La Presión Atmosférica

El aire como todo gas tiene peso propio, esto fue descubierto por Galileo tras observar un recipiente conteniendo aire comprimido, en el que cuyo peso aumentaba proporcionalmente con el aumento de la cantidad de aire que contenía.

En física la presión está definida como al cociente entre la acción de una fuerza sobre la unidad de superficie. P = F/S

En base a esto definimos presión como el peso del gas por unidad de superficie.
Presión atmosférica es el peso de una columna de aire que tiene como base la unidad de superficie y como altura la de la atmósfera.

La presión atmosférica disminuye con la altitud ya que disminuye la cantidad de aire por encima y por tanto su peso. Esta disminución resulta evidente, siendo perfectamente comprensible que si la dimensión vertical de la columna de aire disminuye, la presión ejercida es menor.
Sin embargo, la cuestión es algo más complicada, pues tenemos que contar támbien con la densidad del aire, en el aire frio, el índice de disminución es mayor que en el aire caliente, reduciendose este indice con la altitud. Los meteorólogos han calculado cuánto baja la presión atmosférica por cada metro de elevación. (La gráfica muestra cómo, a medida que se gana altura, cada vez hay que subir más metros para conseguir una determinada variación de la presión: al nivel del mar, haya que subir unos 8 metros para que la presión baje 1 milibar; a 5.000 metros, hay que subir 20 metros).

En nuestras regiones, situadas en una latitud media, la presión atmosférica al nivel del mar, varía entre 950 y 1.050 milibares, siendo la presión media llamada a menudo normal de 760 mm (1.012 mb), por lo que se consideran presiones altas y bajas las respectivamente superiores e inferiores a este valor.
Existe una variación diurna de la presión llamada marea barométrica cuya amplitud es muy pequeña, del orden de 1 milibar. En nuestro pais, la presión sube entre las 4 y las 10 horas, y entre las 16 y las 20 horas y baja entre las 10 y las 16 horas y entre las 22 y las 04 horas. (Horas solares)

La presión se representa gráficamente en los mapas meteorológicos a través de las líneas isobaras. En los mapas de superficie estas líneas unen puntos de la tierra cuya presión atmosférica calculada al nivel del mar es la misma. Se suelen trazar con un intervalo de 4 milibares y se clasifican en presiones altas y presiones bajas, considerándose como presión normal 1012 milibares.
Por su forma pueden ser rectilíneas o curvilíneas, abiertas o cerradas; aunque la configuración más habitual se reduce a dos formas principales cerradas: la de altas y bajas presiones.

Altas presiones
Suelen aparecer representadas en el mapa por isobaras de forma elíptica, con valores crecientes de la presión desde su periferia al centro. Se definen tres configuraciones:

•Anticiclón fijo. Tiene una gran extensión y viene indicado en los mapas con una A. Aunque hay países que utilizan la H (High pressure)

•Anticiclón móvil. Hace de separación de dos familias de depresiones móviles y es más pequeño que una anticiclón fijo. En los mapas se indica con una A.

•Área de altas presiones. Es una región de forma irregular con altas presiones en su interior y sin centros definidos

Bajas presiones
Las isobaras son circulares o elípticas y tienen valores decrecientes de la presión desde su periferia al centro. Se dividen en tres:

•Depresión. Más conocidas como borrasca, las depresiones son casi siempre móviles y se las reconoce por una B y también con una D.

•Ciclón tropical. Su área de influencia es mucho menor.

•Área de bajas presiones. Las isobaras no son circulares y definen varios centro, al contrario de un área de altas presiones.

La diferencia de presión entre dos puntos situados al mismo nivel y separados una unidad de distancia se llama gradiente de presión o gradiente barométrico

La presión es la variable principal con que cuentan los metereólogos para la predicción del tiempo.

Desde el punto de vista histórico, la primera unidad empleada para medir la presión atmosférica fue el "milímetro de mercurio" (mm Hg), esto que aparentemente no tiene relación con la definición, en realidad proviene del experimento de Torricelli (fig 1).

Torricelli utilizó una cubeta llena de Mercurio, en ella sumerge la boca de un tubo de vidrio de un metro de longitud que también se encontraba lleno de mercurio.

La columna de mercurio descendía hasta cierta altura y se detenía a una altura de la superficie quedando el sistema en equilibrio. Esto indica que tomando en cuenta la superficie de la cubeta y la del tubo la presión atmosférica es equilibrada por el peso de la columna de mercurio, desde luego la altura de la columna variará según varíe la presión atmosférica, este es el principio de funcionamiento del barómetro.

Si consideramos una columna de mercurio de un centímetro cuadrado de sección, a nivel del mar la columna medirá 760 mm aproximadamente. El centímetro cúbico de mercurio pesa 13,6 gramos, luego la columna pesa 1033,6 gramos.

La unidad de presión del Sistema Internacional es el N m² y recibe el nombre de Pascal (Pa).
En el Sistema Cegesimal la unidad es la dyn cm² y recibe el nombre de baria (10 baria = 1 Pa).
En el sistema métrico anglosajón, las unidades utilizadas son la pulgada de mercurio y la libra por pulgada cuadrada (psi = pound per square inch = lbf/pulg²), unidad que aún aparece en algunos manómetros.

La equivalencia de estas unidades son:
1 mm Hg = 0,01934 lbf/pulg²
1 pulg de Hg = 2,538 cm Hg =25,38 mm Hg
1 lbf/pulg² = 6894,65 N/m² = 0,0680 atm

Además de estas unidades existen otras tradicionalmente usadas en meteorología.
Entre ellas citaremos:

- La atmósfera (atm): La equivalencia que da el SI es 1 atm = 101325 Pa
Representa la presión que ejerce una columna de mercurio de 0.76 m de altura y de densidad 13596.00 kg m³ en un lugar donde la aceleración de la gravedad es 9.806 m s².

Por lo tanto:
1 atm = 13596.00 kg m³ 9.806 m s² 0.76 m = 101325 Pa

- El bar (b): 1 bar = 106 barias = 105 Pa
- El milibar (mb): 1 mb = 10-3 bar = 102 Pa = 103 barias
1 atm = 1013.25 102 Pa = 1013.25 mb ≅1013 mb

- El Torr (tor) o mm de mercurio: Es la presión ejercida por una columna de un mm de mercurio (mm Hg).
Desde el punto de vista histórico fue la primera unidad utilizada para la medida de la presión. La equivalencia con otras unidades es la siguiente:

1 atm = 760 mm Hg = 760 tor
1 tor = (1/760) atm = (1/760) 101325 Pa = (1/760) 1013.25 102 Pa = 1.333 mb

- El kp cm² o atmósfera técnica (at) es una unidad que se ha usado mucho en la industria:

1 atm = 13596.00 kp m³ 0.76 m = 10333 kp m² = 1,0333 kp cm²
Es decir, que podríamos hacer la aproximación de que la atmósfera ejerce una presión de 1 kilo por cada cm2 de superficie.

Se generalizó el empleo del sistema CGS, basado en el centímetro, el gramo y el segundo. La elección lógica era la "baria", correspondiente a una fuerza de una dina actuando sobre una superficie de un centímetro cuadrado. Consensuado usar como unidad de presión el "bar" que equivale a un millón de dinas, finalmente se adopto el milibar (mb), que es la milésima parte, es decir mil dinas por centímetro cuadrado, siendo el resultado 1013 mb y este es el equivalente a los 760 mm de columna de mercurio.

En la industria también ha sido usada la "atmósfera técnica" (at), definida como la presión debida a la acción de un kilogramo fuerza (kgf) sobre una superficie de un centímetro cuadrado.

Recordemos que 1 kgf corresponde a la fuerza de gravedad actuando sobre una masa de 1 kg, es decir, aproximadamente 9,81 newtons (N). La "atmósfera técnica" no debe confundirse con la "atmósfera normal" o "atmósfera física" (atm), definida como la presión debida a una columna de mercurio de (exactamente) 760 mm, bajo condiciones predeterminadas.

La equivalencia es 1 atm. = 1,033at.

Se conoce con el nombre de barómetro al instrumento para medir la presión atmosférica. Hay dos clases, los basados en el experimento de Torricelli (de columna de mercurio) y los basados en las dilataciones y contracciones de unas cápsulas vacías, conocidos como barómetros aneroides.

Barómetro de mercurio

Támbien conocidos como barómetros líquidos, son aquellos que transforman la presión que se ha de medir en altura equivalente de una columna de líquido con una densidad específica conocida.

Tipos:
۞ Barómetro de Fortin
۞ Barómetro de cubeta fija
Estos dos modelos son los que habitualmente se utilizan en estaciones meteorológicas.

Ambos se basan en el dispositivo utilizado por Torricelli en sus experimentos.
Los diferentes tipos de barómetro de mercurio poco difieren del tubo de Torricelli, en general se diferencian en el diámetro del tubo (que debe impedir el efecto de capilaridad) y el diámetro de la cubeta que debe ser muy superior al del tubo. Así en el barómetro de Tonnelot el diámetro del tubo es de 8 mm, y el diámetro de la cubeta es de una sección 100 veces superior a la del tubo.
El barómetro de mercurio que más se emplea en la actualidad es el Barómetro de Fortín , también llamado de cubeta móvil o de nivel constante, que al contrario de los anteriores que son de cero móvil, es de cero fijo.
El barómetro de Fortín consta en un tubo de vidrio de un metro de longitud lleno de mercurio y colocado, como el tubo de Torricelli, sobre una cubeta cilíndrica de vidrio, con su punta inferior algo afilada. y situada bajo el tubo graduado. Su cubeta posee un fondo compuesto de un material flexible, por lo que puede ser alterado mediante un tornillo auxiliar con el fin de conseguir ajustar el nivel del mercurio de la cubeta al cero de la escala graduada cada vez que se efectúa una medida. Lleva un termómetro adjunto para medir la temperatura del mercurio. Está construido de manera que se conoce la relación entre las secciones del tubo y la cubeta. La escala se hace de tal manera que las subidas del mercurio en el tubo estén compensadas por las bajadas del mercurio en la cubeta. Dispone de un medidor que puede deslizarse a lo largo del tubo graduado por medio de un sistema de engranaje (vernier). La escala tiene una amplitud desde 560 Hpa a 1040 Hpa. Resiste temperaturas entre -15 y 50ºC y la precisión es de +- 0,3 Hpa. Debe contrastarse con un barómetro patrón.

Instalación y medición: Se coloca en el interior de la estación meteorológica, ya que no puede estar expuesto al sol, ni a la corriente de aire. Deben colocarse sobre paredes por las que no pasen cañerías y debe estar a una altura en la que sea fácil medir y completamente vertical. Para medir la presión el primer paso es llevar el mercurio de la cubeta, mediante un tornillo, hasta el extremo de un índice de marfil (es el 0 de la escala). Este procedimiento se llama enrase. Luego se debe ajustar el vernier de manera que apenas toque el menisco que forma el mercurio. Paralelamente se debe medir la temperatura del termómetro adjunto. Una vez leído el dato de presión se deben hacer algunas correcciones: Por temperatura, ya que la altura del mercurio varía con la temperatura, al igual que la escala (esta se hace de ínvar que es un material poco dilatable). Por gravedad (reducir a 45º de latitud y 0 metros)

Los barómetros de sifón son simples manómetros de tubo cerrado en los cuales la rama corta del tubo en J hace las veces de cubeta y la rama larga de tubo de Torricelli. Dentro de los barómetros de mercurio.

Estas clases de barómetros son solo usados en los observatorios, ya que su conservación y exactitud de lectura presenta muchas dificultades a bordo. Actualmente en los barcos solo se usa el barómetro anaeride.

Barómetro aneroide

Támbien conocidos como barómetros de deformación de sólidos o barómetros elásticos porque utilizan la deformación producida en un material por la presión del aire sobre un elemento elástico. Es un barómetro más cómodo, práctico y casi tan preciso como el de mercurio.

De entre los barómetros elásticos podemos citar:

Respecto al barómetro aneroide o cápsula de Vidi cuyo esquema se muestra en la Figura de la izquierda, su nombre proviene de la palabra griega “neros” que significa líquido y el prefijo “a” significa sin; por tanto este barómetro no contiene líquido barométrico. Está formado por una cápsula metálica flexible, cerrada de forma hermética, en el interior de la cual se ha hecho el vacio (cápsula de Vidi). Esta cápsula tiene paredes elásticas muy delgadas que se contraen o se dilatan de acuerdo a las variaciones de la presión atmosférica. Si la presión atmosférica cambia, la cara de la cápsula conectada a un resorte cambia su posición y la elasticidad del resorte provoca que la caja se expanda. Estos movimientos se amplifican por medio de un sistema de engranajes, en el extremo de los cuales se encuentra un índice que señala en una escala graduada. En la imagen se puede ver el aspecto exterior de un barómetro aneroide comercial.
De las dos agujas que se ven, la aguja más fina sirve de referencia para conocer las variaciones barométricas y es de gran valor para hacer predicciones.

El tubo de Bourdon es un tubo de sección cilíndrica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo como se muestra en la imagen.
Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora. El material de que está hecho es, normalmente, acero inoxidable o una aleación de cobre y algunas veces alguna aleación especial.

Basado en las cápsulas aneroides, tenemos también lo que se llama un Barógrafo.
Se trata de un barómetro con un registrador que nos proporciona un diagrama continuo de cómo la presión atmosférica varía con el tiempo.
El elemento sensible está formado por una serie de cápsulas de Vidi colocadas unas a continuación de las otras de manera que sus deformaciones se sumen. A través de un sistema de palancas que amplifican la dilatación o contracción del sistema, comunican a la aguja registradora un recorrido suficiente. El sistema registrador lo hace sobre un papel graduado en milímetros y décimas con las 24 horas de cada día de la semana, enrollado a un tambor, que a su vez, mediante un sistema de relojería, gira una vuelta completa cada siete días. Este papel se conoce con el nombre de barograma.