Ilmapuntari

Ilmapuntari eli barometri on ilmanpaineen mittaamiseen käytettävä laite. Se voi käyttää joko vettä, ilmaa, elohopeaa tai elektronista paineanturia. Ilmanpaineen muutosten perusteella voidaan ennustaa säätä.

Evangelista Torricelli nimetään yleisesti ilmapuntarin keksijäksi.^[1][2] Historialliset dokumentit kuitenkin osoittavat, että italialainen matemaatikko ja astronomi Gasparo Berti olisi tahattomasti rakentanut vesi-ilmapuntarin vuosien 1640–1643 välillä.^[1] Ranskalainen filosofi ja tieteilijä René Descartes suunnitteli ilmapuntarin jo vuonna 1631; ei kuitenkaan ole todisteita siitä, että hän sellaisen myös rakensi.^[1]

Vuonna 1630 Giovanni Battista Baliani kirjoitti Galileo Galileille, että hän oli kokeessaan yrittänyt lapota vettä yli 20 metriä korkean kukkulan yli – mutta yritys epäonnistui. Galileon selitys ilmiölle oli, että tyhjiön voima veti veden ylös, mutta tietyllä korkeudella vettä oli yksinkertaisesti niin paljon, ettei tyhjiö voinut kannatella sitä enää enempää.^[3]

Galileon idea saavutti Rooman joulukuussa 1638 hänen Discorsissaan. Raffaele Magiotti ja Gasparo Berti innostuivat näistä ajatuksista ja päättivät yrittää etsiä lappoa paremman tavan tuottaa tyhjiö. Magiotti suunnitteli tällaisen kokeilun, jonka Berti sitten toteutti 1639–1641.^[3]

Bertin kokeilu koostui vedellä täytetystä pitkästä putkesta, jonka molemmat päät oli suljettu. Putki seisoi altaassa joka oli täynnä vettä. Putki avattiin alapäästä ja vesi pääsi valumaan altaaseen. Silti vain osa vedestä valui putkesta pois. Veden pinta putken sisällä pysyi tarkasti 10,3 metrin tasolla, samalla korkeudella jonka Baliani ja Galileo havaitsivat rajoittavan lapon käyttöä. Kokeen tärkeä havainto oli lisäksi se, että laskenut vesi jätti tyhjää tilaa putken yläpäähän, joka ei ollut aiemmin kosketuksissa ilman kanssa. Näytti siis mahdolliselta, että putken yläpäähän muodostuu tyhjiö.^[3]

Perinteisesti oli ajateltu – erityisesti aristoteelien keskuudessa – että ilmalla ei ole painoa. Jopa Galilei hyväksyi tämän yksinkertaisena totuutena. Torricelli kyseenalaisti tämän ajattelun ja ehdotti sen sijaan, että ilmalla on paino – ja se on voima joka pitää veden putkessa. Torricelli näki barometrin mittausvälineenä eikä vain kojeena, jolla voi luoda tyhjiön. Tämän vuoksi häntä yleisesti pidetään ilmapuntarin keksijänä.^[3]

Torricellin oli pidettävä kokeensa salassa ettei joutuisi pidätetyksi: hänen naapurustossaan liikkui huhuja, joiden mukaan hän on mukana jonkinlaisessa noituudessa.

Torricelli päätteli että hänen tulisi jatkossa käyttää vettä raskaampaa nestettä. Jos hän käyttäisi elohopeaa, putkesta voisi myös tehdä lyhyemmän. Elohopea on 14 kertaa vettä raskaampaa, joten 80 cm pitkä putki riittäisi. Veden kanssa putken piituudeksi sen sijaan tuli 10,5 metriä.^[4]

Vuonna 1646 Blaise Pascal ja Pierre Petit toistivat ja hioivat Torricellin koetta, josta he saivat kuulla Marin Mersenneltä. Tämä oli itse nähnyt kuinka Evangelista Torricelli suoritti kokeen vuonna 1644. Pascal aikoi testata aristoteelien ehdotusta, jonka mukaan nesteessä olevat "höyryt" täyttävät tyhjän tilan. Hän korvasi veden viinillä siksi että aristoteelit odottivat, että suuremman "höyrymäärän" vuoksi viini seisoo matalammalla. Pascal suoritti kokeen julkisesti, mutta viini ei seissytkään matalammalla kuin vesi.^[3]

Blaise Pascal testasi vielä mekaanista teoriaa. Torricelli ja Pascal arvelivat, että ilmalla on paino, ja siksi ilma painaisi korkeammalla vähemmän kuin alempana – ylempänä ilmakerroksia ei ole yhtä paljon. Pascal kirjoitti langolleen Lorin Perierille ja pyysi tätä tekemään mittauksia: Perier näet asui lähellä vuorta nimeltä Puy de Dome. Syyskuussa 1648 Perier teki huolellisia mittauksia ja totesi, että elohopeapatsas seisoi sitä matalammalla mitä korkemmalle mentiin.^[3]

Käsityksen mukaan laskeva ilmanpaine ennustaa myrskyä, mikä tarjoaa teoreettisen perusteen "myrskylasiksi" tai "Goethen ilmapuntariksi" nimetylle laitteelle. Se nimettiin Johann Wolfgang von Goethen, saksalaisen tieteilijän ja kirjailijan mukaan. Goethe kehitti yksinkertaisen mutta tehokkaan vesi-ilmapuntarin Torricellin luomien periaatteiden pohjalta.^[5] Vesi-ilmapuntari koostuu lasiastiasta, joka on sinetöity puolilleen vettä. Siinä on kapea nokka joka nousee vesirajan alapuolelta. Nokan kärki on avoin ilmanpaineen muutoksille. Kun ilmanpaine on alhaisempi kuin astian sinetöinnin aikaan, nokan vedenpinta nousee astian vedenpinnan yläpuolelle, korkeapaineella se taas laskee pinnan alapuolelle. Tällaisen ilmapuntarin variaation voi helposti tehdä myös kotona.

Elohopeabarometri koostuu vähintään 84 cm korkeasta lasiputkesta, joka on suljettu toisesta päästä ja yhdistetty elohopeasäiliöön toisesta päästä. Elohopean paino luo tyhjiön putken yläpäähän. Elohopea liikkuu putkessa kunnes se on tasapainossa ilmakehän siihen kohdistaman painon kanssa. Korkeapaine pakottaa elohopean korkeammalle putkeen, matalapaineella elohopea laskee. Koska lämpötila vähentää elohopean tiheyttä, asteikko on säädetty kompensoimaan tätä.

Torricelli merkitsi ylös, että elohopeapatsaan korkeus muuttui hieman joka päivä, ja hän päätteli sen johtuvan ilmakehän paineen muutoksista.^[1] Torricelli kirjoitti että "elämme ilma-elementin valtameren pohjalla".

Elohopeabarometrissä paine ilmaistaan tuumina tai millimetreinä (torr). Paineen merkintä liittyy elohopeapatsaan korkeuteen. Yksi ilmakehä vastaa noin 760 millimetriä elohopeaa.

5. kesäkuuta 2007 Euroopan unionin direktiivi alkoi rajoittaa elohopean myyntiä. Säädös käytännössä lopetti elohopeailmapuntarien tuotannon Euroopassa.

Aneroidi- eli rasiailmapuntarissa on joustava metallirasia, jonka sisällä on tyhjiö. Sen keksi ranskalainen insinööri ja keksijä Lucien Vidie 1800-luvulla. Rasia on valmistettu berylliumin ja kuparin sekoituksesta. Pienet ilmanpaineen muutokset kutistavat tai laajentavat rasiaa. Rasiaan on yhdistetty vivusto, joka vahvistaa liikkeen ja liikuttaa neulaa asteikolla, joka tavallisessa koti-ilmapuntarissa on tyypillisesti hehtopascal (hPa) eli millibaari (mbar) ja elohopeamillimetri (mmHg). Monesti ilmapuntarissa on myös manuaalisesti käännettävä osoitin, jolla voi havainnoida ilmanpaineen vaihtelua. Koska ilmanpaineen vaihtelut ovat hyvin pieniä, täytyy ilmapuntaria kopauttaa tarkan lukeman saamiseksi.

Barografissa on aneroidi-ilmapuntari, joka liikuttaa kellokoneiston käyttämälle rummulle viivaa piirtävää neulaa. Neula piirtää viivaa paperille tai noetulle foliolle.^[6]

On olemassa myös epätavallisempia ilmapuntareita alkaen myrskylasin variaatioista aina perinteisimpiin malleihin. Ensin mainittuja edustaa muun muassa Collinsin pöytäbarometri ja jälkimmäisiä Hooken otheometri ja Rossin Sympiesometri. Jotkin ilmapuntarit toimivat vain tietyllä lämpötila-alueella. Tällainen on muun muassa hainöljybarometri.^[7]

Ilmanpainetta on käytetty sään ennustamiseen 1800-luvulta alkaen.^[8] Kun hyödynnetään lisäksi tuulihavaintoja, ilmanpaineen avulla voidaan tehdä lyhyen ajan ennustuksia.^[9] Kun ilmanpainetietoja kerätään useilta eri sääasemilta, voidaan luoda sääkarttoja. Isobaarit ovat sääkartassa ilmanpainealueiden rajoja.^[10] Paikallinen korkeapaine toimii lähestyvien sääjärjestelmien esteenä.^[11] Suuri ja nopea paineen lasku, vähintään 3,5 hPa, voi ennakoida matalapainetta. Paineen nousu taas ennakoi korkeapainetta ja säätilan paranemista.^[12]

Elohopean tiheys muuttuu lämpötilan mukaan, mikä tulee ottaa huomioon kun elohopeailmapuntaria luetaan. Tätä varten elohopeailmapuntarissa on yleensä mukana lämpömittari. Myös aneroidi-ilmapuntarissa voi olla kaksoismetallista tehty lämpötilakompensaattori. Kotikäyttöön myytävissä ilmapuntareissa sellaista ei yleensä ole.

Koska ilmanpaine laskee kun noustaan merenpinnan tasosta – ja vuorostaan nousee kun laskeudutaan sen tasolle – on ilmapuntarin lukema sidottu tiettyyn paikkaan. Muutoin lukema pitää ensin muuttaa merenpinnan tason painetta vastaavaksi. Lentokoneiden mekaaniset korkeusmittarit ja laskuvarjohyppääjien käyttämät käsikorkeusmittarit perustuvat tähän ilmiöön. Niissä on aneroidi, joka reagoi paineeseen, ja asteikkona on paineasteikon sijaan korkeusasteikko jalkoina tai metreinä. Ilmanpaineen ja korkeuden vastaavuus on noin -12 pascalia per metri ylöspäin (1 hPa per 8 m). Ilmapuntaria voi käyttää lentokoneen korkeusmittarin säätöön. Aneroidikorkeusmittarissa on ruuvi tai säätöpyörä, josta sen voi kalibroida kulloiseenkin käyttöpaikkaan sopivaksi.

Kun koneella noustaan tai laskeudutaan, säädetään korkeusmittari lentokentän QFE-arvoon. QFE (Field Elevation) riippuu kentän merenpintakorkeudesta ja vallitsevasta säästä. Kun on päästy matkalentoon, korkeusmittari säädetään QNH-arvoon (Nautical Height), joka vastaa korkeutta merenpinnasta.

• Sään ennustaminen
• Sääasema
• Ilmanpaine
• Sääkartta

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Ilmapuntari.