Áp suất khí quyển là sức nặng của cả cột không khí phía trên đè lên mỗi đơn vị diện tích. Ở mực nước biển, áp suất chuẩn là 1013,25 hPa, bằng 1 atm, bằng 760 mmHg, tương đương khoảng 10,3 tấn đè lên mỗi mét vuông. Các đơn vị atm, hPa, mmHg, bar, psi chỉ là những cách đo khác nhau cho cùng một đại lượng, mỗi ngành quen dùng một kiểu.
Áp suất sinh ra từ đâu
Không khí có khối lượng, và Trái Đất kéo nó xuống. Mỗi mét vuông mặt đất ở mực nước biển "đỡ" trên mình một cột khí cao hàng trăm km, nặng khoảng 10.300 kg. Đó là nguồn gốc của áp suất khí quyển.
Ở góc nhìn của phân tử, áp suất là kết quả của vô số cú va chạm: mỗi giây, mỗi cm² bề mặt bị phân tử không khí đập vào khoảng mười mũ hai mươi ba lần. Từng cú va chạm vô cùng nhỏ, cộng lại thành một lực đều đặn đẩy theo mọi hướng, cả lên trên, xuống dưới lẫn sang ngang. Đó là lý do áp suất không chỉ "đè xuống" mà còn đẩy từ dưới lên, như khi tấm bìa giữ được cốc nước lật úp.
Cơ thể người không bị đè bẹp vì chất lỏng và khí trong cơ thể ở cùng áp suất với bên ngoài. Ta chỉ cảm nhận được áp suất khi có chênh lệch: tai ù khi máy bay hạ độ cao, hộp sữa giấy bị hút bẹp khi mút hết.
Bảng quy đổi các đơn vị áp suất
| Đơn vị | Giá trị của 1 atm | Ai hay dùng |
|---|---|---|
| Pascal (Pa) | 101.325 Pa | Đơn vị chuẩn quốc tế SI, khoa học |
| Hectopascal (hPa) | 1013,25 hPa | Khí tượng, bản tin thời tiết |
| Milibar (mbar, mb) | 1013,25 mbar | Khí tượng (cách gọi cũ, bằng đúng hPa) |
| Bar | 1,01325 bar | Công nghiệp, lặn biển, áp suất lốp ở châu Âu |
| Milimét thuỷ ngân (mmHg) | 760 mmHg | Y khoa (huyết áp), phong vũ biểu cổ điển |
| Inch thuỷ ngân (inHg) | 29,92 inHg | Hàng không và thời tiết ở Mỹ |
| Pound trên inch vuông (psi) | 14,7 psi | Lốp xe, máy nén khí ở Mỹ |
| Kilopascal (kPa) | 101,3 kPa | Kỹ thuật, nhiều thông số lốp xe |
Hai mẹo nhớ: 1 hPa = 1 mbar, đúng tuyệt đối; và 1 mmHg ≈ 1,333 hPa. Một bản tin ghi áp suất 1.005 hPa tức là khoảng 754 mmHg.
Vì sao lại là "milimét thuỷ ngân"
Năm 1643, Evangelista Torricelli, học trò của Galileo, đổ đầy thuỷ ngân vào ống thuỷ tinh dài, bịt đầu rồi úp ngược vào chậu thuỷ ngân. Cột thuỷ ngân tụt xuống và dừng ở độ cao khoảng 76 cm. Thứ giữ cột thuỷ ngân không tụt hết chính là áp suất không khí đè lên mặt chậu. Từ đó, chiều cao cột thuỷ ngân thành thước đo áp suất, và "760 mmHg" ra đời. Nếu dùng nước thay thuỷ ngân, cột sẽ cao khoảng 10,3 m, quá bất tiện.
Hectopascal thay milibar
Milibar được các nhà khí tượng dùng từ đầu thế kỷ 20. Khi hệ đơn vị quốc tế SI phổ biến, pascal (đặt theo tên Blaise Pascal) thành đơn vị chuẩn, nhưng 1 Pa quá nhỏ cho thời tiết. Ngành khí tượng chọn hectopascal (100 Pa) vì nó bằng đúng 1 milibar, không phải sửa con số nào trên bản đồ. Đó là lý do bản tin bây giờ ghi hPa mà số vẫn như xưa.
Áp suất tuyệt đối và áp suất đồng hồ
Đây là chỗ hay gây nhầm lẫn trong đời sống. Khi đồng hồ bơm lốp chỉ "2,2 bar", đó là áp suất vượt trên áp suất khí quyển (áp suất đồng hồ, gauge pressure). Áp suất tuyệt đối trong lốp thực ra khoảng 3,2 bar. Đồng hồ đặt ra ngoài trời chỉ số 0 vì nó lấy không khí xung quanh làm mốc.
Ngược lại, phong vũ biểu khí tượng đo áp suất tuyệt đối, tính từ chân không. Khi so sánh hai con số, luôn cần biết đó là loại nào.
Áp suất trên Trái Đất dao động bao nhiêu
| Trường hợp | Áp suất (quy về mực nước biển) |
|---|---|
| Kỷ lục cao nhất được WMO công nhận: Agata, Siberia (Nga), 31/12/1968 | ~1083,8 hPa |
| Áp cao mùa đông mạnh trên lục địa | ~1.040–1.060 hPa |
| Ngày bình thường | ~1.000–1.025 hPa |
| Áp thấp ôn đới mạnh | ~950–970 hPa |
| Tâm bão nhiệt đới rất mạnh | dưới 920 hPa |
| Kỷ lục thấp nhất (ngoài lốc xoáy): bão Tip, tây bắc Thái Bình Dương, 12/10/1979 | 870 hPa |
Toàn bộ dải dao động ở mặt biển chỉ khoảng 20%. Nhưng chính những chênh lệch nhỏ ấy, vài hPa trên vài trăm km, đã đủ sinh ra gió.
Thuỷ triều khí quyển
Ở vùng nhiệt đới, kể cả Việt Nam, nếu ghi áp suất suốt một ngày yên tĩnh sẽ thấy một nhịp đều: áp suất cao nhất khoảng 10 giờ sáng và 10 giờ tối, thấp nhất khoảng 4 giờ chiều và 4 giờ sáng, chênh khoảng 1–3 hPa. Đây là thuỷ triều khí quyển bán nhật, chủ yếu do Mặt Trời sưởi nóng tầng ozone và hơi nước theo chu kỳ ngày đêm, khác với thuỷ triều biển do Mặt Trăng chi phối. Ở vĩ độ cao, nhịp này bị các hệ thời tiết lấn át, còn ở vùng nhiệt đới nó hiện ra khá rõ.
Đo áp suất bằng gì
- Phong vũ biểu thuỷ ngân: chuẩn xác, dùng trong đài khí tượng suốt hơn ba thế kỷ, nay dần bị thay thế vì thuỷ ngân độc.
- Phong vũ biểu hộp (aneroid): do Lucien Vidi (Pháp) sáng chế năm 1844, dùng một hộp kim loại mỏng hút gần hết khí, co giãn theo áp suất. Đồng hồ áp suất treo tường trong nhà thường là loại này.
- Cảm biến điện tử: một màng silicon siêu nhỏ, có trong đài khí tượng tự động, bóng thám không và cả điện thoại thông minh. Điện thoại dùng nó để đoán bạn đang ở tầng mấy, hỗ trợ định vị.
Vì sao phải "quy về mực nước biển"
Áp suất giảm khoảng 1 hPa cho mỗi 8 mét lên cao gần mặt đất. Nếu không hiệu chỉnh, trạm ở Đà Lạt luôn báo áp suất thấp hơn trạm ở Vũng Tàu khoảng 150 hPa, và bản đồ áp suất chỉ vẽ lại địa hình. Vì thế các trạm khí tượng quy đổi số đo về mực nước biển, để bản đồ thể hiện đúng sự khác biệt do thời tiết.
Góc nhìn hôm nay
- Nếu điện thoại có cảm biến khí áp, các ứng dụng đo áp suất miễn phí sẽ hiện con số hPa. Thử đo ở tầng trệt và tầng thượng một toà nhà, hoặc ghi lại cả ngày để thấy thuỷ triều khí quyển.
- Bảo tàng Khoa học hay phòng thí nghiệm vật lý trường phổ thông thường có phong vũ biểu hộp; nhìn cơ cấu đòn bẩy bên trong rất dễ hiểu.
- Muốn biết số liệu chuẩn, Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) có kho kỷ lục thời tiết và khí hậu toàn cầu, ghi cả kỷ lục áp suất cao nhất và thấp nhất kèm nguồn kiểm chứng.
Câu hỏi thường gặp
1 atm bằng bao nhiêu hPa?
1 atm bằng 1013,25 hPa, tức 101.325 Pa. Đây là áp suất chuẩn ở mực nước biển, cũng bằng 760 mmHg và khoảng 14,7 psi.
hPa và mbar khác nhau thế nào?
Không khác gì về giá trị: 1 hPa đúng bằng 1 mbar. Ngành khí tượng chuyển sang hPa vì đây là đơn vị thuộc hệ SI, nhưng giữ nguyên con số quen thuộc trên bản đồ.
Áp suất khí quyển bình thường là bao nhiêu?
Ở mực nước biển, áp suất thường dao động trong khoảng 1.000–1.025 hPa. Áp suất chuẩn quy ước là 1013,25 hPa. Lên cao áp suất giảm dần, khoảng 1 hPa cho mỗi 8 mét gần mặt đất.
Vì sao cơ thể không bị áp suất không khí đè bẹp?
Vì áp suất tác động đều từ mọi phía, và chất lỏng, khí bên trong cơ thể có cùng áp suất với bên ngoài. Ta chỉ cảm nhận áp suất khi có chênh lệch, như ù tai lúc máy bay hạ độ cao.
Áp suất cao nhất và thấp nhất từng đo được là bao nhiêu?
Cao nhất khoảng 1083,8 hPa tại Agata (Siberia, Nga) ngày 31/12/1968. Thấp nhất ngoài lốc xoáy là 870 hPa trong tâm bão Tip ở tây bắc Thái Bình Dương ngày 12/10/1979.
Áp suất lốp 2,2 bar có phải áp suất tuyệt đối không?
Không. Đó là áp suất đồng hồ, tức phần vượt trên áp suất khí quyển. Áp suất tuyệt đối trong lốp khoảng 3,2 bar, vì phải cộng thêm khoảng 1 bar của khí quyển.
