وحدة قياس الضغط الجوي

عنوان المقال: وحدة قياس الضغط الجوي

يُعد الضغط الجوي من المفاهيم الأساسية في علم الفيزياء والعلوم الجوية، إذ يمثل القوة التي يُحدثها الهواء على وحدة المساحة في نقطة معينة من سطح الأرض أو على أي جسم في الغلاف الجوي. هذا المفهوم الذي يبدو بسيطًا ظاهريًا، يُعد محوريًا لفهم الظواهر المناخية والتفاعلات الفيزيائية في الغلاف الجوي، بل وتؤثر قيمته في حياة الإنسان اليومية، من تغيرات الطقس إلى الطيران والطب والبيئة.

في هذا المقال الموسع، سنتناول الضغط الجوي من منظور علمي مفصل، ندرس كيفية قياسه، وحداته المختلفة، العوامل المؤثرة عليه، وأدوات قياسه، إضافة إلى تطبيقاته في مجالات متعددة.

أولًا: تعريف الضغط الجوي

الضغط الجوي هو القوة الناتجة عن وزن عمود الهواء الممتد من سطح الأرض حتى نهاية الغلاف الجوي، ويؤثر هذا العمود الهوائي على كل نقطة تقع أسفله. يتمثل هذا الضغط في الوزن الذي تمثله جزيئات الهواء على الأجسام الموجودة على سطح الأرض.

بما أن الهواء مكوَّن من جزيئات لها كتلة، فإنها تتأثر بالجاذبية الأرضية وتسقط نحو الأرض مسببة ضغطًا على سطحها. وكلما زاد ارتفاعنا عن سطح البحر، قل هذا الضغط نتيجة تناقص عدد الجزيئات في وحدة الحجم.

ثانيًا: وحدات قياس الضغط الجوي

يقاس الضغط الجوي بعدة وحدات معتمدة في الأنظمة الفيزيائية الدولية والمحلية، ويرجع هذا التنوع إلى اختلاف السياقات التي يُستخدم فيها الضغط الجوي، سواء كانت علمية، صناعية، طبية أو حتى فلكية.

1. الميليبار (Millibar)

تُعد وحدة الميليبار (mb) من أكثر الوحدات استخدامًا في الأرصاد الجوية، خاصة في النشرات الجوية وخرائط الطقس. الميليبار يعادل 100 باسكال، أي:

1 ميليبار = 100 باسكال = 100 نيوتن/متر²

2. البار (Bar)

البار هو وحدة قياس أكبر من الميليبار، وتُستخدم في بعض المجالات الهندسية والطبية. وهو يعادل:

1 بار = 100000 باسكال = 1000 ميليبار

3. الباسكال (Pascal)

الباسكال هي الوحدة المعتمدة في النظام الدولي للوحدات (SI)، وتُعرّف على أنها:

1 باسكال = 1 نيوتن/متر²

الضغط الجوي النظامي عند مستوى سطح البحر يُقدر بحوالي 101325 باسكال، أي ما يعادل 1013.25 ميليبار.

4. ملليمتر زئبقي (mmHg)

تُستخدم هذه الوحدة بشكل أساسي في الطب وعلوم الأحياء، وهي مشتقة من الضغط الذي يولده عمود زئبقي طوله 1 ملليمتر. وتُستخدم هذه الوحدة في أجهزة قياس ضغط الدم وغيرها.

1 ضغط جوي = 760 ملم زئبق

5. تور (Torr)

التور وحدة تُستخدم في الفراغات والفيزياء الدقيقة، وسُميت بهذا الاسم تكريمًا للعالم “توريشيللي”، مخترع الباروميتر.

1 تور = 1 ملم زئبق

ثالثًا: أدوات قياس الضغط الجوي

لقياس الضغط الجوي بدقة، طوّر العلماء العديد من الأدوات والأجهزة، التي تطورت عبر العصور من أدوات بدائية إلى أجهزة إلكترونية حديثة.

1. الباروميتر الزئبقي

يُعد من أقدم أجهزة قياس الضغط الجوي، ويعتمد في عمله على أنبوب زجاجي مملوء بالزئبق ومغلق من أحد طرفيه. عند قلب الأنبوب ووضعه في وعاء به زئبق، ينخفض عمود الزئبق داخل الأنبوب إلى حد معين يعكس الضغط الجوي، ويُقاس طوله بالمليمترات (mmHg).

2. الباروميتر المعدني (أنييرويد)

يتكون من علبة معدنية مفرغة جزئيًا من الهواء، وعند تغيّر الضغط الجوي، تنضغط العلبة أو تتمدد، ويُحول هذا التغير إلى حركة ميكانيكية تُترجم على مؤشر يُظهر قيمة الضغط.

3. الباروغراف

هو نوع من الباروميترات يُستخدم لتسجيل التغيرات المستمرة في الضغط الجوي عبر الزمن. يحتوي على قلم يسجل القيم على لفافة ورقية تدور ببطء.

4. أجهزة رقمية إلكترونية

في الوقت الحاضر، تتوفر أجهزة رقمية دقيقة يمكنها قياس الضغط الجوي ودرجة الحرارة والرطوبة في وقت واحد، وهي تُستخدم في محطات الأرصاد الجوية، الطائرات، والأقمار الصناعية.

رابعًا: الضغط الجوي القياسي

يُعرّف الضغط الجوي القياسي بأنه الضغط عند مستوى سطح البحر، في درجة حرارة 0 مئوية، وتحت تأثير الجاذبية الأرضية المتوسطة. ويُقدّر هذا الضغط بعدة قيم تبعًا للوحدة المستخدمة:

خامسًا: العوامل المؤثرة على الضغط الجوي

يتغير الضغط الجوي بحسب العديد من العوامل، وهو لا يظل ثابتًا في جميع المناطق أو الأوقات. من أبرز العوامل المؤثرة:

1. الارتفاع عن سطح البحر

كلما ارتفعنا عن سطح البحر، قل عدد جزيئات الهواء وبالتالي يقل الضغط. عند ارتفاع 5 كم مثلًا، يكون الضغط أقل من نصف قيمته عند مستوى البحر.

2. درجة الحرارة

تتسبب الحرارة في تمدد الهواء وزيادة حجمه، مما يؤدي إلى انخفاض كثافته وبالتالي انخفاض الضغط الجوي. في المقابل، يؤدي الهواء البارد إلى انكماش الهواء وزيادة الضغط.

3. الرطوبة

الهواء الرطب يحتوي على بخار ماء أخف من جزيئات الأوكسجين والنيتروجين، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط في المناطق الرطبة مقارنة بالمناطق الجافة.

4. التيارات الهوائية

تصاعد الهواء الساخن يؤدي إلى انخفاض الضغط على السطح، بينما يسبب هبوط الهواء البارد إلى ارتفاع الضغط.

سادسًا: أهمية قياس الضغط الجوي

يؤدي قياس الضغط الجوي دورًا مهمًا في مجالات عديدة، تتراوح من التنبؤات الجوية إلى الصحة العامة والطيران والهندسة. فيما يلي أبرز استخداماته:

1. التنبؤ بالطقس

تعد التغيرات في الضغط الجوي مؤشرًا مهمًا على تغيرات الطقس، مثل العواصف، الأعاصير، أو الاستقرار الجوي. الضغط المنخفض غالبًا ما يرتبط بالأمطار والغيوم، بينما الضغط المرتفع يدل على طقس صافٍ ومستقر.

2. الطيران والملاحة الجوية

يحتاج الطيارون إلى معرفة قيمة الضغط الجوي لضبط م altimeter وتحديد الارتفاع الحقيقي للطائرة. كما يُستخدم الضغط في التحكم بأنظمة الكابينة لمنع حدوث انخفاض مفاجئ قد يهدد حياة الركاب.

3. الطب

في الطب، تُستخدم أجهزة الضغط لقياس ضغط الدم. كما يُعتمد على فهم تأثيرات انخفاض الضغط في البيئات الجبلية أو أثناء الغوص العميق لتجنّب الأمراض الناتجة عن تغير الضغط مثل “داء المرتفعات” أو “داء الغواص”.

4. الهندسة

في هندسة الإنشاءات، يؤخذ الضغط الجوي بعين الاعتبار عند تصميم مباني شاهقة أو منشآت تقع على ارتفاعات كبيرة أو في بيئات منخفضة الضغط مثل الأنفاق العميقة.

سابعًا: الضغط الجوي في علم المناخ

في المناخات العالمية، يلعب الضغط الجوي دورًا في تشكيل أنظمة الرياح والمناخ الإقليمي. المناطق ذات الضغط المنخفض تجذب الرياح وتكوّن الأعاصير، بينما تتسم مناطق الضغط المرتفع بجفاف واستقرار. ومن هنا تنشأ ما يُعرف بـ:

• المنخفضات الجوية: تجذب الهواء الرطب الدافئ وغالبًا ما تسبب أمطارًا.

• المرتفعات الجوية: تدفع الهواء بعيدًا وتسبب طقسًا مستقرًا وصافيًا.

ثامنًا: تغيّر الضغط الجوي وتأثيراته الفسيولوجية

يؤثر الضغط الجوي على جسم الإنسان بطرق مختلفة، خاصة في البيئات غير المعتادة:

• في المرتفعات العالية: يؤدي انخفاض الضغط إلى نقص الأوكسجين ما يسبب ضيق التنفس، الإرهاق، والصداع.

• في الطائرات: يتم التحكم بضغط الكابينة لتقليل آثار الانخفاض الشديد في الضغط على الركاب.

• في الغوص العميق: قد يؤدي الضغط المرتفع إلى مشكلات مثل التسمم بالنيتروجين أو الانفصال الغازي في الدم.

تاسعًا: تطور قياس الضغط الجوي عبر التاريخ

يرجع الفضل في قياس الضغط الجوي إلى العالم الإيطالي إيفانجيليستا توريشيللي عام 1643، عندما ابتكر أول باروميتر زئبقي، وأثبت لأول مرة أن الهواء يمتلك وزنًا ويؤثر بقوة على الأجسام. وقد شكّل هذا الاكتشاف ثورة في فهم طبيعة الهواء والفراغ والغلاف الجوي.

منذ ذلك الوقت، تطورت أدوات القياس، وظهرت أدوات دقيقة إلكترونية تعتمد على الحساسات والعناصر الرقمية، مما ساعد على تسريع جمع البيانات الجوية وتحليلها بدقة غير مسبوقة.

عاشرًا: التوزيع الجغرافي للضغط الجوي

يعتمد توزيع الضغط الجوي على سطح الأرض على عوامل متعددة، مثل التوزيع الحراري ونمط دوران الأرض والمحيطات. يظهر هذا التوزيع في ما يُعرف بـ:

• خطوط الضغط المتساوي (Isobars): خطوط ترسم على الخرائط الجوية لتمثيل المناطق ذات الضغط المتماثل.

• أنظمة الضغط العالمية: مثل حزام الضغط المرتفع شبه المداري (حوالي 30° شمالًا وجنوبًا) والمنخفضات الاستوائية والقطبية.

هذه الأنظمة تُشكّل الهيكل الديناميكي للغلاف الجوي، وتتحكم في اتجاهات الرياح والمناخ العالمي.

المصادر

• Lutgens, Frederick K. & Tarbuck, Edward J. (2019). The Atmosphere: An Introduction to Meteorology, Pearson.

• Wallace, John M. & Hobbs, Peter V. (2006). Atmospheric Science: An Introductory Survey, Elsevier.