الضغط الجوي

الضغط الجوي ، المعروف أيضًا بضغط الهواء أو الضغط البارومتري (نسبةً إلى البارومتر )، هو الضغط داخل الغلاف الجوي للأرض . ويُعرَّف الضغط الجوي القياسي (رمزه: atm) بأنه 101.325 كيلو باسكال (1013.25 هكتوباسكال ) ، أي ما يعادل 1013.25 مليبار ، أو 760 تور (أو حوالي 760 مليمتر زئبق )، أو حوالي 29.9212 بوصة زئبقية ، أو حوالي 14.696 رطل لكل بوصة مربعة . ^{[ 1 ]} وتُعادل وحدة atm تقريبًا متوسط ​​الضغط الجوي على مستوى سطح البحر ؛ أي أن الضغط الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر يُقارب ضغطًا جويًا واحدًا.      

في معظم الحالات، يُمكن تقريب الضغط الجوي بالضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن وزن الهواء فوق نقطة القياس. ومع ازدياد الارتفاع ، تقل كتلة الهواء فوق نقطة القياس، وبالتالي ينخفض ​​الضغط الجوي. ولأن الغلاف الجوي رقيق نسبيًا مقارنةً بنصف قطر الأرض - وخاصةً الطبقة الكثيفة منه على ارتفاعات منخفضة - يُمكن اعتبار تسارع الجاذبية الأرضية ثابتًا كدالة للارتفاع، وبالتالي لا يُساهم إلا قليلًا في هذا الانخفاض. يُقاس الضغط بالقوة لكل وحدة مساحة، ووحدته في النظام الدولي للوحدات هي الباسكال (1 باسكال = 1 نيوتن لكل متر مربع ، 1 نيوتن/م² ⁾ . في المتوسط، يبلغ متوسط ​​كتلة عمود من الهواء بمساحة مقطع عرضي تبلغ سنتيمترًا مربعًا واحدًا (سم² ⁾ ، مقاسًا من مستوى سطح البحر المتوسط ​​إلى أعلى الغلاف الجوي للأرض، حوالي 1.03 كيلوغرام ، ويُمارس قوة أو " وزنًا " يبلغ حوالي 10.1 نيوتن ، مما ينتج عنه ضغط مقداره 10.1 نيوتن/سم² ^أو 101 كيلو نيوتن /م² ⁽ 101 كيلو باسكال، كيلو باسكال). أما عمود الهواء بمساحة مقطع عرضي تبلغ بوصة مربعة واحدة ( ^1/2) ، فيبلغ وزنه حوالي 14.7 رطل قوة ، مما ينتج عنه ضغط مقداره 14.7 رطل قوة/بوصة مربعة ( ^1/2 ) .       

ينشأ الضغط الجوي نتيجةً لجاذبية الكوكب على الغازات الموجودة فوق سطحه، وهو دالة لكتلة الكوكب، ونصف قطر سطحه، وكمية الغازات وتكوينها، وتوزيعها الرأسي في الغلاف الجوي. ^{[ 2 ] [ 3 ]} ويتأثر الضغط الجوي بدوران الكوكب، وعوامل محلية مثل سرعة الرياح، وتغيرات الكثافة الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة، وتغيرات التركيب. ^{[ 4 ]}

متوسط ​​الضغط عند مستوى سطح البحر (MSLP) هو الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر المتوسط . وهو الضغط الجوي الذي يُذكر عادةً في تقارير الطقس عبر خبراء الأرصاد الجوية في الإذاعة والتلفزيون والصحف أو على الإنترنت . ^{[ 5 ]}

يُعد ضبط مقياس الارتفاع في الطيران بمثابة تعديل للضغط الجوي.

يبلغ متوسط ​​الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر 1013.25 هكتوباسكال (29.921 بوصة زئبقية؛ 760.00 مليمتر زئبقي) . في تقارير الأرصاد الجوية للطيران ( METAR )، يُنقل ضغط QNH عالميًا بوحدة الهكتوباسكال أو المليبار (1 هكتوباسكال = 1 مليبار). في الولايات المتحدة وكندا واليابان ، يُسجل ضبط مقياس الارتفاع بوحدة بوصة زئبقية (لرقمين عشريين). كما تُبلغ الولايات المتحدة وكندا عن ضغط مستوى سطح البحر (SLP ) ، الذي يُعدّل إلى مستوى سطح البحر بطريقة مختلفة، في قسم الملاحظات، وليس في الجزء المُرسل دوليًا من رمز الأرصاد الجوية، بوحدة الهكتوباسكال أو المليبار. ^{[ 6 ]} مع ذلك، في تقارير الأرصاد الجوية العامة في كندا، يُبلغ عن ضغط مستوى سطح البحر بالكيلوباسكال. ^{[ 7 ]} في ملاحظات رمز الأرصاد الجوية الأمريكي، لا يُرسل سوى ثلاثة أرقام. يتم حذف الفواصل العشرية والرقم أو الرقمين الأكثر أهمية: يتم إرسال 1013.2 هكتوباسكال (14.695 رطل لكل بوصة مربعة) على شكل 132؛ ويتم إرسال 1000 هكتوباسكال (100 كيلوباسكال) على شكل 000؛ ويتم إرسال 998.7 هكتوباسكال على شكل 987؛ وهكذا. النظام الذي يرسل الأرقام الثلاثة الأخيرة يرسل نفس الرمز (800) لـ 1080.0 هكتوباسكال كما يرسله لـ 980.0 هكتوباسكال.        

يُسجّل أعلى ضغط جوي على مستوى سطح البحر في سيبيريا ، حيث يصل الضغط الجوي المرتفع السيبيري غالبًا إلى ما يزيد عن 1050 هكتوباسكال (15.2 رطل لكل بوصة مربعة؛ 31 بوصة زئبقية) ، مع تسجيل أرقام قياسية عالية تقارب 1085 هكتوباسكال (15.74 رطل لكل بوصة مربعة؛ 32.0 بوصة زئبقية) . أما أدنى ضغط جوي قابل للقياس فيُسجّل في مراكز الأعاصير المدارية والزوابع ، حيث بلغ أدنى مستوى قياسي له 870 هكتوباسكال (12.6 رطل لكل بوصة مربعة ؛ 26 بوصة زئبقية) .         

الضغط السطحي هو الضغط الجوي في موقع ما على سطح الأرض ( التضاريس والمحيطات ). وهو يتناسب طردياً مع كتلة الهواء فوق ذلك الموقع .

لأسباب عددية، فإن النماذج الجوية مثل نماذج الدوران العام (GCMs) عادة ما تتنبأ باللوغاريتم غير البعدي لضغط السطح .

يبلغ متوسط ​​الضغط السطحي على الأرض 985 هكتوباسكال. ^{[ 8 ]} وهذا يختلف عن متوسط ​​الضغط عند مستوى سطح البحر، والذي يُحسب باستقراء الضغط إلى مستوى سطح البحر للمواقع الواقعة فوق أو تحت مستوى سطح البحر. ويبلغ متوسط ​​الضغط عند مستوى سطح البحر في الغلاف الجوي القياسي الدولي 1013.25 هكتوباسكال، أو ما يعادل ضغطًا جويًا واحدًا، أو 29.92 بوصة زئبقية.

يرتبط الضغط (P) والكتلة (m) وتسارع الجاذبية الأرضية (g) بالعلاقة P = F/A = (m*g)/A، حيث A هي مساحة السطح. وبالتالي، يتناسب الضغط الجوي طرديًا مع وزن وحدة المساحة من كتلة الغلاف الجوي فوق ذلك الموقع.

يختلف الضغط الجوي على سطح الأرض باختلاف الارتفاع، لذا يكون الضغط الجوي على الجبال عادةً أقل من الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. ويتدرج الضغط بسلاسة من سطح الأرض إلى قمة طبقة الميزوسفير . ورغم تغير الضغط بتغير الأحوال الجوية، فقد قامت وكالة ناسا بحساب متوسط ​​الظروف لجميع أنحاء الأرض على مدار العام. ومع ازدياد الارتفاع، ينخفض ​​الضغط الجوي. ويمكن حساب الضغط الجوي عند ارتفاع معين. ^{[ 9 ]} كما تؤثر درجة الحرارة والرطوبة على الضغط الجوي. يتناسب الضغط طرديًا مع درجة الحرارة وعكسيًا مع الرطوبة، وكلاهما ضروري لحساب قيمة دقيقة. وقد تم إعداد الرسم البياني على اليمين أعلاه عند درجة حرارة 15  درجة مئوية ورطوبة نسبية 0%.

على ارتفاعات منخفضة فوق مستوى سطح البحر، ينخفض ​​الضغط بمقدار 1.2 كيلو باسكال (12 هكتوباسكال) لكل 100 متر. أما على ارتفاعات أعلى ضمن طبقة التروبوسفير ، فإن المعادلة التالية ( الصيغة البارومترية ) تربط الضغط الجوي p بالارتفاع (الارتفاع فوق مستوى سطح البحر) h :   $$\displaystyle \begin{aligned}p&=p_{0}\cdot \left(1+{\frac {L\cdot h}{T_{0}}}\right)^{-{\frac {g\cdot M}{R_{0}\cdot L}}}\\&=p_{0}\cdot \left(1+{\frac {g\cdot h}{c_{\text{p}}\cdot T_{0}}}\right)^{-{\frac {c_{\text{p}}\cdot M}{R_{0}}}}.\end{aligned}}}$$

القيم في هذه المعادلات هي:

يتفاوت الضغط الجوي بشكل كبير على سطح الأرض، وتُعدّ الاختلافات في الضغط مهمة في دراسة الطقس والمناخ . بعض هذه الاختلافات منتظمة للغاية. ومن أهم مصادر هذا التفاوت المد والجزر الجوي . يكون المد والجزر الجوي في أقوى حالاته في المناطق الاستوائية، حيث تصل سعته إلى بضعة هيكتوباسكال، ويكاد ينعدم في المناطق القطبية. تتكون التغيرات المدية الاستوائية في الضغط بشكل أساسي من نمطين توافقيين متراكبين : دورة يومية (24 ساعة) ودورة نصف يومية (12 ساعة).   

أعلى ضغط جوي مُعدّل لمستوى سطح البحر سُجّل على الإطلاق على سطح الأرض فوق 750 مترًا بلغ 1084.8 هكتوباسكال (32.03 بوصة زئبقية؛ 1.0706 ضغط جوي) ، وقد تم قياسه في توسونتسينجيل، منغوليا في 19 ديسمبر 2001. ^{[ 10 ]} أما أعلى ضغط جوي مُعدّل لمستوى سطح البحر سُجّل على الإطلاق تحت 750 مترًا فكان في أغاتا، في مقاطعة إيفينك ذاتية الحكم ، روسيا (66°53' شمالًا، 93°28' شرقًا، ارتفاع: 261 مترًا، 856 قدمًا )، في 31 ديسمبر 1968، وبلغ 1083.8 هكتوباسكال (32.005 بوصة زئبقية) . ^{[ 11 ]} ويعود هذا التباين إلى افتراض إشكالي ( معدل انخفاض قياسي ) مرتبط بتطبيع قياسات الضغط على الارتفاعات العالية إلى مستوى سطح البحر القياسي؛ عند الارتفاعات الأعلى، تصبح عملية التحويل أقل دقة تدريجياً، ولأغراض التسجيل، يعتبر 750 متراً عتبة تعسفية للدقة الكافية. ^{[ 10 ]}          

يُعد البحر الميت أخفض سطح بحري على وجه الأرض، إذ يقع على عمق 430 متراً (1410 قدماً) تحت مستوى سطح البحر، ويتميز بضغط جوي نموذجي مرتفع نسبياً يبلغ 1065 هكتوباسكال. ^{[ 12 ]} وقد سُجّل رقم قياسي لضغط سطح البحر تحت مستوى سطح البحر بلغ 1081.8 هكتوباسكال (31.95 بوصة زئبقية؛ 1.0677 ضغط جوي) في 21 فبراير 1961. ^{[ 13 ]}     

سُجّل أدنى ضغط جوي غير إعصاري على الإطلاق عند 870 هكتوباسكال (26 بوصة زئبقية؛ 0.86 ضغط جوي) ، وذلك في 12 أكتوبر 1979، أثناء إعصار تيب في غرب المحيط الهادئ. واستند القياس إلى رصد آلي أُجري من طائرة استطلاع. ^{[ 14 ]}   

الضغط الجوي الواحد ( 101.325 كيلو باسكال أو 14.7 رطل لكل بوصة مربعة ) هو نفسه الضغط الناتج عن وزن عمود من الماء العذب يبلغ ارتفاعه حوالي 10.3 متر (33.8 قدم) . وبالتالي، يتعرض الغواص على عمق 10.3 متر تحت الماء لضغط يعادل ضغطين جويين تقريبًا ( ضغط جوي واحد من الهواء بالإضافة إلى ضغط جوي واحد من الماء). في المقابل، يُعدّ 10.3 متر أقصى ارتفاع يمكن رفع الماء إليه باستخدام الشفط في ظل الظروف الجوية القياسية.        

تُقاس الضغوط المنخفضة، مثل خطوط الغاز الطبيعي ، أحيانًا بوحدة بوصة من الماء ، وتُكتب عادةً wc (عمود الماء) أو wg (بوصة من الماء). يُصنّف جهاز منزلي نموذجي يعمل بالغاز في الولايات المتحدة بضغط أقصى يبلغ 1/2 رطل لكل بوصة مربعة (3.4 كيلو باسكال؛ 34 ملي بار) ، أي ما يُعادل تقريبًا 14 بوصة من الماء. أما الوحدات المترية المشابهة، ذات الأسماء والرموز المتنوعة القائمة على المليمترات أو السنتيمترات أو الأمتار، فقد قلّ استخدامها حاليًا.    

يغلي الماء النقي عند درجة حرارة 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) عند الضغط الجوي القياسي للأرض. درجة الغليان هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط البخار مع الضغط الجوي المحيط بالسائل. ^{[ 15 ]} ولهذا السبب، تكون درجة غليان السوائل أقل عند الضغط المنخفض وأعلى عند الضغط المرتفع. لذا، يتطلب الطهي في المرتفعات العالية تعديلات على الوصفات ^{[ 16 ]} أو استخدام الطهي بالضغط . يمكن الحصول على تقدير تقريبي للارتفاع بقياس درجة غليان الماء؛ في منتصف القرن التاسع عشر، استخدم المستكشفون هذه الطريقة. ^{[ 17 ]} في المقابل، إذا رغب المرء في تبخير سائل عند درجة حرارة منخفضة، كما في التقطير ، يمكن خفض الضغط الجوي باستخدام مضخة تفريغ ، كما في المبخر الدوار .  

كان من أهم تطبيقات معرفة أن الضغط الجوي يتناسب طرديًا مع الارتفاع تحديد ارتفاع التلال والجبال، وذلك بفضل أجهزة قياس الضغط الموثوقة. في عام ١٧٧٤، كان نيفيل ماسكيلين يُؤكد نظرية نيوتن للجاذبية على جبل شيهاليون في اسكتلندا، وكان بحاجة إلى قياس الارتفاعات على جوانب الجبل بدقة. تُعرف هذه التجربة باسم تجربة شيهاليون . تمكن ويليام روي ، باستخدام الضغط الجوي، من تأكيد قياسات ماسكيلين للارتفاع؛ وكان التطابق في حدود متر واحد (٣.٢٨ قدم). أصبحت هذه الطريقة ولا تزال مفيدة في أعمال المسح ورسم الخرائط. ^{[ ١٨ ]}

• خريطة حالية لمتوسط ​​ضغط مستوى سطح البحر العالمي. مؤرشفة بتاريخ 8 فبراير 2017 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• الغلاف الجوي القياسي لعام 1976 من وكالة ناسا
• شفرة المصدر والمعادلات الخاصة بالغلاف الجوي القياسي لعام 1976، مؤرشفة بتاريخ 15 يوليو 2011 على موقع Wayback Machine.
• نموذج رياضي للغلاف الجوي القياسي الأمريكي لعام 1976
• آلة حاسبة تستخدم وحدات وخصائص متعددة للغلاف الجوي القياسي لعام 1976. مؤرشفة بتاريخ 22 أبريل 2011 على موقع Wayback Machine.
• حاسبة تُعطي ضغط الهواء القياسي عند ارتفاع مُحدد، أو الارتفاع الذي يكون عنده الضغط قياسيًا. مؤرشفة بتاريخ ٢٦ فبراير ٢٠١١ في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• حساب الضغط من الارتفاع والعكس. مؤرشف بتاريخ 7 سبتمبر 2021 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .