Presión atmosférica

Física de la Atmósfera. Meteorología. Medición. Barómetro. Experimento Torricelli

  • Enviado por: Giorgio
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PRESION

Definición

La Presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el Sistema Internacional de unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional.

Instrumentos de Medición

La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugène Bourdon. Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.

Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.

Las presiones bajas en un gas (hasta unos 10-6 mm de mercurio de presión absoluta) pueden medirse con el llamado dispositivo de McLeod, que toma un volumen conocido del gas cuya presión se desea medir, lo comprime a temperatura constante hasta un volumen mucho menor y mide su presión directamente con un manómetro. La presión desconocida puede calcularse a partir de la ley de Boyle-Mariotte. Para presiones aún más bajas se emplean distintos métodos basados en la radiación, la ionización o los efectos moleculares.

Rango de presiones

En la atmósfera, el peso cada vez menor de la columna de aire a medida que aumenta la altitud hace que disminuya la presión atmosférica local. Así, la presión baja desde su valor de 101.325 Pa al nivel del mar hasta unos 2.350 Pa a 10.700 m.

Por 'presión parcial' se entiende la presión efectiva que ejerce un componente gaseoso determinado en una mezcla de gases. La presión atmosférica total es la suma de las presiones parciales de sus componentes (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y gases nobles).

  

LA ATMOSFERA

Generalidades

Atmósfera se define como una mezcla de gases que rodea un objeto celeste (como la Tierra) cuando éste cuenta con un campo gravitatorio suficiente para impedir que escapen. La atmósfera terrestre está constituida principalmente por nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). El 1% restante lo forman el argón (0,9%), el dióxido de carbono (0,03%), distintas proporciones de vapor de agua, y trazas de hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono, helio, neón, kriptón y xenón.

La actual mezcla de gases se ha desarrollado a lo largo de 4.500 millones de años. La atmósfera primigenia debió estar compuesta únicamente de emanaciones volcánicas. Los gases que emiten los volcanes actuales están formados por una mezcla de vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno, sin rastro apenas de oxígeno. Si ésta era la mezcla presente en la atmósfera primitiva, han tenido que desarrollarse una serie de procesos para dar lugar a la mezcla actual. Uno de ellos fue la condensación. Al enfriarse, la mayor parte del vapor de agua de origen volcánico se condensó, dando lugar a los antiguos océanos. También se produjeron reacciones químicas. Parte del dióxido de carbono debió reaccionar con las rocas de la corteza terrestre para formar carbonatos, algunos de los cuales se disolverían en los nuevos océanos. Más tarde, cuando evolucionó en ellos la vida primitiva capaz de realizar la fotosíntesis, los organismos marinos recién aparecidos empezaron a producir oxígeno. Se cree que casi todo el oxígeno que en la actualidad se encuentra libre en el aire procede de la combinación fotosintética de dióxido de carbono y agua. Hace unos 570 millones de años, el contenido en oxígeno de la atmósfera y los océanos aumentó lo bastante como para permitir la existencia de la vida marina y la evolución de animales terrestres capaces de respirar aire.

El contenido en vapor de agua del aire varía considerablemente, de 190 partes por millón (ppm) a -40 °C hasta 42.000 ppm a 30 °C. Otros elementos que en ocasiones constituyen parte de la atmósfera en cantidades minúsculas son el amoníaco, el sulfuro de hidrógeno y óxidos, como los de azufre y nitrógeno cerca de los volcanes, arrastrados por la lluvia o la nieve. No obstante, el principal riesgo se centra en los óxidos y otros contaminantes emitidos a la atmósfera por las industrias y los vehículos debido a los efectos dañinos que originan cuando forman la lluvia ácida. Hay además muchas posibilidades de que el progresivo incremento de dióxido de carbono, producido sobre todo por los combustibles fósiles desde el siglo pasado, pueda afectar al clima planetario a través del llamado efecto invernadero.

Hay similar preocupación por el brusco aumento del contenido de metano en la atmósfera. Su concentración ha aumentado un 11% desde 1978. Más o menos el 80% del gas es producido por descomposición en arrozales, pantanos, intestinos de los animales herbívoros, y por las termitas tropicales. Añadido al efecto invernadero, el metano reduce el volumen atmosférico de iones hidroxilo, alterando así la capacidad de la atmósfera para autodepurarse de contaminantes.

El estudio de muestras indica que hasta los 88 km. por encima del nivel del mar la composición de la atmósfera es sustancialmente la misma que al nivel del suelo. El movimiento continuo ocasionado por las corrientes atmosféricas contrarresta la tendencia de los gases más pesados a permanecer por debajo de los más ligeros. En la parte más baja de la atmósfera está presente, en proporciones muy reducidas, el ozono, un isótopo del oxígeno con tres átomos en cada molécula. La capa atmosférica que va de los 19 a los 48 km. tiene un mayor contenido en ozono, producido por la radiación ultravioleta procedente del Sol. Pero, incluso en este estrato, el porcentaje es sólo de un 0,001 por volumen. Las perturbaciones atmosféricas y las corrientes descendentes arrastran distintas proporciones de ozono hacia la superficie terrestre. En las capas bajas de la atmósfera, la actividad humana incrementa la cantidad de ozono, que se convierte en un contaminante capaz de ocasionar daños graves en las cosechas.

La capa de ozono se ha convertido en motivo de preocupación desde comienzos de la década de 1970, cuando se descubrió que los clorofluorocarbonos (CFC), o clorofluorometanos, estaban siendo vertidos a la atmósfera en grandes cantidades a consecuencia de su empleo como refrigerantes y como propelentes en los aerosoles. La preocupación se centraba en la posibilidad de que estos compuestos, a través de la acción solar, pudiesen atacar fotoquímicamente y destruir el ozono estratosférico, que protege la superficie del planeta del exceso de radiación ultravioleta. El resultado ha sido que, en los países industrializados, se ha abandonado la utilización de clorofluorocarbonos para todos aquellos usos que no son esenciales.

Capas de la Atmósfera

La atmósfera se divide en varios niveles. En la capa inferior, la troposfera, la temperatura suele bajar 5,5 °C por cada 1.000 metros. Es la capa en la que se forman la mayor parte de las nubes. La troposfera se extiende hasta unos 16 km. en las regiones tropicales (con una temperatura de -79 °C) y hasta unos 9,7 km. en latitudes templadas (con una temperatura de unos -51 °C). A continuación está la estratosfera. En su parte inferior la temperatura es prácticamente constante, o bien aumenta ligeramente con la altitud, especialmente en las regiones tropicales. Dentro de la capa de ozono, aumenta más rápidamente, con lo que, en los límites superiores de la estratosfera, casi a 50 km. sobre el nivel del mar, es casi igual a la de la superficie terrestre. El estrato llamado mesosfera, que va desde los 50 a los 80 km., se caracteriza por un marcado descenso de la temperatura al ir aumentando la altura.

Gracias a las investigaciones sobre la propagación y la reflexión de las ondas de radio, sabemos que a partir de los 80 km., la radiación ultravioleta, los rayos X y la lluvia de electrones procedente del Sol ionizan varias capas de la atmósfera, con lo que se convierten en conductoras de electricidad. Estas capas reflejan de vuelta a la Tierra ciertas frecuencias de ondas de radio. Debido a la concentración relativamente elevada de iones en la atmósfera por encima de los 80 km., esta capa, que se extiende hasta los 640 km., recibe el nombre de ionosfera. También se la conoce como termósfera, a causa de las altas temperaturas (en torno a los 400 km. se alcanzan unos 1.200 °C). La región que hay más allá de la ionosfera recibe el nombre de exósfera y se extiende hasta los 9.600 km., lo que constituye el límite exterior de la atmósfera.

La densidad del aire seco al nivel del mar representa aproximadamente un 1/800 de la densidad del agua. A mayor altitud desciende con rapidez, siendo proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. La presión se mide mediante un barómetro y su valor, expresado en torrs, está relacionado con la altura a la que la presión atmosférica mantiene una columna de mercurio; 1 torr equivale a 1 mm de mercurio. La presión atmosférica normal a nivel del mar es de 760 torrs, o sea, 760 mm de mercurio. En torno a los 5,6 km. es de 380 torrs; la mitad de todo el aire presente en la atmósfera se encuentra por debajo de este nivel. La presión disminuye más o menos a la mitad por cada 5,6 km. de ascensión. A una altitud de 80 km. la presión es de 0,007 torr.

La troposfera y la mayor parte de la estratosfera pueden explorarse mediante globos sonda preparados para medir la presión y la temperatura del aire y equipados con radiotransmisores que envían la información a estaciones terrestres. Se ha explorado la atmósfera más allá de los 400 km. de altitud con ayuda de satélites que transmiten a tierra las lecturas realizadas por los instrumentos meteorológicos.

  

Barómetro

La palabra barómetro viene del Griego donde:

Báros = Presión

Métron = Medida

Por lo tanto, es un aparato para medir la presión atmosférica.

El primer Barómetro lo ideo Evangelista Torricelli cuando trataba de explicar que las bombas aspirantes no pueden hacer subir el agua más allá de cierta altura.

Un barómetro de mercurio de Torrecelli se puede construir fácilmente. Se llena de mercurio un tubo delgado de vidrio de unos 80 cm de longitud y cerrado por un extremo; se tapa el otro extremo y se sumerge en una cubeta que contenga también mercurio; si entonces se destapa se verá que el mercurio del tubo desciende unos centímetros, dejando en la parte superior un espacio vacío (cámara barométrica o vacío de Torrecelli). La altura de la columna de mercurio en el tubo, medida desde la superficie del mercurio de la cubeta, es de 760 mm al nivel del mar y en condiciones normales. Torrecelli dedujo que la presión ejercida por la atmósfera sobre la superficie libre de mercurio de la cubeta era suficiente para equilibrar la presión ejercida por la columna. La altura de dicha columna constituye, por lo tanto una medida de presión atmosférica. Lo mismo puede decirse de una columna de agua que, a causa del menor peso especifico, puede ascender en el tubo de una bomba aspirante a una altura algo mayor de 10 m exactamente a 10.33 m = 0.76 * 13.59, siendo 13.59 el peso especifico del mercurio.

Posteriormente, habiendo observado que la presión atmosférica disminuye en proporción a la altitud sobre el nivel del mar y comprobada la dependencia entre condiciones atmosféricas y presión, se trato de idear otros barómetros de mercurios más adecuados al uso normal, entre ellos el llamado de "sifón". Esquemáticamente, este barómetro consiste en un tubo en U, con uno de los brazos cerrados y de 1m de longitud y en el otro corto y abierto, conteniendo mercurio. Al variar la presión atmosférica, varía la diferencia de niveles del mercurio en las dos ramas.

El barómetro de Fortin se compone de un tubo Torricelliano que se introduce en el mercurio contenido en una cubeta de vidrio en forma tubular, provista de una base de piel de gamo cuya forma puede ser modificada por medio de un tornillo que se apoya en su centro y que, oportunamente girado, lleva el nivel del mercurio del cilindro a rozar la punta de un pequeño cono de marfil. Así se mantiene un nivel fijo. El barómetro está totalmente recubierto de latón, salvo dos ranuras verticales junto al tubo que permiten ver el nivel de mercurio. En la ranura frontal hay una graduación en milímetros y un nonius para la lectura de décimas de milímetros. En la posterior hay un pequeño espejo para facilitar la visibilidad del nivel. Al barómetro va unido un termómetro. Los barómetros Fortin se usan en laboratorios científicos para las medidas de alta precisión, y las lecturas deben ser corregidas teniendo en cuenta todos los factores que puedan influir sobre las mismas, tales como la temperatura del ambiente, la aceleración de gravedad de lugar, la tensión de vapor del mercurio, etc.

Con vistas a la difusión de los barómetros para mediciones de altura y para la previsión del tiempo se han ideado unos barómetros metálicos más manejables y económicos que el de Fortin, son los llamados aneroides y holostéricos, si bien son menos precisos. El primero está formado por un tubo de sección elíptica doblado en forma de aro, en el que se ha obtenido una alta rarefacción. El tubo doblado queda fijo en un punto y la extremidad de los semicírculos así obtenidos es móvil. Con el aumento de la presión atmosférica, el tubo tiende a cerrarse; en el caso contrario tiende a abrirse. La extremidad de los semicírculos está unida a los extremos de una barrita que gira sobre su centro; ésta, a través de un juego de engranajes y palancas, hace mover un índice.

El barómetro metálico holostérico está formado por un recipiente aplanado, de superficies onduladas en el que se ha logrado una intensa rarefacción antes de cerrarlo; en una de las caras se apoya un resorte que, con las variaciones de presión atmosférica, hace mover un índice por medio de un juego de palancas.

Nota: 1bar=105 Pa.

Presión atmosférica
Presión atmosférica
Presión atmosférica

(experimento: Torrecelli) (Evangelista Torrecelli) (Fuente: www.galileo.imss.firenze.it/museo)

Presión atmosférica

(fuente: www.loner.ccsr.uiuc.edu/cyberprof)

Presión atmosférica

(fuente: enciclopedia Encarta, barómetro aneroide)

 

Presión atmosférica

Presión atmosférica

Presión atmosférica

El barómetro casero

Es un instrumento que sirve para medir la presión  atmosférica o peso del aire. Fué descubierto en 1644 por el italiano Evangelista Torricelli - protegido de Galileo - quien comprobó que la presión atmosférica al nivel del mar era equilibrada por una columna de mercurio de 760 mm. de altura. Al elevarnos, tendremos menos espesor de columna de aire encima y la presión atmosférica descenderá. De aquí que la presión atmosférica de ciudades altas ( Segovia, León, Soria, Cuenca, Avila...) será mucho menor que la de otras situadas al nivel del mar ( La Coruña, Santander, San Sebastián, Barcelona, Alicante, Málaga ...).
 
 

Presión atmosférica

Presión atmosférica

Principios de la presión atmosférica: barómetro de Torricelli 

Barómetro tipo Fortín de mercurio

El barómetro normal que se vende en el comercio suele ser de tipo aneroide.  Está consitutido por cápsulas metálicas de paredes delgadas, en cuyo interior se ha hecho el vacío (se ha extraido el aire). Al aumentar la presión atmosférica, actúa sobre las paredes y la aguja sube sobre un limbo graduado en milimetros. Al disminuir la presión, las  cápsulas se dilatan y la aguja baja sobre el limbo.  Una tapa de vidrio cubre el aparato y suele llevar otra aguja dorada, que se mueve a mano sobre el limbo con un botón exterior situado en el centro del cristal. Esta aguja dorada sirve como referecia. Al hacer la lectura se sitúa sobre la aguja negra. Así se sabe si la presión ha subido o bajado desde la última lectura, en el intervalo de tiempo transcurrido. Es conveniente hacer las lecturas en horas fijas y situar entonces la aguja dorada sobre la negra.
 
 

Presión atmosférica

ares - hay un limbo rotulado que indica:"buen tiempo" , "variable”,  "lluvia"  ...  De ello hay que hacer poco caso,  pues de lo contrario , el "barómetro casero sería embustero". Estas frases no tienen en cuenta la altitud    ( nivel del mar, meseta, montaña...)  ni la región de España en que está situado el barómetro( Cantabria, Centro, Andalucía, Levante, Canarias ...)

Solamente con la presión atmosférica no es posible predecir el tiempo. Además de saber si la presión baja, (se acerca una borrasca), o sube, (viene un anticiclón), sería preciso conocer la temperatura y humedad del aire - frío o cálido,  seco o húmedo - y además  de dónde viene el viento y  el tipo de nubes.

Cuando se compra un barómetro, al ir a colocarlo en casa, es muy conveniente consultar a un observatorio meteorológico  la presión media del lugar y la altura a la que está instalada la cubeta del barómetro patrón del observatorio. Así por ejemplo, en el Observatorio Meteorológico de Madrid-Retiro la presión media  es de 705,3  mm. y la altura de la cubeta del barómetro  es de 667 metros, respecto al nivel del mar.
 
 

Aproximadamente la presión atmosférica viene a descender un milímetro cada 11 metros. Es decir, si trasladamos el baómetro del portal a la azotea de una casa de 55 metros, la presión descendería 5 mm. Rudimentariamente diremos que la presión atmosférica respecto al suelo decrece en progresión geométrica cuando la altura lo hace en progresión aritmética.
 
 

Presión atmosférica

Variación aproximada de la presión atmosférica con la altura, partiendo desde la superficie terrestre, a 1013 mb y en una atmosfera tipo o estándar.

Para calibrar los altímetros de los aviones, que también son barómetros aneroides, se ha inventado una atmósfera-tipo, referida al nivel del mar y a una temperatura del aire de 15º C, en la que se hace la hipótesis de un descenso de 5ºC  cada 1000 metros. Los altímetros llevan el limbo graduado en metros y en  milibares.

El milibar o hectopascal es una unidad de presión. Su equivalencia es 1 mb. = 3/4 mm. = 0,76 mm. . De donde 1 mm. = 4/3 mb. = 1,3 mb..

Las líneas isobaras, que unen puntos de igual presión, vienen rotuladas en los mapas del tiempo  en mb. (Hpa). En nuestras latitudes, una borrasca muy profunda alcanzaría raramente los 670 mm. ó 890 mb., y un potente anticiclón, con aire frío y denso, los 780 mm. = 1040 mb.

Cuando la presión desciende en el barómetro es indicio de que llega una borrasca que puede traer nubes, viento y lluvia. Cuando la presión asciende es señal de que se refuerza un anticiclón con viento encalmado. El cielo puede estar despejado o con niebla.

Ya hemos dicho que la presión atmosférica varía con la temperatura, la cual hace al aire más liviano e inestable. En España, en verano, se forma una baja de carácter térmico sobre Extremadura y La Mancha.
 

Reglas de predicción casera
 

Si la presión desciende lentamente, por debajo del nivel normal de referencia (  unos 6 mm. cada 24 horas), la borrasca pasa lejos.

Si la presión desciende rápida ( 1 mm. cada hora), se acerca una profunda borrasca.

Si el barómetro sube lentamente por encima del valor normal, se afianza buen tiempo seco y encalmado, de anticiclón.

Si el barómetro sube muy bruscamente, la mejoría puede ser pasajera, por tratarse del paso de una dorsal anticiclónica entre dos borrascas.

En general, los cambios bruscos de presión -subida o bajada- son bastante indecisos para asegurar persistencia del tiempo. Habrá que seguir observando.

Las subidas de presión en zonas costeras o valles, donde el aire tiene mucha densidad incorporada, no siempre dan buen tiempo de cielo despejado y seco, ya que pueden formarse persistentes bancos de niebla. De ésto saben mucho ciudades como Zaragoza, Lérida, Valladolid, Salamanca... o bien Pontevedra, Bilbao, Barcelona...

El refranero popular  recoge el comportamiento del barómetro en expresiones como

 "Cuando sube la presión, te puedes ir de excursión"
 "Si la presión baja y viene mezquino, mejor quedarse en el casino"
 "Si baja y viene borrasca, puedes quedarte en la tasca"

Construcción de un barómetro casero y utilización de métodos meteorológicos naturales para predecir el tiempo.

Materiales:

ð       Un tubo de ensayo con tapa

ð       Una taza de agua desfilada.

ð       50 centigramos de alcanfor

ð       50 centigramos de cloruro de armonio

ð       50 centigramo de nitrato de potasio

Desarrollo:

1.    Tomar el alcanfor y disolverlo en el mismo frasco agregándole el agua destilada.

2.    Colocar también el cloruro de armonio, nitrato de potasio y mezclarlo todo.

3.    Ponerlo en un tubo de ensayo bien tapado y si es posible licuarlo.

4.    Exponer el tubo hacia el norte y ver los cambios que se produzcan en la coloración.

5.    Al enturbiarse, es signo de que se aproximan lluvias y si solo se produce unos filamentos o velos, es anuncio de humedad o posibles cambios climáticos.

Las nubes:

ð       Cirros: Son el tipo de nubes que están a mayor altura. Están formadas por cristales de hielo. Indican buen tiempo con presencia de vientos.

ð       Cirros cúmulos: Anuncian que se producirá un cambio de clima, indicando la proximidad de lluvia dentro del próximas día. También conocidas como cielos aborregado o empedrados.

ð       Cúmulos: Por lo general, tienen una base plana y dan la sensación de motas blancas. Se mueven sobre una columna de aire caliente. Son sinónimo de buen tiempo.

ð       Nimbos: Nubes que traen las lluvias. Son oscuras y con forma de yunque.

ð       Estrato: Capa de nubes espesa y muy bajas. Parecen un velo blancuzco y forman un halo alrededor del sol y la luna. La niebla se forma con parte de estrato que circulan a nivel del suelo; por lo general, señalan la aproximación de una baja de presión con posibilidades de traer mal tiempo.

ð       Altos extractos: Son unas capa se nubes bajas y densas de color gris que oscurecen el sol. no caracterizan cambios climáticos fuertes.

La humedad:

ð       Es directamente proporcional a la posibilidad de lluvias.

ð       Si el aire esta seco, el humo de los fogones sube al cielo y se dispersa indica buen tiempo; de lo contrario, si el humo se arrastra, hay posibilidades de lluvias próximas.

ð       Si al observar una fogata, el humo y las llamas cambian de dirección, muchas veces puede indicar mal tiempo en la cercanía.

CONSTRUCCIÓN DE UN BARÓMETRO CASERO

Presión atmosférica

PROCEDIMIENTO

  • Llenar la botella de agua y colocarla invertida dentro de un plato con agua, evitando que se salga el agua de la botella.
    2. Colocar el soporte para detener la botella.
    3. Marcar el nivel del agua en la botella.
    4. Colocar una escala.
    5. Colocar el dispositivo lejos del calor  para que el agua no se evapore rápidamente.
    6. Tomar nota diariamente del nivel que ha alcanzado el agua.
    * Para evitar que se evapore el agua del plato se pueden agregar una gotas de glicerina.

  • MATERIAL

    Una botella de plástico de 2 litros
    Una tira cortada de una hoja de papel milimétrico para hacer la escala.
    Un plato hondo.
    Un soporte (puede ser una regla).
    Agua.

    *Glicerina (opcional)

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