Áp suất khí quyển bạn đã từng nghe qua tên gọi này rồi chứ? Nếu bạn từng biết về khái niệm này, nhưng đang còn mơ hồ về nó, tại bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về bản chất, nguyên nhân, ý nghĩa,… của áp suất khí quyển.

Tìm hiểu về áp suất khí quyển

Áp suất khí quyển là gì?

Áp suất khí quyển, còn được gọi là áp suất không khí hay áp suất của bầu khí quyển trái đất, là lực tác động của khí quyển lên bề mặt trái đất, hoặc bề mặt của bất kỳ vật thể nào tồn tại trong bầu khí quyển tính trên một đơn vị diện tích. Nó là kết quả của lực hút trái đất, tác dụng đến lớp không khí bao quanh trái đất (khí quyển).

Đơn vị của của áp suất khí quyển thường sử dụng là “atm” là ký hiệu viết tắt của (atmosphere). Tuy nhiên trong một số trường hợp, ta cũng có thể bắt gặp các đơn vị đo áp suất khác như PSI (pound per square inch), kilopascal (kPa), hectopascal (hPa), milimet thủy ngân (mmHg),… được sử dụng để đo áp suất của khí quyển.

Áp suất khí quyển tại một vị trí cụ thể có thể thay đổi, dựa trên nhiều yếu tố như điều kiện thời tiết, độ cao và vị trí địa lý. Tuy nhiên, trong điều kiện tiêu chuẩn tại mức biển, áp suất khí quyển được quy ước bằng 1 atm (atmosphere).

1 atm tương đương với:

Khoảng 760 mmHg.

Khoảng 1013,25 hPa (hectopascal).

Khoảng 101,325 kPa (kilopascal).

Khoảng 14,7 psi (pound per square inch) hoặc lbs/in² (pound per square inch).

Hình ảnh biểu diễn áp suất của khí quyển tác dụng lên một đơn vị diện tích của bề mặt trái đất

Nguyên nhân hình thành áp suất khí quyển của trái đất

Bầu khí quyển của trái đất gồm lớp bao bọc lấy nhau, trong bầu khí quyển của trái đất có chứa khoảng 21% oxy, 78% nitơ, 0,9% argon còn lại là các loại khí khác (metan, độ ẩm, neon,…) và tạp chất.

Bầu khí quyển Trái Đất kéo dài lên đến tầng exosphere (theo NASA), với khoảng cách 6.200 dặm (10.000 km). Tuy nhiên có những ý kiến khác về vị trí chính xác của về phạm vi của bầu khí quyển, nhưng hầu hết các nhà khoa học đồng ý rằng đường Kármán, cách mặt nước biển 62 dặm (100 km), là điểm chuyển tiếp giữa Trái Đất và không gian. Vì hầu hết khí quyển nằm dưới điểm này, nó được xem là độ cao phù hợp để đánh dấu biên giới giữa Trái Đất và không gian.

Toàn bộ các thành phần có trong bầu khí quyển, chúng rất nhẹ tuy nhiên cũng có một khối lượng nhất định, và chịu sự tác động từ lực hút của trái đất, đồng thời giữa các phân tử trong không khí luôn di chuyển hỗn loạn.

Tổng hợp tất cả những lực trên lại và tính trên một đơn vị diện tích ta được, áp suất của khí quyển tác dụng lên bề mặt trái đất, và bề mặt của các vật thể tồn tại trong bầu khí quyển.

Công thức tính áp suất khí quyển

Trong thực tế để xác định áp suất của không khí tại một vị trí vào đó trên Trái Đất, người ta thường dùng những thiết bị đo chuyên dụng, phổ biến nhất là phong vũ biểu (Barometer).

Do áp suất của khí quyển thay đổi khi chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nêu trong những trường hợp cần đo áp suất với chính xác cao, cần được thực hiện bởi các trạm khí tượng, nó kết hợp nhiều thiết bị thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ cao, độ ẩm, sức gió,… kết hợp với phương trình tính toán phức tạp tùy vào điều kiện cụ thể.

Để đơn giản hóa việc tính áp suất khí quyển, công thức tính áp suất cơ bản ta có thể sử dụng đó là:

P = ρ * g * h

Trong đó:

P là áp suất khí quyển (đơn vị thường là pascal – Pa).
ρ là khối lượng riêng của không khí ở mực nước biển (đơn vị thường là kilogram/mét khối – kg/m³).
g là gia tốc của trọng trường khoảng 9,81 (đơn vị thường là mét/giây bình phương – m/s²).
h là độ cao so với mặt biển (đơn vị thường là mét – m).

Công thức trên dựa trên giả thiết rằng mật độ không khí, gia tốc trọng trường không thay đổi với độ cao, điều này áp dụng cho điều kiện tiêu chuẩn, trong khoảng từ mực nước biển đến độ cao khoảng 10.000 mét.

Tuy nhiên, khi bạn đi lên cao hơn, độ cao và nhiệt độ không khí thay đổi, làm cho mật độ không khí không còn không đổi.

Do đó, nếu bạn muốn tính áp suất khí quyển ở các độ cao khác nhau, bạn cần sử dụng các công thức phức tạp hơn, như phương trình barometric, phương trình thuyết minh khí quyển hoặc sử dụng dữ liệu đo lường thực tế từ các trạm khí tượng.

Những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất khí quyển

Chiều cao so với mặt nước biển

Càng lên cao áp suất khí quyển càng giảm đi. Khi lên cao 100 mét trong khí quyển, áp suất giảm đi một lượng nhất định. Cụ thể, theo mô hình tiêu chuẩn, tỷ lệ giảm áp suất theo độ cao trong không khí là khoảng 1 héc-ta-pascal (hPa) cho mỗi 8-9 mét đi lên cao.

Nếu ta ước tính một cách xấp xỉ, khi lên cao 100 mét, áp suất sẽ giảm khoảng:

ΔP ≈ 100m * (1 hPa / 8m) ≈ 12,5 hPa.

Lưu ý rằng giá trị này có thể biến đổi một chút tùy thuộc vào điều kiện thực tế và địa hình, nhưng đối với các ước tính thông thường, giả định này là phù hợp và cho kết quả gần đúng về sự giảm áp suất khi đi lên cao.

Độ cao đối với áp suất khí quyển là yếu tố có tác động đáng kể. Áp suất khí quyển giảm theo độ cao, có nghĩa là khi bạn đi từ mặt đất lên cao, áp suất khí quyển sẽ giảm.

Nguyên nhân chính, ảnh hưởng đến sự giảm áp suất khí quyển theo độ cao là do lực hút của Trái Đất bị suy giảm. Lực hấp dẫn giữa trái đất đối với các phân tử có trong khí quyển, tị lệ nghịch so với khoảng cách, (càng lên cao khoảng cách càng lớn).

Cụ thể như sau:

Công thức tính lực hấp dẫn giữa hai vật là:

F = G * (m1 * m2) / r^2

Trong đó:

F là lực hấp dẫn giữa hai vật (đoạn thẳng giữa chúng).
G là Hằng số hấp dẫn, cũng được gọi là Hằng số hấp dẫn của Newton, với giá trị xấp xỉ G ≈ 6,67430 x 10^-11 N.m^2/kg^2.
m1 và m2 là khối lượng của hai vật (đơn vị kg).
r là khoảng cách giữa hai vật (đơn vị mét).

Lực hấp dẫn giữa hai vật sẽ tỉ lệ thuận với tích của khối lượng của chúng, và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn sẽ tăng lên, khi khối lượng của hai vật tăng lên hoặc khi khoảng cách giữa chúng giảm.

Ngoài ra lực hút của trái đất giảm xuống, làm cho mật độ không khí loãng hơn, từ đó làm giảm áp suất của khí nén.

Biểu đồ thể hiện sự thay đổi áp suất khí quyển theo độ cao

Các hiện tượng thời tiết

Các hiện tượng thời tiết có ảnh hưởng rất nhiều đến áp suất của khí quyển, hay nói chính xác hơn, sự thay đổi áp suất của khí quyển và các hiện tượng thời tiết có quan hệ mật thiết và có tác động qua lại.

Các hiện tượng thời tiết như gió, bão, nắng nóng,… đều có ảnh hưởng đến áp suất của khí quyển, ở những mức độ khác nhau.

Nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những yếu tố, ảnh hưởng đến áp suất khí quyển và chúng tỉ lệ nghịch với nhau. Trong một khu vực nhiệt độ tăng lên áp áp suất của khí quyển sẽ giảm xuống, hay nói cách khác những khu vực có nhiệt độ cao, có áp suất khí quyển thấp hơn những khu vực có nhiệt độ thấp.

Nguyên nhân là do không khí sẽ có xu hướng giãn nở thể tích, khi nhiệt độ tăng cao, vì vậy cùng một lượng không khí, thể tích chiếm dụng của chúng tăng lên, dẫn đến mật độ suy giảm, từ đó kéo theo sự hạ thấp áp suất của khí quyển.

Vị trí địa lý

Sự ảnh hưởng của vị trí địa lý đến áp suất của khí quyển, lả sự tổng hợp của tất cả các yếu tố trên. Như bạn đã biết bề mặt của trái đất vô cùng rộng lớn với chúng ta, và nó không đồng đều.

Giữa các khu vực có chiều cao và điều kiện khí hậu khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến áp suất của khí quyển.

Thiết bị đo áp suất khí quyển

Thiết bị được sử dụng để đo áp suất của khí quyển, được biết đến phổ biến nhất đó là phong vũ biểu (barometer).

Barometer được phát minh vào thế kỷ 17 và được sử dụng để đo và ghi lại áp suất khí quyển. Có hai loại barometer phổ biến là barometer thủy ngân và barometer không thủy ngân.

Barometer thủy ngân: Barometer thủy ngân sử dụng một cột thủy ngân để đo áp suất. Trong barometer này, một ống thủy ngân dài đặt ngược lên một đĩa thủy tinh mở rộng, và một phần của ống chìm vào một hũ chứa thủy ngân. Áp suất khí quyển tác động lên bề mặt thủy tinh trong ống và đẩy thủy ngân lên trong ống. Chiều cao của cột thủy ngân trong ống thay đổi tùy thuộc vào áp suất khí quyển, và nó có thể được đọc trên một thang đo ở phía bên của ống.
Barometer không thủy ngân: Barometer không thủy ngân sử dụng các thiết bị cơ học để đo áp suất. Một số loại barometer không thủy ngân sử dụng các lò xo hoặc đòn bẩy để ghi lại sự biến đổi áp suất khí quyển trên một thang đo.

Barometer là một công cụ quan trọng trong khí tượng học và được sử dụng để dự báo thời tiết, nghiên cứu khí tượng và khí hậu, và trong các ứng dụng hàng không và định vị độ cao.

Ý nghĩa của áp suất khí quyển

Áp suất khí quyển có ý nghĩa vô cùng quan trọng, trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khí tượng học, địa lý, hàng không, nông nghiệp, y học, công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Bởi vì nó tạo ra một lực tác động lên tất cả các bề mặt, của vật thể tồn tại trên Trái Đất.

Ý nghĩa của áp suất khí quyển được thể qua những ví dụ sau đây:

Dự báo thời tiết: Áp suất khí quyển là một trong những yếu tố quan trọng, trong việc dự báo thời tiết. Sự thay đổi của nó có thể tác động đến các hiện tượng thời tiết như bão, gió mạnh, mưa,…
Hàng không: Trong ngành hàng không, áp suất khí quyển cần được theo dõi để đảm bảo an toàn và hiệu suất của các chuyến bay.
Y học: Áp suất khí quyển cũng có ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Khi thay đổi độ cao đột ngột (khi ta ngồi trên máy bay trong giai đoạn cất và hạ cánh), áp suất khí quyển thay đổi và có thể gây ra hiện tượng trên cơ thể con người, ta cần xác định để tính toán giới hạn an toàn cho phép.
Công nghiệp: Áp suất khí quyển cũng ảnh hưởng đến môi trường trong các quy trình công nghiệp như luyện kim, sản xuất,…

Tóm lại, áp suất khí quyển có ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng rộng rãi đến hoạt động con người và các nhiều loại sinh vật tồn tại trên Trái Đất. Nó là một thông số quan trọng trong việc hiểu và dự báo thời tiết, nghiên cứu khí tượng và khí hậu, và đảm bảo an toàn và hiệu suất trong hàng không, không lưu và các ngành công nghiệp khác.

Những hoạt động của con người có ảnh hưởng đến áp suất của khí quyển không?

Hoạt động con người đã và đang, gây ra nhiều ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống khí quyển của Trái Đất, nó bao gồm nhiều yếu tố như nhiệt độ, thành phần và áp suất. Và điều đáng nói ở đây là những ảnh hưởng mà công người tác động, đến khí quyển đều để lại những hậu quả xấu.

Dưới đây là một số tác động chính, mà hoạt động con người có thể gây ra lên áp suất khí quyển:

Biến đổi khí hậu và hiệu ứng nhà kính: Các hoạt động gây ra phát thải khí nhà kính ( CO2, CH4 và N2O) từ nhiều nguồn như năng lượng hóa thạch, nông nghiệp và công nghiệp. Những khí này giữ nhiệt trong khí quyển, làm tăng nhiệt độ toàn cầu. Sự thay đổi nhiệt độ, ảnh hưởng đến áp suất khí quyển, tiếp theo đó là các biến đổi thời tiết không ổn định.
Giảm rừng và đô thị hóa: Sự giảm diện tích rừng đang diễn ra trên khắp thế giới. Điều này làm thay đổi môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến sự lưu thông không khí và sự sắp xếp khí quyển, ảnh hưởng đến áp suất khí quyển trong một số vùng cụ thể.
Giao thông: Sự gia tăng các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong, góp phần vào tăng lượng khí nhà kính trong khí quyển. Bụi và hạt bụi từ các hoạt động liên quan đến giao thông, góp phần làm tăng mật độ không khí, có thể ảnh hưởng đến áp suất khí quyển trong một số khu vực đô thị.
Công nghiệp và sản xuất: Cũng tương tự như giao thông, những hoạt động sản xuất công nghiệp, gia tăng lượng lớn hạt bụi và trong không khí. Với số lượng rất lớn nó sẽ ảnh hưởng đến áp suất của khí quyển.

Những hoạt động trên và nhiều hoạt động khác tương tự, có thể gây ra sự biến đổi không chỉ về áp suất khí quyển, mà còn về môi trường, khí hậu chung của Trái Đất. Để giảm tác động tiêu cực lên hệ thống khí quyển, cần thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

Tổng kết

Áp suất khí quyển hưởng đến cuộc sống, các hiện tượng tự nhiên trên hành tinh chúng ta. Áp suất khí quyển thay đổi theo địa lý, độ cao, thời tiết và các yếu tố môi trường khác.

Trong điều kiện tiêu chuẩn, áp suất khí quyển tại mực nước biển bằng 1 atm, tương đương với khoảng 1013,25 hPa.

Áp suất khí quyển có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khí tượng học, địa lý, hàng không, không gian, nghiên cứu khoa học và công nghiệp. Điều đáng chú ý là nhiều hành động của con người, đã và đang gây ra sự biến đổi áp suất của khí quyển, tiêu biểu là khai thác rừng quá độ, lượng khí thải từ các phương tiện giao thông, khí thải và bụi phát sinh từ các nhà máy xí nghiệp,…

Sự thay đổi của áp suất của bầu khí quyển, sẽ dẫn đến hệ quả tất yếu là biến đổi khí hậu. Vì vậy để bảo vệ môi trường sống của con người và tất cả những sinh vật sống trên trái đất, ta nên hạn chế những hoạt động, gây ra tác động xấu đến môi trường, cũng như gây ra sự biến đổi áp suất của khí quyển.