Atmospheric pressure - air pressure

Japanese: 気圧 - きあつ

This refers to atmospheric pressure. Since air is a gas, its nature is to increase its volume without limit. Therefore, when air is trapped inside a container, it will continue to expand, and as a result, it will not only push against the inside of the container, but also everything inside the container. This pushing force is called air pressure, or atmospheric pressure. Since air is invisible, the concept of atmospheric pressure is difficult to grasp, but it is similar to the water pressure you experience when you are underwater. One atmosphere is equivalent to a weight of about 1 kilogram per square centimeter, so you might think that things like tofu or cotton would not be crushed, but tofu contains water and cotton is connected to the air, so it will not be crushed.

[Masaji Ota]

Discovery of atmospheric pressure

In 1643, Italian physicist Torricelli conducted an experiment using a column of mercury packed in a glass tube, establishing the concept of atmospheric pressure (Torricelli's experiment). In 1647, French physicist, mathematician and philosopher Pascal conducted an experiment showing that air pressure decreases with increasing altitude, and in the 1650s, German physicist Guericke conducted an experiment showing that two hemispheres sealed together in a vacuum were difficult to separate, demonstrating the existence of atmospheric pressure.

[Masaji Ota]

Unit of pressure

The millibar (symbol mb) is used to express atmospheric pressure. 1 millibar is the pressure when a force of 1000 dynes (dyn) acts on a surface area of 1 square centimeter. It is also sometimes expressed in millimeters of the height of a mercury column. 1 millimeter of mercury column is the pressure that a 1 millimeter thick column of mercury at 0°C exerts on its base when the standard gravity is 980.665 centimeters per second per second. This unit is not used in the meteorological world, but is used in other fields. The unit between the two is 1mm of mercury column = 1.3332mb.
There is a relationship between

Approximate average atmospheric pressure on Earth: 760mm of mercury = 1013.25mb
is taken as the standard, and this is called 1 atmosphere.

The World Meteorological Organization (WMO) began using hectopascals (symbol: hPa) instead of millibars in 1984. Japan has also used hectopascals since December 1992. 1 millibar is equal to 1 hectopascal, so only the name of the unit has changed; the value of atmospheric pressure itself remains the same.

[Masaji Ota]

Measuring air pressure

A mercury barometer is used to measure air pressure accurately, while an aneroid barometer is used to measure the value relatively. When air pressure is measured with a mercury barometer, the reading must be subjected to freezing point and gravity correction. This is because the unit of air pressure is determined to be the thickness of a column of mercury at 0°C and standard gravity. Aneroid barometers are made by removing the air from a metal can (empty box), and use the phenomenon in which the empty box expands and contracts with changes in air pressure to indicate the amount of expansion and contraction with a pointer. The position of the pointer on the scale is aligned in advance with the measured value of a mercury barometer. In principle, there is no need for corrections such as freezing point or gravity correction, and they are easy to transport, so they are widely used in practice.

[Masaji Ota]

Pressure and altitude

Air pressure decreases as you go higher. The ratio is 1 millibar per 8 meters near the ground, 1 millibar per 9 meters at 1,000 meters above ground, and 1 millibar per 15 meters at 5,000 meters above ground. The relationship between air pressure and height is expressed by the formula:

In this formula, h is the altitude above the ground in meters, p ₀ is the air pressure on the ground, and p is the air pressure at a height of h meters. If the air pressure is measured simultaneously on the ground and on the summit, the height of the mountain can be found from this formula. This formula is called Laplace's altimetry formula. To calculate the height of a mountain more accurately, a correction for the temperature must be made. Using Laplace's altimetry formula, the aneroid barometer can be scaled to show altitude along with air pressure. This is how an altimeter using an aneroid barometer is made.

[Masaji Ota]

Changes in air pressure

If you place a barometer in a certain location and measure the air pressure, you will see that the air pressure changes from moment to moment. When high pressure approaches, the barometer reading will be high, and when low pressure approaches, the reading will be low. When a typhoon approaches, the air pressure drops significantly, and when it passes, it rises suddenly and returns to normal. If you average the air pressure values measured over a long period of decades by time of day, you can see the average pattern of daily changes in air pressure. The average air pressure in Tokyo is highest around 9 am and lowest around 3 pm. The difference is just under 3 millibars. The pattern of these changes varies slightly depending on the location where the observation is made. When high or low pressure approaches, the pattern deviates from this average pattern.

Next, by averaging the monthly atmospheric pressure values and looking at the annual variation from January to December, in Tokyo the average is highest in November and lowest in June. The range is about 7 millibars. The pattern of annual variation in atmospheric pressure also differs depending on the area.

[Masaji Ota]

Distribution of atmospheric pressure

By collecting atmospheric pressure values from weather observation stations around the world over many years, and calculating the average atmospheric pressure values around the world in January and July, and plotting them on a map, the atmospheric pressure distribution around the world for both months can be seen. According to the atmospheric pressure distribution map for the Northern Hemisphere obtained in this way, in January, high pressure areas are over the continents, and low pressure areas are over the oceans. In July, the opposite is true: the continents are low pressure areas, and the oceans are high pressure areas. However, this only applies to the Northern Hemisphere. In the Southern Hemisphere, the atmospheric pressure distribution is roughly the same in both summer and winter.

[Masaji Ota]

Pressure gradients and wind

The amount of drop in air pressure per unit distance measured perpendicular to the isobars, from areas of high pressure to areas of low pressure, is called the pressure gradient. It is usually expressed as millibars per 100 kilometers. The pressure gradient is inversely proportional to the distance between isobars, so when isobars are close together and the spacing is small, the pressure gradient is large. Wind speed is proportional to the pressure gradient, so where the pressure gradient is large, the wind blows strongly. The wind direction deviates to the right of the pressure gradient (in the Northern Hemisphere).

[Masaji Ota]

Pressure and weather

Before World War II, barometers were called barometers. Old aneroid barometers had a pressure scale and weather classifications such as sunny or rainy, with low pressure indicating rain and high pressure indicating sunny. Thus, barometers have been considered to be closely connected to the weather since they were invented. However, it is clear that it is difficult to judge the weather with only one barometer. Weather forecasts became possible when barometers were placed in various places and pressure distribution maps could be drawn. Weather forecasting, which involves observing winds, clouds, and the sun's halo in one place to predict the weather, is called weather observation. Adding a barometer to this and incorporating the upward and downward trends of the barometer, would take weather observation one step further.

[Masaji Ota]

Pressure extremes

The lowest sea level pressure ever observed at a weather observatory or station in Japan was 870 millibars, recorded by Typhoon No. 20 at Okinotorishima, the southernmost point of Japan, on October 12, 1979 (Showa 54), and the highest was 1,044 millibars, recorded at Asahikawa, Hokkaido, on November 30, 1913 (Taisho 2). Incidentally, the highest sea level pressure ever recorded was 1,085 millibars, recorded by the Siberian High, centered near Lake Baikal in the Soviet Union, on December 31, 1968.

[Masaji Ota]

Use of microbarometer

The mechanism is similar to that of an aneroid barometer, but if the air pressure inside the box is first released into the air in the room and then closed, it is possible to measure minute changes in air pressure. A barometer that works this way is called a microbarometer. If you record the changes in microbarometric pressure on a chart, you may find that there are slight fluctuations in air pressure (of about 2 millibars) depending on the day and time. Since minute changes in air pressure correlate with instability in the air layer above a certain location, the appearance of microbarometric pressure fluctuations can be a clue to determine that the weather is deteriorating.

Micro-pressure fluctuations can also occur completely unexpectedly. In the past, when a meteorite fell in Siberia, it caused micro-pressure fluctuations that were observed at meteorological observatories in Europe. Also, when a nuclear explosion test such as a hydrogen bomb is conducted somewhere on Earth, it causes micro-pressure fluctuations that are transmitted around the world, and the location and date and time of the micro-pressure fluctuations have been identified from the relationship of the arrival times of these fluctuations.

[Masaji Ota]

"Meteorological Observation Techniques for Practical Application" revised edition by Masatsugu Ota and Taketsugu Shinohara (1967, Chijin Shokan)" ▽ "Japan Climate Charts" 1980 edition compiled by the Japan Meteorological Agency (1984, Japan Weather Association)" ▽ "Science Chronology" various editions compiled by the National Astronomical Observatory (Maruzen)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

大気の圧力のこと。空気は気体であるから、その性質として容積を限りなく増大しようとする。それで空気を容器内に閉じ込めると、どこまでも膨張しようとする結果、その容器の内面を押すことはもちろん、器内にあるものはみな押される。この押す力を空気の圧力すなわち気圧という。空気は目に見えないので、気圧の概念はなかなかつかみにくいが、たとえば水中に入れば水圧を受けるのと似ている。1気圧は1平方センチメートル当りおよそ1キログラムの重さに相当するので、豆腐や綿のようなものは押しつぶされはしないかと思われるが、豆腐はその中に水が含まれていることと、綿は空気がつながっているのでつぶれることはない。

［大田正次］

気圧の発見

1643年にイタリアの物理学者トリチェリが、ガラス管に詰めた水銀柱の実験を行い、気圧の概念を確立した（トリチェリの実験）。また、1647年にフランスの物理学者・数学者で哲学者でもあるパスカルが、高いところにいくにしたがって気圧が減ることを実験し、さらに1650年代には、ドイツの物理学者ゲーリケは真空にして密着させた半球が離れにくいという実験を行って、大気圧の存在を示した。

［大田正次］

気圧の単位

気圧を表すにはミリバール（記号mb）が用いられる。1ミリバールは1平方センチメートルの表面積に1000ダイン（dyn）の力が働く場合の圧力である。水銀柱の高さミリメートルで表すこともある。1ミリメートル水銀柱は標準重力980.665センチメートル・毎秒・毎秒のとき、0℃の厚さ1ミリメートルの水銀がその底面に及ぼす圧力である。気象界ではこの単位は用いられてはいないが、他の方面では使われている。両者の間には
　　1mm水銀柱＝1.3332mb
の関係がある。

　地球上の平地の平均の気圧に近い値
　　760mm水銀柱＝1013.25mb
を標準にとり、これを1気圧という。

　なお、世界気象機関（WMO）では、1984年からミリバールのかわりにヘクトパスカル（記号hPa）が使われるようになった。日本でも1992年12月よりヘクトパスカルが使用されている。1ミリバールは1ヘクトパスカルに等しく、単位の名称が変わるだけで、気圧の値そのものは変わらない。

［大田正次］

気圧の測定

気圧を正確に測る場合には水銀気圧計を用い、相対的にその値を測る場合にはアネロイド気圧計を用いる。水銀気圧計で気圧を測った場合には、読み取った値に氷点更正、重力更正を施す必要がある。これは温度0℃、標準重力の場合の水銀柱の厚さを気圧の単位と決めたからである。アネロイド気圧計は金属の缶（空盒(くうごう)）の中の空気を抜いたもので、気圧の変化によって空盒が膨らんだり縮んだりすることを利用し、指針でその伸び縮みの量を表す。あらかじめその指針の目盛り上の位置を水銀気圧計の測定値とあわせておく。原理上氷点更正や重力更正などの補正の必要はなく、運搬も容易なので広く実用的に使用される。

［大田正次］

気圧と高さ

気圧は上空に昇るにしたがって小さくなる。その割合は地上付近では8メートルにつき1ミリバールであるが、地上1000メートル付近では、9メートルにつき1ミリバール、5000メートル付近では15メートルにつき1ミリバールである。気圧と高さとの関係を式で表すと

となる。この式でhはメートル単位の地表面からの高度、p₀は地上気圧、pは高さhメートルの気圧である。地上と山頂で同時に気圧を測ればこの式からその山の高さがわかる。この式をラプラスの測高公式という。もっと正確に山の高さを計算するには、気温の補正をしなければならない。ラプラスの測高公式を利用して、アネロイド気圧計の目盛りに気圧とともに高度を目盛ることができる。アネロイド気圧計を利用した高度計はこのようにしてつくられたものである。

［大田正次］

気圧の変化

ある場所に気圧計を置いて気圧を測ってみると、気圧は時々刻々に変わることがわかる。高気圧が接近すれば気圧計の示度は高くなり、低気圧が接近すれば低くなる。台風が接近すると、気圧は際だって下がり、通過すると急に上がって元に戻る。何十年もの長い年月に測った気圧の値を1日の時刻ごとに平均してみると、気圧の日変化の平均の型がわかる。東京の平均的気圧は午前9時ごろもっとも高く、午後3時ごろもっとも低い。その差は3ミリバール弱である。このような変化の型は、観測するその土地によってすこしずつ変わっている。高気圧や低気圧が近づくと、このような平均の型からずれた型になる。

　次に月ごとに気圧の値を平均して、1月から12月までの間の年変化をみると東京では平均してみると11月にもっとも高く、6月にもっとも低い。その幅は約7ミリバールである。気圧の年変化の型もその土地によって異なる。

［大田正次］

気圧の分布

全世界の気象観測所の気圧の長年の値を集め、1月および7月の世界各地の平均気圧の値を求めて地図上に記入すると、全世界の両月の気圧の分布状況がわかる。このようにして求められた、北半球における気圧配置図によると、1月には高圧域は大陸の上にあり、低圧域が海洋上にある。7月には逆に大陸は低圧域、海洋が高圧域となっている。ただしこれは北半球でのことである。南半球では夏冬ともほぼ同じような気圧分布となっている。

［大田正次］

気圧傾度と風

等圧線と直角方向に、気圧の高いほうから低いほうへ向かって測った単位距離に対する気圧の降下量を気圧傾度という。普通100キロメートルにつき何ミリバールというように示す。気圧傾度は等圧線間の距離に逆比例し、等圧線がこんでいて、間隔が狭いときは気圧傾度は大きい。風速は気圧傾度に比例するので、気圧傾度の大きいところでは風は強く吹く。風向は気圧傾度の方向より右へそれる（北半球の場合）。

［大田正次］

気圧と天気

気圧計のことを第二次世界大戦以前は晴雨計(せいうけい)とよんでいた。古いアネロイド気圧計には気圧目盛りの外、晴や雨の天気区分がついており、気圧が低いと雨、高いと晴をさす。このように気圧計は、それが発明されたときから、天気と密接につながっているとみなされてきた。しかし、1個の気圧計のみで天気の判断をすることはむずかしいことは明らかである。気圧計が各地に置かれて気圧配置図が書けるようになって、天気予報ができるようになったのである。なお、1か所で風や雲や日暈(ひがさ)などを見て天気の予測をすることを観天望気(かんてんぼうき)というが、それに気圧計を加えて、その上昇、下降の傾向などを採り入れると、観天望気も一歩進んだものとなろう。

［大田正次］

気圧の極値

日本の気象台や測候所で観測された最低の海面気圧は、1979年（昭和54）10月12日に日本最南端の沖ノ鳥島で観測された台風20号の中心気圧870ミリバール、最高気圧は1913年（大正2）11月30日に北海道旭川(あさひかわ)で観測された1044ミリバールである。なお世界では、1968年12月31日にソ連バイカル湖付近に中心をもったシベリア高気圧の1085ミリバールが最高である。

［大田正次］

微気圧計の利用

アネロイド気圧計と仕組みは似ているが、空盒内の空気の圧力をいったん室内の空気と通じてのちに閉じておくと、気圧の細かい変化を測ることができる。このような仕組みの気圧計を微気圧計という。微気圧の変化を記録紙上に記入してみると、日によって、また時刻によって気圧の微変動（2ミリバールくらいの変化）が続くことがある。気圧の微変動はその場所の上空の気層が不安定となっていることと相関があるので、微気圧変動が現れると天気は下り坂であるという判断の手がかりとなる。

　なお、微気圧変動はまったく予想外におこることがある。昔、シベリアに隕石(いんせき)が落ちたときに気圧の微変動がおこり、それがヨーロッパの気象観測所で観測されたことがある。また、地球上のどこかで水爆などの核爆発実験が行われると、それによって気圧の微変動が発生し、世界各地に伝わるので、それらの到達時間関係から微変動の発生場所や日時が確認されたこともある。

［大田正次］

『大田正次・篠原武次著『実地応用のための気象観測技術』改訂（1967・地人書館）』▽『気象庁編『日本気候図』1980年版（1984・日本気象協会）』▽『国立天文台編『理科年表』各年版（丸善）』