Esittely
Aira on konkreettinen aineellinen aine ja sillä on näin ollen massa. Kaikkiin esineisiin, joilla on massaa, vaikuttaa universaali voima, joka tunnetaan painovoimana. Newtonin universaalin gravitaatiolain mukaan: kahta avaruudessa toisistaan erossa olevaa esinettä vetää puoleensa voima, joka on verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Maapallolla painovoima voidaan ilmaista myös kiihtyvyysvoimana, joka on noin 9,8 metriä sekunnissa sekunnissa. Tämän voiman seurauksena minkä tahansa Maan pintaa kohti putoavan esineen nopeus kiihtyy (1. sekunti – 9,8 metriä sekunnissa, 2. sekunti – 19,6 metriä sekunnissa, 3. sekunti – 29,4 metriä sekunnissa jne.), kunnes saavutetaan loppunopeus.
Painovoima muokkaa ja vaikuttaa kaikkiin ilmakehän prosesseihin. Se saa ilman tiheyden ja paineen pienenemään eksponentiaalisesti siirryttäessä poispäin Maan pinnasta. Alla olevassa kuvassa 7d-1 on mallinnettu ilmanpaineen keskimääräistä muutosta korkeuden kasvaessa maanpinnan yläpuolella. Tässä kuvaajassa ilmanpaine maanpinnalla on havainnollistettu olevan noin 1013 millibaaria (mb) eli 1 kilogrammaa neliösenttimetriä kohti pinta-alaa.
Kuvio 7d-1: Keskimääräisen ilmanpaineen muutos korkeuden mukaan.
Asetin, jolla mitataan ilmanpainetta, on nimeltään barometri. Ensimmäinen ilmanpaineen mittaaminen alkoi Evangelista Torricellin vuonna 1643 tekemästä yksinkertaisesta kokeesta. Kokeessaan Torricelli upotti toisesta päästä suljetun putken elohopeaa sisältävään astiaan (ks. kuva 7d-2 alla). Ilmanpaine pakotti elohopean putkeen tasolle, joka oli huomattavasti korkeampi kuin säiliössä oleva elohopea. Torricelli totesi tämän kokeen perusteella, että ilmakehän paine on noin 30 tuumaa eli 76 senttimetriä (yksi elohopeasenttimetri vastaa 13,3 millibaaria). Hän huomasi myös, että elohopean korkeus vaihteli ulkoisten sääolosuhteiden muuttuessa.
Torricellin barometri
Kuva 7d-2: Kaavio, jossa näkyy Torricellin barometrin rakenne.
Kodeissa yleisimmin käytetty barometrityyppi on aneroidi-barometri (kuva 7d-3). Tämän laitteen sisällä on pieni, joustava metallikapseli, jota kutsutaan aneroidikennoksi. Laitteen rakenteessa kapselin sisälle luodaan tyhjiö, jolloin pienet muutokset ulkoilmanpaineessa saavat kapselin laajenemaan tai supistumaan. Aneroidikennon koko on tällöin kalibroitu, ja kaikki sen tilavuuden muutokset välittyvät jousien ja vipujen avulla osoitinvarsille, joka osoittaa vastaavan ilmanpaineen.
Kuvio 7d-3: Aneroidibarometri.
Klimatologisissa ja meteorologisissa tarkoituksissa merenpinnan vakiopaineeksi sanotaan 76,0 cm eli 29,92 tuumaa tai 1013,2 millibaaria. Tutkijat käyttävät usein kilopascalia (kPa) ensisijaisena yksikönään paineen mittaamiseen. Yksi kilopascal vastaa 10 millibaaria. Toinen voimayksikkö, jota tutkijat joskus käyttävät ilmakehän paineen mittaamiseen, on newton. Yksi millibaari vastaa 100 newtonia neliömetriä kohti (N/m2).
Atmosfäärin paine maapallon pinnalla
Kuvassa 7d-4 kuvataan kuukausittainen keskimääräinen merenpinnan paine maapallon pinnalla. Tämä animaatio osoittaa, että ilmanpaine pinnalla vaihtelee sekä alueellisesti että ajallisesti. Talvikuukausina (joulukuusta helmikuuhun) korkeapainealueita kehittyy Keski-Aasian ylle (Siperian korkeapaine), Kalifornian rannikon edustalle (Havaijin korkeapaine), Pohjois-Amerikan keskiosiin (Kanadan korkeapaine), Espanjan ja Luoteis-Afrikan ylle, joka ulottuu subtrooppiselle Pohjois-Atlantille (Azorien korkeapaine), ja eteläisen pallonpuoliskon valtamerten ylle subtrooppisilla alueilla. Matalapainealueita esiintyy Aleuttien eteläpuolella (Aleuttien matalapaine), Grönlannin eteläkärjessä (Islannin matalapaine) ja leveysasteilla 50-80° etelää.
Kesäkuukausien (kesä-elokuu) aikana useat hallitsevat talvipainejärjestelmät häviävät. Poissa ovat Keski-Aasian yläpuolella oleva Siperian korkeapaine ja hallitsevat matalapainejärjestelmät Aleuttien lähellä ja Grönlannin eteläkärjessä. Havaijin ja Azorien korkeapaineet voimistuvat ja laajenevat pohjoiseen omille merialueilleen. Myös eteläisen pallonpuoliskon subtrooppisten valtamerten yläpuolella olevat korkeapaineet voimistuvat ja laajenevat pohjoiseen. Australian ja Etelämantereen ylle kehittyy uusia hallitsevia korkeapainealueita (eteläinen napakorkeus). Keski-Aasian ja Lounais-Aasian ylle muodostuu matalapaineen alueita (Aasian matalapaine). Nämä painejärjestelmät ovat vastuussa Aasian kesämonsuunisateista.
Tarkastelemme tätä kuviota uudelleen aiheessa 7p, kun käsitellään globaalia kiertoa.
Kuvio 7d-4: Kuukausittaiset keskimääräiset merenpinnanpaineet ja vallitsevat tuulet maapallon pinnalla, 1959-1997. Ilmakehänpainearvot on korjattu korkeuden mukaan ja ne on kuvattu suhteessa merenpinnan tasoon. Kuvan alareunassa olevalla liukusäätimellä voi vaihtaa kuukauden ajankohtaa. 05/07/2009 10:08värivarjostus. Siniset sävyt kuvaavat maailmanlaajuista keskiarvoa alhaisempaa painetta, kun taas keltaisesta oranssiin vaihtelevat sävyt kuvaavat keskimääräistä korkeampaa painetta. (Lähde: Climate Lab Section of the Environmental Change Research Group, Department of Geography, University of Oregon – Global Climate Animations).
(Tämän animaation katsominen edellyttää, että selaimessasi on Applen QuickTime-lisäohjelma. QuickTime-liitännäinen on saatavilla Macintosh- ja Windows-käyttöjärjestelmän tietokoneisiin, ja sen voi ladata ILMAISEKSI WWW-sivustolta www.apple.com/quicktime).