Áp suất không khí là gì? Sức mạnh vô hình chi phối thời tiết, sự sống

Có những sức mạnh khổng lồ bao bọc lấy Trái Đất, âm thầm duy trì sự sống nhưng lại hiếm khi được nhìn thấy bằng mắt thường. Đó chính là áp lực từ hàng tỷ phân tử khí quyển đang chuyển động không ngừng. Đã bao giờ bạn tự hỏi áp suất không khí là gì và nó đóng vai trò ra sao trong việc giữ cho bầu khí quyển không bay mất vào không gian?  Hãy cùng khám phá một trong những khái niệm nền tảng của vật lý, một lực vô hình nhưng quyền năng, điều khiển mọi nhịp đập từ hơi thở của con người đến những cơn bão dữ dội nhất.

Áp suất không khí là gì?

Áp suất không khí (hay còn gọi là khí áp) là lực mà không khí tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt, vuông góc với bề mặt đó. Nói một cách dễ hình dung, chúng ta đang sống dưới đáy của một đại dương khí khổng lồ. Toàn bộ lớp không khí bao quanh Trái Đất, hay còn gọi là khí quyển, có trọng lượng và tạo ra một lực ép lên mọi vật thể trên hành tinh.

Áp suất không khí là lực mà không khí tác dụng lên một đơn vị diện tích

Mặc dù không khí rất nhẹ, nhưng với bề dày của lớp khí quyển lên tới hàng trăm km, tổng trọng lượng của nó là vô cùng lớn. Tại mặt đất, trung bình mỗi mét vuông bề mặt phải chịu một lực ép tương đương với trọng lượng của một vật nặng khoảng 10 tấn (tương đương 10.333 kg trên mỗi mét vuông). Sở dĩ chúng ta không cảm nhận thấy sức nặng khổng lồ này là vì cơ thể chúng ta cũng có một áp suất bên trong cân bằng với áp suất bên ngoài.

Để đo lường sức mạnh vô hình này, các nhà khí tượng học sử dụng đơn vị milibar (mb) hoặc hectopascal (hPa) – hai đơn vị này có giá trị tương đương nhau. Trong điều kiện tiêu chuẩn ở mực nước biển, áp suất không khí có giá trị khoảng 1013.25 hPa.

Nguồn gốc hình thành áp suất không khí

Áp suất không khí không phải là một hằng số bất biến mà thay đổi liên tục dưới tác động của nhiều yếu tố. Nguồn gốc sâu xa của nó đến từ chính bản chất vật lý của không khí và sự tác động của năng lượng Mặt Trời.

Do trọng lượng của lớp không khí bên trên

Nguyên nhân trực tiếp và cơ bản nhất tạo ra áp suất không khí chính là trọng lượng của cột không khí. Không khí tuy nhẹ nhưng được cấu tạo từ vô số các phân tử khí (chủ yếu là Nitơ và Oxy). Các phân tử này có khối lượng và chịu tác động của lực hút Trái Đất. Càng lên cao, lớp không khí bên trên càng mỏng đi, do đó trọng lượng của cột không khí tác dụng lên một điểm càng giảm. Đây là lý do giải thích tại sao lên núi cao, áp suất không khí lại thấp hơn so với dưới đồng bằng.

Do sự chuyển động và va chạm của các phân tử không khí

Bên cạnh trọng lượng tĩnh, sự chuyển động không ngừng của các phân tử khí cũng góp phần tạo nên áp suất. Các phân tử khí luôn chuyển động hỗn loạn và va chạm vào nhau cũng như vào mọi bề mặt mà chúng tiếp xúc. Mỗi va chạm tạo ra một lực đẩy nhỏ. Tổng hợp lực từ hàng tỷ tỷ va chạm này trên một đơn vị diện tích chính là áp suất. Khi nhiệt độ tăng, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm mạnh hơn, dẫn đến áp suất tăng lên (nếu thể tích không đổi). Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, áp suất giảm.

Áp suất không khí hình thành do sự chuyển động, va chạm của các phân tử không khí

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi của áp suất không khí

Áp suất không khí là một đại lượng biến đổi không ngừng trong không gian và thời gian. Sự biến đổi này chịu ảnh hưởng sâu sắc bởi ba yếu tố chính:

Độ cao so với mực nước biển

Đây là yếu tố ảnh hưởng rõ rệt nhất. Càng lên cao, lớp khí quyển bên trên càng mỏng, trọng lượng cột không khí giảm, kéo theo áp suất không khí giảm dần. Mối quan hệ này có tính quy luật: trung bình, cứ lên cao 10 mét, áp suất giảm khoảng 1mmHg (hay xấp xỉ 1,33 hPa). Chính vì vậy, trên đỉnh Everest, nơi cao nhất thế giới, áp suất không khí chỉ bằng khoảng 1/3 so với ở mực nước biển, khiến việc hô hấp trở nên vô cùng khó khăn đối với con người.

Nhiệt độ

Nhiệt độ có tác động hai mặt đến áp suất. Khi không khí nóng lên, nó nở ra, trở nên loãng hơn (tỷ trọng giảm) và bay lên cao, làm giảm áp suất ở bề mặt nơi nó hình thành (hình thành các vùng áp thấp nóng). Ngược lại, khi không khí lạnh đi, nó co lại, trở nên đặc hơn (tỷ trọng tăng) và chìm xuống, làm tăng áp suất ở bề mặt (hình thành các vùng áp cao lạnh). Sự tương phản nhiệt độ giữa các vùng trên Trái Đất là động lực chính tạo ra sự chênh lệch khí áp.

Độ ẩm (Hơi nước)

Không khí khô (chủ yếu là N2 và O2) có khối lượng phân tử trung bình lớn hơn phân tử nước (H2O). Vì vậy, trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, không khí chứa nhiều hơi nước sẽ nhẹ hơn không khí khô. Nói cách khác, không khí ẩm có tỷ trọng nhỏ hơn không khí khô. Do đó, khi độ ẩm tăng cao, áp suất không khí có xu hướng giảm nhẹ. Đây là lý do các vùng áp thấp thường gắn liền với mây mù và mưa, vì chúng chứa nhiều hơi ẩm.

Hơi nước có thể làm thay đổi áp suất không khí

Sự phân bố các đai áp suất không khí trên Trái Đất

Do sự phân bố không đồng đều của bức xạ Mặt Trời (nhiệt lượng) theo vĩ độ, trên bề mặt Trái Đất hình thành các đai áp suất cao và thấp xen kẽ nhau một cách có quy luật.

• Các đai áp thấp xích đạo: Khu vực xích đạo nhận được lượng nhiệt lớn nhất từ Mặt Trời quanh năm. Không khí nóng lên, nở ra, trở nên nhẹ hơn và liên tục bốc lên cao, tạo thành một dải áp suất thấp thường xuyên bao quanh Trái Đất ở vĩ độ 0°. Đai áp thấp xích đạo này còn được gọi là “rãnh áp thấp xích đạo”, nơi hội tụ của các luồng gió và là cái nôi sinh ra những cơn mưa lớn nhiệt đới.
• Các đai áp cao cận chí tuyến: Từ xích đạo, luồng không khí nóng bốc lên cao, di chuyển về phía hai cực. Khi đến khoảng vĩ độ 30° Bắc và Nam, chúng nguội dần và chìm xuống, tạo ra các đai áp suất cao ổn định. Đây là những vùng có thời tiết khô hạn, ít mây, ít mưa, là nơi hình thành nên các sa mạc lớn trên thế giới như sa mạc Sahara ở châu Phi hay sa mạc Atacama ở Nam Mỹ.
• Các đai áp thấp ôn đới: Khoảng vĩ độ 60° Bắc và Nam, không khí từ các đai áp cao cận chí tuyến tiếp tục di chuyển lên cao, gặp khối không khí lạnh từ cực tràn xuống. Sự xáo trộn và gặp nhau của hai khối khí nóng lạnh này khiến không khí bốc lên, hình thành nên các đai áp suất thấp. Các đai áp thấp ôn đới thường gắn liền với thời tiết bất ổn, nhiều mưa và bão.
• Các đai áp cao ở hai cực: Tại hai vùng cực Bắc và Nam, băng tuyết bao phủ quanh năm khiến nhiệt độ vô cùng thấp. Không khí lạnh giá, co lại, trở nên rất đặc và chìm xuống, tạo thành các đai áp suất cao ở bề mặt. Đây là những vùng khô hạn nhất hành tinh, lượng mưa vô cùng ít ỏi.

Băng bao phủ quanh năm ở 2 vùng cực Bắc và Nam

Cách đo áp suất không khí

Để định lượng được sức mạnh vô hình này, các nhà khoa học đã phát minh ra những công cụ đặc biệt.

• Khí áp kế thủy ngân: Đây là loại khí áp kế đầu tiên và rất chính xác, do Evangelista Torricelli phát minh vào năm 1643. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc cân bằng áp suất không khí với trọng lượng của một cột thủy ngân trong ống thủy tinh. Khi áp suất tăng, nó đẩy cột thủy ngân lên cao hơn và ngược lại. Tuy nhiên, do sử dụng thủy ngân độc hại và kích thước cồng kềnh, loại này ít được dùng phổ biến hiện nay.
• Khí áp kế kim loại (Khí áp kế aneroid): Loại này hoạt động dựa trên sự co giãn của một hộp kim loại hình trụ đã được hút chân không một phần. Khi áp suất không khí bên ngoài thay đổi, hộp kim loại này sẽ móp vào hoặc phồng ra. Sự chuyển động này được khuếch đại qua một hệ thống đòn bẩy và làm quay kim chỉ trên mặt đồng hồ. Đây là loại khí áp kế phổ biến trong các hộ gia đình và trên tàu thuyền nhờ tính nhỏ gọn, an toàn.
• Khí áp kế điện tử (Barometer kỹ thuật số): Đây là loại hiện đại nhất, sử dụng các cảm biến áp suất siêu nhỏ để đo biến dạng của màng silicon khi chịu tác động của áp suất. Tín hiệu được chuyển đổi thành giá trị số hiển thị trên màn hình. Chúng được tích dụng trong các trạm thời tiết tự động, điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh và các thiết bị định vị GPS.

Vai trò và ảnh hưởng của áp suất không khí đến đời sống

Áp suất không khí không chỉ là một khái niệm lý thuyết, nó hiện diện trong mọi khía cạnh của cuộc sống sinh tồn và công nghệ nhân loại.

Chúng ta có thể thấy tầm quan trọng của nó qua các ví dụ thực tiễn dưới đây:

Trong dự báo thời tiết

Sự chênh lệch áp suất là nguyên nhân trực tiếp sinh ra gió. Không khí luôn di chuyển từ vùng áp cao về vùng áp thấp.

• Áp suất giảm nhanh: Dấu hiệu của mây mù, mưa dông hoặc bão lớn đang đến gần.
• Áp suất tăng ổn định: Dấu hiệu của bầu trời trong xanh, thời tiết tạnh ráo và ổn định.

Chênh lệch áp suất là nguyên nhân sinh ra gió, bão

Trong ngành hàng không

Máy bay có thể bay được là nhờ sự chênh lệch áp suất không khí giữa mặt trên và mặt dưới của cánh máy bay (Định luật Bernoulli). Ngoài ra, các phi công sử dụng khí áp kế để xác định độ cao của máy bay so với mặt đất, đảm bảo an toàn trong suốt hành trình.

Trong y sinh và sức khỏe

Cơ thể con người đã thích nghi với áp suất tại mặt đất. Tuy nhiên, sự thay đổi đột ngột có thể gây ra những vấn đề sau:

• Say núi (Altitude sickness): Do áp suất thấp làm giảm nồng độ oxy trong máu khi lên cao.
• Bệnh giảm áp (Decompression sickness): Thường gặp ở thợ lặn khi đi từ vùng áp suất cao dưới nước lên mặt đất quá nhanh, khiến bọt khí nitơ hình thành trong máu.

Áp suất không khí là gì? Áp suất không khí giúp chúng ta giải mã được những cơ chế vận hành kỳ diệu của thiên nhiên và ứng dụng chúng vào tiến bộ kỹ thuật. Từ việc dự báo một cơn bão sắp tới cho đến việc thiết kế những con tàu vũ trụ, áp suất không khí luôn đóng vai trò là một biến số không thể tách rời. Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy sức ép của bầu khí quyển bằng mắt thường, nhưng nó vẫn luôn hiện hữu, bảo vệ sự sống bằng cách duy trì mật độ oxy cần thiết và điều hòa nhiệt độ toàn cầu.