De mechanica van luchtdruk

Luchtdrukatmosferische druk of barometrische druk is de druk die over een oppervlak wordt uitgeoefend door het gewicht van een lucht massa (en zijn moleculen) erboven.

Luchtdruk is een moeilijk concept. Hoe kan iets onzichtbaars massa en gewicht hebben? Lucht heeft massa omdat het bestaat uit een mengsel van gassen die massa hebben. Tel het gewicht op van al deze gassen waaruit droge lucht bestaat (zuurstof, stikstof, kooldioxide, waterstof en andere) en je krijgt het gewicht van droge lucht.

Het molecuulgewicht of de molecuulmassa van droge lucht is 28,97 gram per mol. Hoewel dat niet erg veel is, bestaat een typische luchtmassa uit een ongelooflijk groot aantal luchtmoleculen. Als zodanig kun je beginnen te zien hoe lucht een aanzienlijk gewicht kan hebben wanneer de massa's van alle moleculen bij elkaar worden opgeteld.

Dus wat is het verband tussen moleculen en luchtdruk? Als het aantal luchtmoleculen boven een gebied toeneemt, zijn er meer moleculen om druk uit te oefenen op dat gebied en neemt de totale atmosferische druk toe. Dit is wat wij noemen

Luchtdruk is niet uniform over de hele aarde. Het varieert van 980 tot 1050 millibar en verandert met de hoogte. Hoe hoger de hoogte, hoe lager de luchtdruk. Dit komt omdat het aantal luchtmoleculen op grotere hoogte afneemt en dus afneemt luchtdichtheid en luchtdruk. De luchtdruk is het hoogst op zeeniveau, waar de luchtdichtheid het grootst is.

Er zijn 5 basisprincipes over luchtdruk:

• Het neemt toe naarmate de luchtdichtheid toeneemt en afneemt naarmate de luchtdichtheid daalt.
• Het neemt toe als de temperatuur stijgt en daalt als de temperatuur afkoelt.
• Het neemt toe op lagere hoogten en neemt af op grotere hoogten.
• Lucht beweegt van hoge druk naar lage druk.
• De luchtdruk wordt gemeten met een weerinstrument dat bekend staat als a barometer. (Daarom wordt het ook wel "barometrische druk" genoemd.)

EEN barometer wordt gebruikt om de atmosferische druk te meten in eenheden die atmosferen of milibars worden genoemd. Het oudste type barometer is de kwik barometer. Dit instrument meet kwik terwijl het stijgt of daalt in de glazen buis van de barometer. Aangezien atmosferische druk in feite het gewicht van lucht in de lucht is atmosfeer boven het reservoir zal het kwikniveau in de barometer blijven veranderen totdat het gewicht van het kwik in de glazen buis exact gelijk is aan het gewicht van de lucht boven het reservoir. Zodra de twee zijn gestopt met bewegen en in evenwicht zijn, wordt de druk geregistreerd door de waarde op de hoogte van het kwik in de verticale kolom te "lezen".

Als het gewicht van kwik lager is dan de atmosferische druk, stijgt het kwikniveau in de glazen buis (hoge druk). In gebieden met hoge druk zakt lucht sneller naar het aardoppervlak dan dat het naar omliggende gebieden kan stromen. Aangezien het aantal luchtmoleculen boven het oppervlak toeneemt, zijn er meer moleculen om op dat oppervlak een kracht uit te oefenen. Met een hoger luchtgewicht boven het reservoir stijgt het kwikniveau naar een hoger niveau.

Als het gewicht van kwik groter is dan de atmosferische druk, daalt het kwikniveau (lage druk). In gebieden met lage druk, lucht stijgt sneller weg van het aardoppervlak dan dat het kan worden vervangen door lucht die uit omliggende gebieden stroomt. Doordat het aantal luchtmoleculen boven het gebied afneemt, zijn er minder moleculen om op dat oppervlak een kracht uit te oefenen. Met een lager gewicht aan lucht boven het reservoir daalt het kwikniveau naar een lager niveau.

Andere soorten barometers zijn aneroïde en digitale barometers. Aneroïde barometers bevatten geen kwik of andere vloeistoffen, maar ze hebben een afgesloten en luchtdichte metalen kamer. De kamer zet uit of krimpt als reactie op drukveranderingen en een wijzer op een wijzerplaat wordt gebruikt om drukmetingen aan te geven. Moderne barometers zijn digitaal en kunnen de luchtdruk nauwkeurig en snel meten. Deze elektronische instrumenten geven de huidige atmosferische drukwaarden weer op een beeldscherm.

De atmosferische druk wordt beïnvloed door verwarming overdag door de zon. Deze verwarming vindt niet overal gelijkmatig plaats, omdat sommige gebieden meer worden verwarmd dan andere. Naarmate de lucht wordt verwarmd, stijgt deze op en kan dit resulteren in een lagedruksysteem.

De druk in het midden van een lagedruksysteem is lager dan lucht in de omgeving. Winden waaien naar het gebied van lage druk waardoor lucht in de atmosfeer stijgt. Waterdamp in de opstijgende lucht condenseert wolken en in veel gevallen neerslag. Vanwege de Coriolis effect, als gevolg van de rotatie van de aarde, circuleren winden in een lagedruksysteem tegen de klok in op het noordelijk halfrond en met de klok mee op het zuidelijk halfrond. Lagedruksystemen kunnen onstabiel weer en stormen veroorzaken, zoals cyclonen, orkanen en tyfoons. Als algemene vuistregel hebben dieptepunten een druk van ongeveer 1000 millibar (29,54 inch kwik). Vanaf 2016 was de laagste druk ooit geregistreerd op aarde 870 mb (25,69 inHg) in het oog van Typhoon Tip over de Stille Oceaan op 12 oktober 1979.

In hogedruksystemen, lucht in het midden van het systeem staat onder een hogere druk dan lucht in de omgeving. Lucht in dit systeem zinkt en blaast weg van de hoge druk. Deze neergaande lucht vermindert de vorming van waterdamp en wolken, wat resulteert in lichte wind en stabiel weer. De luchtstroom in een hogedruksysteem is tegengesteld aan die van een lagedruksysteem. Lucht circuleert met de klok mee op het noordelijk halfrond en tegen de klok in op het zuidelijk halfrond.

Artikel bewerkt door Regina Bailey

• Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "Luchtdruk." Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc., 5 maart. 2018, www.britannica.com/science/atmospheric-pressure.
• National Geographic Society. "Barometer." National Geographic Society, 9 okt. 2012, www.nationalgeographic.org/encyclopedia/barometer/.
• 'De hoogte- en dieptepunten van luchtdruk.' Veiligheid bij winterweer | UCAR Center for Science Education, scied.ucar.edu/shortcontent/highs-and-lows-air-pressure.