Nguyên nhân
Áp suất khí quyển tồn tại do lực hấp dẫn của Trái Đất. Lực này hút các phân tử khí quyển về phía bề mặt Trái Đất. Càng gần bề mặt Trái Đất, mật độ không khí càng cao do lực hút mạnh hơn và khối lượng không khí bên trên lớn hơn, dẫn đến trọng lượng của cột không khí bên trên lớn hơn và do đó áp suất khí quyển cũng lớn hơn. Càng lên cao, mật độ không khí giảm dần, dẫn đến áp suất khí quyển giảm.
Đơn vị Đo
Áp suất khí quyển được đo bằng nhiều đơn vị khác nhau, bao gồm:
- Pascal (Pa): Đơn vị đo lường áp suất trong Hệ đo lường Quốc tế (SI). 1 Pa = 1 N/m$^2$ (Newton trên mét vuông).
- Atmosphere (atm): Áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển. 1 atm ≈ 101325 Pa.
- Bar (bar): 1 bar = 100000 Pa.
- Millibar (mbar) hoặc HectoPascal (hPa): 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa. Thường dùng trong khí tượng học.
- Torr (Torr): 1 Torr ≈ 133.322 Pa. Được đặt theo tên của nhà vật lý Evangelista Torricelli.
- Milimet thủy ngân (mmHg): 1 mmHg ≈ 133.322 Pa. Thường được sử dụng trong y học. Đơn vị này dựa trên chiều cao của cột thủy ngân trong ống nghiệm Torricelli.
Biến đổi Áp suất Khí quyển
Áp suất khí quyển không phải là một hằng số mà thay đổi theo:
- Độ cao: Áp suất khí quyển giảm theo độ cao. Điều này là do càng lên cao, khối lượng không khí bên trên càng ít.
- Nhiệt độ: Không khí nóng nở ra và có mật độ thấp hơn, dẫn đến áp suất thấp hơn. Ngược lại, không khí lạnh co lại và có mật độ cao hơn, dẫn đến áp suất cao hơn.
- Độ ẩm: Hơi nước nhẹ hơn không khí khô, do đó không khí ẩm có áp suất thấp hơn không khí khô ở cùng nhiệt độ. Điều này là do phân tử nước (H₂O) có khối lượng phân tử nhỏ hơn so với các phân tử chủ yếu cấu thành không khí khô như nitơ (N₂) và oxy (O₂).
- Thời tiết: Các hệ thống thời tiết như bão và áp thấp có thể gây ra những thay đổi đáng kể về áp suất khí quyển.
Ảnh hưởng của Áp suất Khí quyển
Áp suất khí quyển ảnh hưởng đến nhiều hiện tượng tự nhiên và đời sống con người, bao gồm:
- Thời tiết: Sự chênh lệch áp suất khí quyển là động lực chính tạo ra gió.
- Điểm sôi của chất lỏng: Điểm sôi của chất lỏng giảm khi áp suất khí quyển giảm.
- Hô hấp: Áp suất khí quyển đóng vai trò quan trọng trong quá trình hô hấp của con người và động vật.
- Hoạt động của máy bay: Áp suất khí quyển ảnh hưởng đến lực nâng của máy bay. Cụ thể hơn, máy bay hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới của cánh.
Đo lường Áp suất Khí quyển
Áp suất khí quyển được đo bằng dụng cụ gọi là khí áp kế (barometer). Có nhiều loại khí áp kế khác nhau, bao gồm khí áp kế thủy ngân, khí áp kế aneroid (không dùng chất lỏng), và các cảm biến áp suất điện tử.
Mô hình hóa sự thay đổi áp suất theo độ cao
Mặc dù áp suất khí quyển giảm theo độ cao, sự giảm này không tuyến tính. Ở tầng đối lưu (tầng thấp nhất của khí quyển), sự thay đổi áp suất theo độ cao có thể được xấp xỉ bằng công thức barometric:
$P = P_0 e^{-\frac{mgh}{kT}}$
Trong đó:
- $P$: Áp suất ở độ cao $h$
- $P_0$: Áp suất ở mực nước biển (thường lấy là 101325 Pa)
- $m$: Khối lượng trung bình của một phân tử không khí
- $g$: Gia tốc trọng trường (khoảng 9.8 m/s$^2$)
- $h$: Độ cao so với mực nước biển
- $k$: Hằng số Boltzmann (1.38 x 10$^{-23}$ J/K)
- $T$: Nhiệt độ tuyệt đối (đơn vị Kelvin)
Công thức này chỉ là một xấp xỉ và giả định rằng nhiệt độ không đổi theo độ cao, điều này không hoàn toàn chính xác trong thực tế. Các mô hình phức tạp hơn tính đến sự thay đổi của nhiệt độ và thành phần không khí theo độ cao.
Ứng dụng trong dự báo thời tiết
Sự thay đổi áp suất khí quyển là một chỉ báo quan trọng cho việc dự báo thời tiết. Các khu vực có áp suất cao (cao áp) thường liên quan đến thời tiết ổn định và trời quang đãng. Ngược lại, các khu vực có áp suất thấp (áp thấp) thường liên quan đến thời tiết xấu, mây mù, mưa, và gió mạnh. Sự chênh lệch áp suất giữa các khu vực tạo ra gió, với gió thổi từ vùng cao áp đến vùng áp thấp.
Ảnh hưởng đến sức khỏe con người
Sự thay đổi áp suất khí quyển, đặc biệt là sự giảm áp suất ở độ cao lớn, có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ở độ cao lớn, áp suất khí quyển giảm, dẫn đến giảm lượng oxy có sẵn trong không khí. Điều này có thể gây ra các triệu chứng như khó thở, đau đầu, buồn nôn, và thậm chí là bệnh lý độ cao. Người leo núi và phi công thường phải sử dụng bình oxy khi ở độ cao lớn để khắc phục tình trạng này.
Áp suất khí quyển và hàng không
Áp suất khí quyển đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của máy bay. Lực nâng của máy bay được tạo ra bởi sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới của cánh. Áp suất không khí thấp hơn ở mặt trên của cánh so với mặt dưới, tạo ra lực nâng hướng lên trên. Áp suất khí quyển cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ máy bay.
Áp suất khí quyển là trọng lượng của không khí đè lên một đơn vị diện tích. Hãy nhớ rằng, áp suất này không cố định mà thay đổi theo độ cao, nhiệt độ, độ ẩm và cả các hệ thống thời tiết. Độ cao càng tăng, áp suất khí quyển càng giảm, điều này được mô tả gần đúng bằng công thức $P = P_0 e^{-\frac{mgh}{kT}}$, mặc dù công thức này có những hạn chế nhất định do giả định nhiệt độ không đổi.
Sự chênh lệch áp suất khí quyển là nguyên nhân chính gây ra gió, với gió thổi từ vùng cao áp đến vùng thấp áp. Những thay đổi về áp suất khí quyển là chỉ báo quan trọng trong dự báo thời tiết. Cao áp thường mang đến thời tiết ổn định, trong khi áp thấp thường đi kèm với thời tiết xấu.
Áp suất khí quyển ảnh hưởng đáng kể đến đời sống con người, từ việc ảnh hưởng đến điểm sôi của chất lỏng, quá trình hô hấp cho đến hoạt động của máy bay. Sự giảm áp suất ở độ cao lớn có thể gây ra các vấn đề sức khỏe, do đó người leo núi và phi công cần có những biện pháp phòng ngừa thích hợp. Hiểu rõ về áp suất khí quyển giúp chúng ta hiểu hơn về thế giới tự nhiên và ứng dụng nó vào cuộc sống.
Tài liệu tham khảo:
- Atmosphere, Weather and Climate, K.Siddhartha, New Age International (P) Limited Publishers, 2006.
- Meteorology Today, C. Donald Ahrens, West Publishing Company, 1994.
- Fundamentals of Atmospheric Physics, Murry L. Salby, Academic Press, 1996.
Câu hỏi và Giải đáp
Tại sao áp suất khí quyển lại giảm theo hàm mũ theo độ cao, như được thể hiện trong công thức $P = P_0 e^{-\frac{mgh}{kT}}$, chứ không phải giảm tuyến tính?
Trả lời: Sự giảm áp suất theo hàm mũ theo độ cao xuất phát từ việc mật độ không khí giảm theo độ cao. Khi lên cao, trọng lực tác dụng lên các phân tử không khí giảm, khiến chúng phân bố thưa hơn. Sự giảm mật độ này không tuyến tính mà theo hàm mũ, dẫn đến sự giảm áp suất tương ứng. Công thức trên dựa trên phân bố Boltzmann, mô tả sự phân bố của các hạt trong trường trọng trường, nơi mật độ hạt giảm theo hàm mũ theo độ cao.
Ngoài độ cao, nhiệt độ và độ ẩm, còn yếu tố nào khác ảnh hưởng đến áp suất khí quyển?
Trả lời: Một số yếu tố khác ảnh hưởng đến áp suất khí quyển bao gồm: vĩ độ (áp suất thường cao hơn ở các vĩ độ trung bình và thấp hơn ở xích đạo và các cực), hoạt động của mặt trời (gió mặt trời có thể ảnh hưởng đến tầng điện ly và gián tiếp ảnh hưởng đến áp suất ở tầng thấp), và địa hình địa phương (núi và thung lũng có thể tạo ra sự khác biệt nhỏ về áp suất).
Làm thế nào mà áp suất khí quyển ảnh hưởng đến điểm sôi của chất lỏng?
Trả lời: Điểm sôi của chất lỏng là nhiệt độ tại đó áp suất hơi của chất lỏng bằng với áp suất khí quyển bên ngoài. Khi áp suất khí quyển giảm, áp suất hơi cần để đạt đến điểm sôi cũng giảm, do đó điểm sôi cũng giảm theo.
Tại sao việc dự báo áp suất khí quyển lại quan trọng đối với dự báo thời tiết?
Trả lời: Sự thay đổi áp suất khí quyển thường liên quan đến sự thay đổi thời tiết. Áp suất giảm thường báo hiệu sự xuất hiện của bão hoặc thời tiết xấu, trong khi áp suất tăng thường cho thấy thời tiết ổn định hơn. Do đó, theo dõi và dự báo áp suất khí quyển là một phần quan trọng của dự báo thời tiết.
Nếu Trái Đất không có khí quyển, áp suất khí quyển sẽ là bao nhiêu?
Trả lời: Nếu Trái Đất không có khí quyển, sẽ không có không khí để tạo ra áp suất, do đó áp suất khí quyển sẽ bằng 0. Điều này sẽ khiến cho sự sống như chúng ta biết là không thể tồn tại.
- Bạn đang mang trên mình một trọng lượng khổng lồ: Một người trưởng thành có diện tích bề mặt cơ thể khoảng 2 mét vuông sẽ chịu một lực tương đương với trọng lượng của khoảng 20 tấn không khí! May mắn thay, áp suất này được phân bổ đều lên toàn bộ cơ thể và áp suất bên trong cơ thể cân bằng với áp suất bên ngoài, nên chúng ta không cảm thấy bị đè bẹp.
- Ống hút hoạt động nhờ áp suất khí quyển: Khi bạn hút nước bằng ống hút, bạn đang giảm áp suất không khí bên trong ống. Áp suất khí quyển bên ngoài cao hơn sẽ đẩy nước lên trong ống hút. Điều này có nghĩa là trên lý thuyết, bạn chỉ có thể hút nước lên đến độ cao khoảng 10 mét, bởi vì đó là chiều cao cột nước mà trọng lượng của nó cân bằng với áp suất khí quyển tiêu chuẩn.
- Nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn trên núi cao: Do áp suất khí quyển giảm theo độ cao, điểm sôi của nước cũng giảm. Điều này có nghĩa là thức ăn sẽ chín lâu hơn trên núi cao.
- Áp suất khí quyển trên sao Hỏa rất thấp: Áp suất khí quyển trên sao Hỏa chỉ bằng khoảng 0.6% so với Trái Đất. Điều này có nghĩa là nước lỏng không thể tồn tại trên bề mặt sao Hỏa trong điều kiện bình thường.
- Sự thay đổi áp suất khí quyển có thể ảnh hưởng đến khớp của bạn: Một số người tin rằng sự thay đổi áp suất khí quyển, đặc biệt là trước khi có bão, có thể gây đau khớp. Mặc dù chưa có bằng chứng khoa học chắc chắn, nhưng một số nghiên cứu cho thấy có mối liên hệ giữa áp suất khí quyển và cơn đau ở những người bị viêm khớp.
- Khí áp kế đầu tiên được phát minh bởi Evangelista Torricelli: Vào năm 1643, Torricelli đã phát minh ra khí áp kế thủy ngân, một thiết bị sử dụng thủy ngân để đo áp suất khí quyển.
- Trái Đất không phải là hành tinh duy nhất có áp suất khí quyển: Sao Kim có áp suất khí quyển cực kỳ cao, gấp 90 lần so với Trái Đất. Trong khi đó, sao Hỏa và một số mặt trăng của các hành tinh khác cũng có áp suất khí quyển, mặc dù rất mỏng.