1. Cos'è la Pressione Atmosferica
La pressione atmosferica è definita come il peso esercitato dalla colonna d'aria sovrastante una determinata unità di superficie terrestre. Poiché l'aria è un fluido dotato di massa e soggetto all'attrazione gravitazionale terrestre, le sue molecole premono in tutte le direzioni contro i corpi con cui entrano in contatto.
Il valore medio della pressione atmosferica a livello del mare, assunto come valore di riferimento standard (atmosfera fisica), corrisponde a:
- \(1013.25 \text{ hPa}\) (ettopascal) o millibar (\(\text{mbar}\))
- \(760 \text{ mm}\) di mercurio (\(\text{mmHg}\))
- \(1 \text{ atm}\)
2. Strumenti di Misura: Il Barometro
Lo strumento utilizzato per misurare la pressione atmosferica è il barometro. Storicamente si distinguono due tipologie principali:
- Barometro a mercurio di Torricelli (1643): Costituito da un tubo di vetro chiuso all'estremità, riempito di mercurio e capovolto in una vaschetta dello stesso metallo. L'altezza della colonna di mercurio (pari a \(76 \text{ cm}\) al livello del mare) equilibra esattamente il peso dell'atmosfera.
- Barometro aneroide: Uno strumento meccanico privo di liquido, basato sulla deformazione elastica di una capsula metallica sottovuoto (capsula di Vidi) la cui superficie si flette al variare della pressione esterna, muovendo una lancetta indicatrice.
3. Fattori di Variazione della Pressione
La pressione atmosferica non è costante, ma varia continuamente in funzione di tre fattori principali:
- L'Altitudine: È il fattore che determina la variazione più drastica. Salendo di quota, la colonna d'aria sovrastante si accorcia e l'aria diventa meno densa; di conseguenza, la pressione diminuisce rapidamente in modo esponenziale.
- La Temperatura: L'aria calda si dilata, diventa meno densa e tende a salire verso l'alto, determinando una diminuzione della pressione al suolo (aree di bassa pressione o cicloni). Al contrario, l'aria fredda si contrae, diventa più pesante e pesante verso il basso, generando alte pressioni (anticicloni).
- L'Umidità (Vapore Acqueo): Il vapore acqueo (\(\text{H}_2\text{O}\), massa molare circa \(18 \text{ g/mol}\)) è più leggero dei gas prevalenti dell'aria secca (azoto \(\text{N}_2\) e ossigeno \(\text{O}_2\), massa molare media intorno a \(29 \text{ g/mol}\)). Pertanto, un'elevata percentuale di umidità riduce la densità dell'aria e ne abbassa la pressione.
La variazione infinitesima di pressione \(dp\) legata allo spessore verticale \(dz\) e alla densità dell'aria \(\rho\) sotto l'accelerazione di gravità \(g\) è espressa dalla formula: $$dp = -\rho \cdot g \cdot dz$$ Il segno meno indica che la pressione diminuisce all'aumentare dell'altitudine. Nei primi strati della troposfera si stima una diminuzione media di circa \(1 \text{ hPa}\) ogni \(8 \text{ metri}\) di dislivello.
📝 Esercizio Svolto: Stima della Pressione in Montagna
Supponendo una pressione atmosferica standard di \(1013 \text{ hPa}\) a livello del mare e considerando una diminuzione approssimativa di \(1 \text{ hPa}\) ogni \(8 \text{ metri}\) di quota nei bassi strati, calcolare la pressione atmosferica stimata sulla cima di una montagna alta \(2400 \text{ metri}\).
Svolgimento analitico:
- Calcolo della caduta totale di pressione: $$\Delta P = \frac{2400 \text{ m}}{8 \text{ m/hPa}} = 300 \text{ hPa}$$
- Calcolo del valore di pressione in cima: $$P_{\text{cima}} = 1013 \text{ hPa} - 300 \text{ hPa} = 713 \text{ hPa}$$
🎯 Conclusione: La pressione atmosferica stimata a \(2400 \text{ metri}\) di quota è di circa \(713 \text{ hPa}\) (pari a circa il \(70\%\) del valore a livello del mare, spiegando la minore disponibilità di ossigeno per respirazione ad alta quota).