. ábra: Fortin-féle barométer

Állomási (kompenzált) barométer

3.17. ábra: Állomási (kompenzált) barométer

A légnyomásmérés során az állomási barométerekkel szemben támasztott követelmények:

  • a műszer pontossága időben ne változzon,

  • könnyen, gyorsan leolvasható legyen,

  • ne legyen érzékeny a szállításra,

  • a higany cső átmérője 8–9 mm legyen,

  • a higany hőmérsékletét mérő hőmérő a higannyal töltött belső csővel érintkezzék,

  • a higany meniszkusza ne legyen lapos,

A higanyos barométereket körültekintően kell az állomáson elhelyezni:

  • olyan helyiségben kell elhelyezni, ahol a hőmérséklet közel állandó,

  • a barométert közvetlen sugárzás nem érheti (fűtőtesttől, hőforrástól távol legyen),

  • rázkódástól mentes szilárd falon kell elhelyezni,

  • külön utasítások vonatkoznak a műszer szállítására, áthelyezésére.

A higanyos barométerek leolvasásának módszere:

  • először a barométer hőmérőjét kell leolvasni tized fokos pontosságban,

  • a műszer fémburkot gyengén meg kell kopogtatni, az esetleges tapadási megszüntetése céljából,

  • ezután a skála mellett található nóniuszus leolvasót kell beállítani (egész értékek, tizedek),

  • végül a higany szint leolvasható.

A nóniuszt a higany meniszkuszának tetejével kell egy szintre hozni. Ez adja a főosztályzatot (mm). A tizedmillimétert a nóniusznak az a rovátkája adja, amely éppen egybevág a főskála valamelyik értékével. Az így leolvasott érték lesz a nyers barométerállás.

A barométerek érzékeny műszerek. Pontos mérés végezhető velük, de annak érdekében, hogy a különböző helyeken, eltérő tengerszint feletti magasságokban végzett méréseket össze lehessen hasonlítani, a nyers barométerálláson különböző korrekciókra van szükség.

A nyers barométerállás korrekciói:

1.) Műszer korrekció:

A barométert törzsbarométerrel összehasonlítva meghatározható a műszerkorrekció. Ezt a barométerszekrényben kell kifüggeszteni.

2.) Hőmérsékleti korrekció:

A higanyszint magassága a hőmérséklet függvényében is változik, ezért hőmérsékleti korrekcióra van szükség (ez esetben 0 °C-ra redukálunk):

,

(3-8)

ahol t a léghőmérséklet Celsiusban, p pedig a 1.) pont szerint már korrigált légnyomásérték. A képlet azon alapul, hogy a használatos barométereknél 614 mmHg légnyomás mellett a redukciós mennyiség épp a barométer hőmérsékletének tizede. A gyakorlatban a hőmérsékleti

korrekció táblázat segítségével történik.

3.) Nehézségi korrekció:

A nehézségi erő a földrajzi szélesség függvényében, ill. a magassággal változik, ezért a barométerállást 45°, tengerszintre, és 9,80665 m s–2-ra redukáljuk. Ezt a szélesség és magasság szerint kettős korrekciót általában állomásonként egyesítve alkalmazzák. (Magyarországon a nehézségi korrekciót nem alkalmazzák külön, az a tengerszinti redukcióban veszik figyelembe).

Ezután a kapott értéket átszámítjuk hPa-ba.

4.) Műszerszinti és tengerszinti légnyomás kiszámítása:

Az előzőekben kapott érték a műszerszinti légnyomás. A tengerszintre redukált értéket úgy kapjuk, hogy a műszerszinti értékhez hozzáadjuk azt a mennyiséget, amit a barométer alatt a tenger szintjén mérnénk, ha a teret levegő töltené ki. A tengerszinti redukcióra az egyes országok különböző korrekciókat alkalmaznak (WMO, 1968). Magyarországon a tengerszinti nyomáskorrekció az alábbi képleten alapul:

,

(3-9)

ahol ps és p0 rendre az állomás szinti és a tengerszinti légnyomás, γ a függőleges hőmérsékleti gradiens, h a mérés tengerszint feletti magassága méterben, T0 a tengerszinti hőmérséklet, g a nehézségi gyorsulás, R pedig az száraz levegőre vonatkozó gázállandó (287,05 J kg–1 K–1).

Ha a mérés szintje 500 m tengerszint feletti magasság alatt történik, továbbá feltételezzük, hogy a gravitációs gyorsulás és a vertikális hőmérsékleti gradiens állandó (vagyis T0 = Ts+ γh, ahol Ts a hőmérséklet a mérés szintjén), akkor (3-9) egyenlet az alábbi módon írható:

,

(3-10)

ahol

.

(3-11)

A nedvesség hatását figyelembe vehetjük, ha a mérés helyén mért hőmérséklet helyett a virtuális hőmérséklettel számolunk. (A virtuális hőmérséklet az a Tv hőmérséklet, amelyen a száraz levegő izobárikusan az adott T hőmérsékletű, r keverési arányú nedves levegővel megegyező sűrűséget venne fel: Tv ≈ T (1+0,609r), a keverési arányt lásd később).

A gyakorlatban, a meteorológiai állomásokon a tengerszinti korrekció is táblázatok segítségével történik.

3.2.2.2. Elektromos barométerek

Az elektromos barométerek a mért mennyiséget valamilyen nyomás-függő elektromos paraméterré alakítják át. A mérést ez esetben is befolyásolja a hőmérséklet, az elhelyezés és az elmozdulás (különösen tengeri állomásokon), ezért ügyelni kell a megfelelő elhelyezésre. A pontosság növelése érdekében általában több érzékelőt is használnak a műszeren belül.

Az elektromos légnyomásmérők többféle elven működhetnek. Egyik típus a szilikon szenzor. Ez egy nagyon kis méterű érzékelő, egy félvezetőben egy kis üreget képeztek ki, melyet nagyon vékony szilikon réteggel vonnak be. Ennek a vékony szilikon rétegnek a vastagsága változik a nyomásváltozás hatására. E kis mértékű változás piezoellenállással mérhető. Ezen az elven működnek a hazai gyakorlatban elterjed Vaisala elektromos barométerek is (lásd 3.13. ábra).

3.2.2.3. Aneroid barométerek:

A különböző nyomású terek elválasztó falaira a nyomáskülönbség következtében erők hatnak. Ha az elválasztó fal rugalmas, akkor a magasabb nyomás felől benyomódik. A benyomódás mértéke arányos a levegő nyomásával. Ezen az elven alapulnak az aneroid barométerek (lásd 3.14. ábra). Az elektromos barométerek megjelenése előtt előnyük volt, hogy folyamatos mérésre is alkalmazhatók voltak légnyomásírókban (3.18. ábra). Régebben a magaslégköri méréseknél is aneroid barométereket használtak.

Barográf – légnyomásíró

3.18. ábra: Barográf – légnyomásíró. Vidi dobozos aneroid barométer

a.) Vidi dobozos aneroidok:

A doboz belsejéből kiszivattyúzzák a levegőt, a külső légnyomást pedig egy rugóval kompenzálják. A benyomódás mértéke megfelelő áttételekkel alkalmas regisztrátum készítésére. Az elmozdulás nagyságának növelése érdekében több vidi-dobozt (kapcsulát) kötnek sorba a légnyomásírókon (3.18. ábra).

b.) Bourdon-csöves aneroidok:

Elliptikus keresztmetszetű, ívelt cső, légmentesen leforrasztva. A külső és belső légnyomás viszonyának változásakor a cső görbülete megváltozik. Ez is köthető írószerkezethez.

3.2.2.4. Forráspontmérők (hipszométerek):

A folyadékok forrása (a folyékony fázisból gőzfázisba való átmenete) a nyomás függvényében más hőmérsékleten következik be. (Azon a hőmérsékleten, ahol az adott folyadék gőzének nyomása egyenlővé válik a légnyomással, e = P) Nagyon pontos hőmérséklet meghatározást igényel. A műszer egy különleges burkolatú forraló edényből áll, amelyből a keletkező gáz úgy távozhat, hogy keresztüláramlik egy téren, ahol nagyjából egyenletes a hőmérséklet. Ebbe a gőztérbe lóg be a hőmérő. Elsősorban alacsony nyomáson alkalmazható jól, mert ott egységnyi légnyomásváltozás egyre nagyobb forráspont-változással jár.