Luchtdruk

Onze aarde wordt omgeven door een gasvormig omhulsel die dampkring wordt genoemd. De dikte van deze dampkring of atmosfeer varieert maar bedraagt omstreeks 800 km. Daarboven gaat men geleidelijk over in de interplanetaire ruimte. In deze dampkring of atmosfeer vinden we een mengsel van verscheidene gassen die naar gelang de hoogte in verschillende concentraties voorkomen. Deze mengsels van gassen wordt binnen de dampkring gehouden dankzij de aantrekkingskracht van de aarde, een onmisbare kracht waar we niet buiten kunnen aangezien in dat geval leven door het ontbreken van zuurstof en stikstof niet mogelijk was geweest. Hoe dichter men bij het aardoppervlak komt, hoe groter deze schijnbare magnetische kracht is.

Wat is luchtdruk?

Dankzij de aantrekkingskracht worden de meeste gasmoleculen en die het zwaarste zijn, het dichtst bij de aarde gehouden. De helft van alle moleculen binnen de dampkring vinden we ongeveer in de onderste luchtlaag van 5,5 km dik. De overige helft van de moleculen bevinden zich dus in de veel dikkere laag erboven. Hoe verder we van de aarde af bewegen, hoe minder moleculen we per m3 zullen vinden. Dat merken we zelf al als we de bergen intrekken. Als we vrij hoog zitten, weten we dat de lucht ijler (dunner) wordt. De hoeveelheid zuurstof neemt tegelijkertijd af zodat we meer moeite moeten doen om de gewenste hoeveelheid zuurstof te kunnen inademen.

Lucht is het mengsel van gassen welke we vooral in de troposfeer tegenkomen, de onderste laag van de dampkring van 12-16 km dik alwaar het weer zich afspeelt en waar zich ruim 90% van onze lucht bevindt. De deeltjes die zich onderin deze laag bevinden, botsen regelmatig tegen het aardoppervlak. Gezamelijk oefenen ze een kracht uit die we per m2 kunnen berekenen. De kracht die we in Newton per m2 uitdrukken is afhankelijk van de hoeveelheid luchtmoleculen wat weer het aantal botsingen zal bepalen. Het aantal moleculen hangt weer af van de hoogte en de temperatuur. Anders gezegd: is de lucht warmer dan zullen er minder luchtmoleculen in één m3 bevinden en oefenen ze totaal minder kracht uit op een vlak van 1 m2. Dat klopt ook. Warmere lucht is lichter dan koudere lucht zodat ook de luchtdruk i.h.a. in een warmere luchtlaag lager is dan in een koudere luchtlaag.

De luchtdruk wordt binnen de meteorologie in Hectopascal uitgedrukt, voorheen was de eenheid millibar of millimeter kwikdruk. Evangelista Toricelli ontwierp in 1673 de buis van Toricelli en ondekte dat de lengte van de kwikkolom in de glazen buis per dag verschilde. Deze buis was 1 meter lang en had een oppervlakte van 1 cm2. 

Even een voorbeeld:
We gaan uit van een bui gevuld met kwik die omgekeerd in een bak met kwik staat en waarop de totale luchtkolom met haar gewicht een bepaalde kracht en dus ook een luchtdruk uitoefent.
We berekenen de druk die door een kolom lucht op 1 cm kwik wordt uitgeoefend:

1 cm = 0,01 m; dichtheid kwik (Hg) = 13.600 kg/m3; zwaartekrachtversnelling = gemiddeld 9,8 kg.m/sec2.m2

           kracht              volume x dichtheid x zwaartekrachtversnelling      0,01 x 13.600 x 9,8
druk = —————-    =  ————————————————————————–   =  —————————-   = 1332,8 Pascal
oppervlakte                                      1 m2                                                     1 

Binnen de meteorologie rekenen we liever niet met Pascal, de officiële eenheid voor druk, maar met de Hectopascal (hPa) hetgeen overeenkomt met de vertrouwde millibar. Een druk van 1332,8 Pascal komt dan overeen met 13,33 hPa (afgerond).
Een drukstijging van 13,33 hPa zal dus in de buis het kwik met 1 cm laten stijgen.

Op deze wijze kan men ook uitrekenen dat een kubus van 1 m3 lucht met een dichtheid van 1,2 kg/m3 een kracht van 11,8 Newton op een oppervlakte van 1 m2 uitoefent. Echter neemt het aantal moleculen lucht per m3 met de hoogte af zodat dus ook de dichtheid van lucht met de hoogte afneemt en ook nog eens van de temperatuur afhangt.
Gemiddeld oefent de totale luchtkolom vanaf de rand van de dampkring op ons aardoppervlak een kracht van 101.300 Newton per m2 uit, wat overeen komt met de massa van 10.336,7 kg (een flinke 10-tonner vrachtauto dus).

Hoogte, luchtdruk, luchtdichtheid en temperatuur (volgens ICAO Standaard Atmosfeer)

Hoe meten we de luchtdruk?

De luchtdruk wordt gemeten met een barometer. Baro is Latijn voor druk. Behalve de reeds besproken buis van Toricelli, de eigenlijke kwikbarometer, kan de luchtdruk ook met een aneroïde barometer en een digitale quartz barometer worden gemeten. Met de laatste soort wordt tegenwoordig op de modern toegeruste weerstations gemeten. Dit principe werkt met een kristalbandje die in verbinding staat met een balg die weer in indirect contact met de buitenlucht staat. Gemeten wordt de frequentie die voortkomt uit de kracht die op het kristalbandje staat en een functie is van de heersende luchtdruk.

De aneroïde barometer werkt d.m.v. het doosje van Vidi. Het doosje is nagenoeg luchtledig en wordt bij een hogere luchtdruk meer samengedrukt. De mate van samendrukking van dit doosje wordt overgebracht op een wijzer. Ook de oudere barograaf werkte dikwijls op dezelfde manier.

Doorsnede atmosfeer …. ontleend aan de Grote Encyclopedie >>>

Hoe gebruiken we het?

De luchtdruk is van groot belang voor de weerkundige. Alle beschikbare metingen geven op deze wijze een goed beeld van de algemeen heersende drukverdeling op aarde. De meteoroloog kan zo de verschillende druksystemen (hoge- en lagedrukgebieden) onderscheiden. De ligging van deze systemen geven inzicht op de heersende en te verwachten windrichting.
De onderlinge luchtdrukverschillen over een bepaalde afstand zijn weer een maat voor de windsnelheid.

Ook voor de luchtvaart is de luchtdruk belangrijk. Piloten stellen op een bepaalde hoogte boven het vliegveld de hoogtemeters aan de hand van de heersende luchtdruk in (de QNH). Boven de zogenaamde transition levelmoet op de QNE of SAS (Standaard Altimeter Setting) van 1013,25 hPa zijn overgegaan. In Nederland ligt dit level meestal op 4000 of 4500 voet (1219 of 1372 m).
Deze waarde van 1013,25 hPa geeft de druk op gemiddeld zeeniveau aan zoals deze volgens de ICAO standaardatmosfeer (ISA) is bepaald. Deze standaardatmosfeer geeft voor elke hoogte tot 32 km een vaste waarde voor de luchtdruk (zie tabel boven). Er wordt dan geen rekening gehouden met de werkelijke temperatuur van de luchtlagen. Aangezien elk vliegtuig op deze standaardatmosfeer vliegt, zijn de afwijkingen t.o.v. de werkelijke atmosfeer nagenoeg hetzelfde. In werkelijkheid vliegt een piloot bij een warmere atmosfeer hoger en bij een koudere atmosfeer lager dan zijn hoogtemeter aangeeft.

Conversie en eenheden van luchtdruk

1 mbar = 1hPa = 0,75 mm kwikdruk
1 hPa = 0,02953 inches kwikdruk (inches zijn vooral nog in Amerikaanse landen in gebruik)
1 inch = 33,864 hPa