قانون الضغط الجوي

بواسطة: - آخر تحديث: ٠٦:١٣ ، ١ أكتوبر ٢٠١٩
قانون الضغط الجوي

الغلاف الجوي

الغلاف الجوي هو كل ما يحيط بكوكب الأرض من غازات متنوعة مثل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين، وتبقى هذه الغازات قريبة من الغلاف الجوي بفعل الجاذبية الأرضية، كما يقوم الغلاف الجوي على حماية كوكب الأرض من الأشعة الضارة الصادرة من الشمس مثل الأشعة فوق البنفسجية والحفاظ على درجات الحرارة المعتدلة لكوكب الأرض، وبسبب الكم الهائل من الغازات الموجودة في الغلاف الجوي فإنه سوف يكون لها وزن يؤثر على كوكب الأرض وتُسبّب في حدوث ما يُسمى بالضغط الجوي سواء بالزيادة أو النقصان، وفي هذا المقال سيتم الحديث عن قانون الضغط الجوي وكيفية حسابه.[١]

مفهوم الضغط الجوي

يُعدّ مفهوم الضغط الجوي من المفاهيم الأساسية لدراسة مناخ كوكب الأرض وتحديد الطقس في المناطق المحتلفة على كوكب الأرض، ويمكن تعريف الضغط الجوي بأنه وزن عمود الهواء على منطقة معينة فوق سطح الأرض أو داخل الغلاف الجوي للأرض، والذي يعتمد على كمية الغازات الموجودة في الغلاف الجوي وطريقة توزيعها والتي تعتمد على الجاذبية الأرضية لكوكب الأرض، وقد قام علماء الجيولوجيا بدراسة الضغط الجوي ورسم الخرائط المناخيّة التي تُوضّح توزيعات الضغط الجوي على كوكب الأرض على شكل خطوط منحنية بحيث يكون الضغط بنفس القيمة على كل نقاط الخط ومختلف من خط إلى آخر، بحيث يكون هناك مناطق للضغط المنخفض يُرمز لها بالرمز L ومناطق يكون الضغط الجوي مرتفع ويرمز لها بالرمز H، ولتسهيل تحديد مراكز الضغط الدائمة على كوكب الأرض، وحسب المناخ السائد في منطقة معينة حول كوكب الأرض يكون الضغط الجوي مختلفًا فالمناطق المدارية يكون الضغط الجوي فيها عاليًا والمناطق القطبية يكون الضغط الجوي فيها منخفضًا، وقد اجتهد العلماء في وضع قانون الضغط الجوي واختراع الأجهزة التي تقيس قيمة الضغط الجوي.[٢]

تاريخ اكتشاف الضغط الجوي

ترجع فكرة اكتشاف مفهوم الضغط الجوي ووضع قانون الضغط الجوي إلى بداية القرن السابع عشر في إيطاليا حيث لم يستطع العلماء بناء مضخة شفط لرفع الماء إلى أعلى ارتفاع ومقداره 10 أمتار، وبدأت التجارب والمناقشات حول السبب في ذلك، وكان أول من قام بصنع جهاز لقياس ما حدث هو العالم تورسيلي حيث قام بملء أنبوب زجاجي بالزئبق وإغلاق أحد طرفيه وقلبه في وعاء مملوء بالزئبق، ولاحظ وجود فراغ في أعلى الأنبوب فاستنتج أن عمود الزئبق يضغط عليه الهواء، وأن مستوى ارتفاع الزئبق في الأنبوب يتغير مع درجة الحرارة، وبدأ العلماء بإكمال التجارب والتأكد مما وصل إليه تورسيلي مثل العالم باسكال الذي قام بتكرار التجربة على ارتفاعات مختلفة والتاكيد على أن الهواء له وزن ويمكن أن يُسبب في حدوث الضغط، وقد تم تسمية الجهاز الفيزيائي المُخترع باسم الباروميتر الذي يمكن من خلاله قياس قيمة الضغط الجوي ومنه تم وضع قانون الضغط الجوي.[٣]

قانون الضغط الجوي

عند قياس الضغط الجوي يتم قياسه عند مستوى سطح البحر كوضع معياري لقانون الضغط الجوي، حيث يتم تقريب قيمة الضغط الجوي عن طريق حساب قيمة الضغط الهيدروستاتيكي الذي ينتج بسبب وزن عمود الهواء فوق نقطة معينة مأخوذة للقياس، وعلى اعتبار أن الغاز الموجود في الغلاف الجوي عبارة عن سائل وبالتالي يتم حساب ضغط السائل بدلًا من ضغط الهواء، وباستخدام قانون الضغط الجوي الذي يعتمد على ارتفاع الضغط الجوي وكثافة الهواء ومقدار قيمة تسارع الجاذبية الأرضية، يمكن كتابة الصيغة الرياضيّة لقانون الضغط الجوي كما يأتي: P = ∂gh، حيث ترمز ∂ إلى كثافة الهواء، والرمز g إلى تسارع الجاذبية، و الرمز h إلى ارتفاع الغلاف الجوي وبسبب عدم وجود ارتفاع ثابت للهواء يتم قياس ارتفاع عمود الزئبق بدلًا من عمود الهواء، كما يمكن استخدام الصيغة البارومترية لحساب الضغط الجوي باستخدام الزئبق وتعويض قيمة كثافة الزئبق بدلًا من كثافة الهواء في قانون الضغط الجوي وتعويض قيمة طول عمود الزئبق بدلًا من ارتفاع عمود الهواء، ويمكن حساب قيمة الضغط الجوي باستخدام قانون الضغط الجوي بوحدات مختلفة سيتم ذكرها لاحقًا، والوحدة الأشهر الناتجة عن تطبيق قانون الضغط هي الباسكال نسبةً إلى العالم باسكال الذي درس الضغط الجوي ووضع قانون الضغط، كما يمكن استخدام قانون الضغط الجوي بالصيغة البارومترية للتنبؤ بقيمة الضغط الجوي على الارتفاعات المختلفة، وهذه الصيغة البارومترية للضغط الجوي هي كما يأتي:[٤]Ph = P0e-m*g*h/k*T والرموز التي في المعادلة ترمز إلى ما يأتي:

  • p0 يرمز إلى الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر ويساوي 1013.25 مليبار.
  • m يرمز إلى كتلة جزيء الهواء الواحد.
  • g يرمز إلى تسارع الجاذبيّة الأرضيّة.
  • k يرمز إلى ثابت بولتزمان.
  • t يرمز إلى درجة الحرارة.

وحدات قياس الضغط الجوي

يمكن قياس الضغط الجوي باستخدام قانون الضغط الجوي بالعديد من وحدات القياس المختلفة ولكن باستخدام نفس القانون، حسب المنطقة المُستخدم فيها مقياس الضغط الجوي، ولكن يمكن التحويل بين وحدات قياس الضغط الجوي المختلفة لمعرفة ما تساوي هذه الوحدة بالوحدات الأخرى، ويمكن قياس الضغط الجوي بأحد وحدات القياس كما يأتي:[٥]

  • بوصة من الزئبق واختصارها inHg: والتي تُستخدم بشكل أساسي في الولايات المتحدة الأمريكية.
  • المليبار واختصارها mb: والتي تُستخدم من قبل خبراء علم الطقس.
  • الباسكال واختصارها Pa: وهي وحدة الضغط بشكل عام وتُستخدم في جميع أنحاء العالم.
  • وحدة الضغط الجوي Atm: وهي تُعبّر عن ضغط الهواء عند مستوى سطح البحر عند درجة حرارة 15 درجة مئوية.
  • الصيغة الرياضية للتحويل كما يأتي: 29.9 زئبقي = 1.0 وحدة ضغط جوي = 101325 باسكال = 1013.25 مليبار.

أجهزة قياس الضغط الجوي

يوجد عدة أنواع من أجهزة قياس الضغط الجوي أو ما تُسمى بالباروميتر والتي يستخدمها العديد من علماء الطقس لقياس قيمة الضغط الجوي باستخدام قانون الضغط الجوي ورسم الخرائط الجيولوجية بناءً على ما تقيسه هذه الأجهزة، ويوجد نوعين رئيسين من أجهزة قياس الضغط الجوي في محطات الأرصاد الجوية المختلفة وهي كما يأتي:[٥]

  • الباروميتر الزئبقي الكلاسيكي: وهو عبارة عن أنبوب زجاجي طوله 3 أقدام مفتوح من جهة ومغلق من الجهة الأخرى ومملوء بالزئبق داخل وعاء، ويتغير مستوى الزئبق في الأنبوب حتى يتناسب مع وزن الهواء فوق الوعاء، وبذلك يتم الحصول على قيمة الضغط الجوي من خلال قيمة ارتفاع الزئبق في الأنبوب.
  • الباروميتر المعدني: تم اختراعه من قبل العالم لوسيان فيدي، وهو عبارة عن صندوق معدني صغير يتم ضخ الهواء فيه، وأي تغيير في ضغط الهواء الخارجي يؤدي إلى تمدد أو تقلص المعدن، والتي بدورها تعمل على تحريك إبرة تُعطي قراءة لقيمة الضغط الجوي بما يتناسب مع قانون الضغط الجوي، ويُستخدم هذا النوع من الباروميتر في المنازل والطائرات الصغيرة.
  • تطبيقات الهواتف الذكية: تحتوي برامج تشغيل الهواتف الذكية على مقياس رقمي يعمل على مبدأ الاستشعار للإحساس بقيمة الضغط الجوي مثل خدمة تحديد المواقع العالمي الذي يستطيع تحديد الارتفاع الموجود فيه الهاتف، وكذلك برامج الطقس ودرجات الحرارة والضغط الجوي.

العوامل المؤثرة على الضغط الجوي

تتأثر قيمة الضغط الجوي التي يمكن قياسها بعدة عوامل تعتمد على طبيعة المناخ في المنطقة وحركة الرياح وغيرها الكثير، والتي يأخذها بعين الاعتبار المهتمين بالأرصاد الجوية والمُعدّين للخرائط الجوية اليومية، حيث تختلف القراءات لقيمة الضغط الجوي من مكان إلى آخر ومن توقيت إلى آخر بناءً على عوامل متعددة يمكن ذكرها بنقاط كما يأتي:[٦]

  • الارتفاع: والعلاقة عكسيّة بين قيمة الضغط الجوي والارتفاع، فكلما زاد الارتفاع قل الضغط الجوي وكلما قل الارتفاع زاد الضغط الجوي، فقيمة الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر أكبر من قيمة الضغط الجوي فوق قمم الجبال، وذلك بسبب قلة وزن عمود الهواء الموجود فوق المنطقة.
  • درجة الحرارة: والعلاقة طردية بين الضغط الجوي ودرجة حرارة المنطقة، فكلما زادت درجات الحرارة زادت قيمة الضغط الجوي وكلما نقصت درجات الحرارة قل الضغط الجوي.
  • الرطوبة: تُعامل الرطوبة كمعاملة درجات الحرارة، فارتفاع الرطوبة يتسبب في زيادة وزن عمود الهواء وبالتالي زيادة قيمة الضغط الجوي، وانخفاض الرطوبة يتسبب في انخفاض قيمة الضغط الجوي.
  • الغوص في الأعماق: فالضغط الجوي في البحار والمحيطات يزيد عن الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر، فالغواص الذي يتواجد في أعماق البحر سيتعرض لضغط الماء والضغط الجوي معًا، فيكون قياس الضغط الجوي أكبر بكثير.
  • كتلة الهواء: حيث يعتمد قانون الضغط الجوي على كتلة الهواء الموجودة فوق سطح الأرض، وكلما قلت هذه كتلة الهواء قل الضغط الجوي وكلما زادت كتلة الهواء زاد الضغط الجوي، والتي يمكن تغييرها بتغير حالة الطقس.
  • الرياح: يرتبط الضغط الجوي بالرياح ارتباطًا وثيقًا، فوجود الرياح في المنطقة يُقلل من قراءة الضغط الجوي ويعمل على توزيع الضغط الجوي إلى أماكن أخرى مختلفة، فالعلاقة طردية بينهما.

تأثير الضغط الجوي على الإنسان

تُؤثر قيمة الضغط الجوي في المناطق المختلفة على الإنسان والحيوانات، ويمكن أن تُسبّب في حدوث مشاكل صحيّة خاصةً في الجهاز التنفسي للإنسان وللحيوانات، وذلك لأن الضغط الجوي يؤثر بشكل كبير على طريقة تبادل غاز الأكسجين وغاز ثاني أكسيد الكربون التي تحدث أثناء عملية التنفس، ولأن كل غاز من الغازات الموجودة في الغلاف الجوي يُسبب في قيمة معينة من الضغط فإن الضغط الجوي هو عبارة عن مجموع الضغوط التي يُسببها كل غاز على حده، وعندما يتنفس الإنسان أو الحيوان فإن غاز الأكسجين ينتقل من البيئة المحيطة للكائن الحي عبر الجهاز التنفسي إلى داخل أجسام الكائنات الحية، ثم يخرج غاز ثاني أكسيد الكربون من داخل أجسامهم إلى البيئة المحيطة بهم، حيث يتحرك كل غاز حسب الضغط الجزئي له من مساحة أكبر إلى ضغط جزئي أقل بسبب الفرق في الضغط بين الجهاز التنفسي والبيئة المحيطة بالجسم، ففي المناطق التي يكون فيها الضغط الجوي منخفض يكون الضغط الجزئي لغاز الأكسجين منخفض أيضًا، وبالتالي يكون فرق الضغط الجزئي لغاز الأكسجين منخفض أيضًا، فتكون كمية الأكسجين التي يحصل عليها الكائن الحي منخفضة عندما يتنفس، بالاعتماد على قانون الضغط الجوي، ولهذا السبب يحمل الإنسان عبوات للأكسجين عند صعوده إلى المناطق العالية جدًا، ومن الممكن أن يتأقلم البشر مع كميات الأكسجين المنخفضة في المناطق الجبلية، كما أن هناك بعض الحيوانات تتكيف مع نقص الضغط الجوي مثل حيوان اللاما والطيور التي تمتلك رئة قوية.[٧]

مناطق الضغط الجوي المرتفع والمنخفض

تم تسجيل أعلى ضغط جوي باستخدام الجهاز البارومتري الزئبقي في منغوليا في يوم 19 من شهر ديسمبر من عام 2001م والتي ترتفع عن مستوى سطح البحر بحوالي 750 مترًا، وقد كانت قيمة الضغط الجوي بناءً على قانون الضغط الجوي تساوي 1084.8 باسكال أو ما يعادل 32.03 بوصة من الزئبق، وقد كان أعلى ضغط جوي مُسجّل سابقًا في منطقة أجاتا في روسيا عام 1968م ولكن ارتفاع هذه المنطقة أقل من 750م بقيمة 1083.8 باسكال أو 32.005 بوصة من الزئبق، أما عن أقل ضغط جوي تم تسجيله في منطقة غرب المحيط الهادي في 12 من شهر أكتوبر من عام 1979م، والذي بلغت قيمته 870 باسكال أو 25.69 بوصة من الزئبق، أما في منطقة البحر الميت في الأردن والتي هي أخفض بقعة على الأرض حيث تنخفض بمقدار 430 مترًا تحت مستوى سطح البحر، فإن قيمة الضغط الجوي هناك هي 1065 باسكال وهو ضغط جوي مثالي على الرغم من انخفاض المنطقة الكبير.[٦]

عمل تجربة لقياس الضغط الجوي

يمكن قياس قيمة الضغط الجوي عن طريق التطبيق على قانون الضغط الجوي وحساب قيمته، كما يمكن إجراء التجارب العلميّة للتأكد من أن الهواء له قوة يؤثر بها على الأشياء وتعمل على تكوين الضغط الجوي، ويمكن ملاحظة أن الهواء المضغوط يمتلك قوة من خلال التجربة، ومن التجارب التي يمكن القيام بها ما يأتي:[٨]

  • تجربة انفجار الكتاب: في هذه التجربة يتم وضع 3 كتب فوق بعضها البعض فوق كيس بلاستكي قوي، ثم النفخ داخل الكيس من خلال فتحته الصغيرة وملاحظة أن الهواء الذي بداخل الكيس يعمل على رفع الكتب من خلال قوة الهواء المضغوط.
  • تجربة عمل الإعصار: في هذه التجربة يتم ملء وعاء زجاجي إلى ثُلثيه بالماء، ثم إضافة قطرات من ملوّن الطعام في الماء، ثم إضافة كمية صغيرة من الصابون السائل والخل في الماء، وإغلاق الوعاء جيدًا، ثم رج الوعاء بشكل جيد وتحريكه ولاحظة الدوامة التي تُشبه الإعصار.
  • تجربة الماء غير القابل للسكب: يتم ملء كوب زجاجي بالماء بالكامل، ثم وضع بطاقة فوق كوب الماء والضغط عليها لأسفل للتأكد من التصاقها بطرف الكوب، ثم قلب الكوب مع ترك البطاقة وملاحظة أن البطاقة تبقى في مكانها والماء في الكوب، وذلك لأن قوة ضغط الهواء للبطاقة أكبر من قوة جاذبيتها للماء.
  • تجربة ثني العلبة: يتم ملء علبة صودا فارغة بالماء إلى نصفها ثم وضعها على النار حتى تبدأ بالغليان وخروج البخار، ثم إبعاد العلبة عن النار ووضعها في صندوق مليء بالماء المُثلّج بالمقلوب وملاحظة كيف تنكمش العلبة وهي تبرد بسبب اختلاف ضغط الهواء خارج وداخل العلبة.

المراجع[+]

  1. "Atmosphere of Earth", www.en.wikipedia.org, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  2. "Atmospheric pressure", www.britannica.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  3. "Barometers", www.encyclopedia.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  4. "How to Calculate Atmospheric Pressure", www.sciencing.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  5. ^ أ ب "How a Barometer Works and Helps Forecast Weather", www.thoughtco.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  6. ^ أ ب "Atmospheric pressure ", www.wikiwand.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  7. "biosphere", www.britannica.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  8. "Science Projects for Kids: Air Pressure", www.howstuffworks.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.