Ilmakehä
atm — SI:n ulkopuolinen yksikkö · suure: paine · tasan 101 325 Pa
Firenzen kaivonkaivajat valittivat, ettei mikään pumppu nosta vettä kymmentä ja puolta metriä korkeammalle, vaikka kuinka ponnistelisi. Galilei laski leikkiä, että luonnolta ilmeisesti loppuu tyhjiön kammo. Hänen oppilaansa Torricelli halusi tutkia asian tosissaan ja korvasi veden elohopealla — se on neljätoista kertaa raskaampaa, joten patsaasta tulee lyhyempi ja se mahtuu pöydälle. Umpeen sulatetussa putkessa elohopea pysähtyi seitsemäänkymmeneenkuuteen senttimetriin, ja sen yläpuolelle jäi tyhjiö, jota ei olisi pitänyt olla. Pumppu ei siis ime mitään: ilma painaa veden putkeen, ja painaa juuri sillä voimalla, jonka tämä patsas pystyy tasapainottamaan. Me elämme, kirjoitti Torricelli, upotettuina ilmameren pohjalle.
01 · Määritelmä
Ilmakehä on SI-järjestelmän ulkopuolinen paineen yksikkö, joka on tasan 101 325 pascalia. Lukua ei ole mitattu vaan sovittu: se on 760 mm korkean elohopeapatsaan paine nollassa asteessa normaaliputoamiskiihtyvyydessä, laskettu kerran ja vuodesta 1954 vahvistettu määritelmäksi.
Huomaa, mitä logiikalle tapahtui. Aluksi yksikkö oli esine: elohopeapatsas, jonka saattoi kaataa, mitata viivaimella ja nähdä omin silmin. Sitten esine laskettiin elohopean tiheyden ja painovoiman avulla, tuloksena oli viisinumeroinen luku — ja itse luku julistettiin yksiköksi. Elohopeaa ei enää tarvittu: jos huomenna selviää, että sen tiheys tunnetaan hieman tarkemmin, ilmakehä ei värähdäkään, sillä se ei enää koske elohopeaa.
Harhaanjohtava tässä yksikössä on vain nimen jälkimmäinen puoli. «Normaali»-ilmakehä ei kerro mitään siitä, mitä ikkunan takana tapahtuu: todellinen maanpinnan paine vaihtelee 870 hehtopascalista taifuunin silmässä 1085:een talvisen Siperian yllä, ja tasan yksi ilmakehä osuu kohdalle tarkkaan ottaen sattumalta. Se on vertailukohta, ei mittaus: siihen palautetaan kaasujen tilavuudet, siitä lasketaan kiehumislämpötilat, sillä kalibroidaan painemittarit — ja tottumuksesta sitä kutsutaan «normaalipaineeksi», vaikka normaalipainetta ei luonnossa ole.
Vahvistetusta luvusta seuraa koko sivun laskuoppi: ilmakehä on tasan 760 kertaa elohopeamillimetri, 1,013 25 kertaa baari ja 1,033 kertaa tekninen ilmakehä — juuri se «at», kilopondi neliösenttimetriä kohti, joka yhä sekoitetaan oikeaan. Ero on kolme prosenttia: tarpeeksi pilaamaan laskelman ja liian vähän, jotta virhe huomattaisiin painemittarista.
Yksi ilmakehä on kymmenen tonnia kolmesataakolmekymmentä kilogrammaa ilmaa jokaisella neliömetrillä: aikuisen harteilla noin kuusisataa kilogrammaa, kämmenellä sataviisikymmentä. Se ei murskaa meitä, koska se painaa sekä ulkoa että sisältä — mutta poista toiselta puolelta puolet, ja ero muuttuu varsin tuntuvaksi voimaksi. Imukuppi, pilli, lasin tyhjiönostin ja rintakehä sisäänhengityksessä toimivat samalla tavalla: laske painetta hieman toiselta puolelta ja anna ilmakehän tehdä työ.
02 · Muunnos
Syötä arvo — sivu muuntaa sen muihin yksiköihin
Kolme perhettä: itse paineasteikko, tutut esineet tässä paineessa ja ilmakehän määrittämät standardiolosuhteet.
Pahin ansa ei ole kertoimissa vaan siinä, mistä lasketaan. Tavallinen painemittari — renkaisiin, kompressoriin, mikä tahansa osoittimella varustettu — näyttää ylipaineen eli eron ympäröivään ilmaan; «kaksi ja puoli renkaassa» tarkoittaa kolmea ja puolta absoluuttista. Kaasulakien kaavat, kiehumislämpötilat ja liukoisuudet vaativat absoluuttista painetta. Tästä johtuvat englanninkielisten luetteloiden kaksi kirjainta, psig ja psia, ja tästä myös puolet pilalle menneistä laskelmista: niiden sekoittaminen tarkoittaa erehtymistä tasan yhden ilmakehän verran, mikä matalissa paineissa on enemmän kuin mitattava suure itse.
| Merkintä | Mitä se tarkoittaa | Arvo | Missä sitä tapaa |
|---|---|---|---|
| atm | normaali-ilmakehä | 1,0000 | kemia, sukellus |
| Pa | pascal, SI-yksikkö | 101325 Pa | normit ja laskelmat |
| kPa | kilopascal | 101,325 | renkaat, tekniikka SI:ssä |
| bar | bar | 1,01325 | hydrauliikka, sukellus |
| hPa | hehtopascal eli millibaari | 1013,3 | sääennusteet |
| mmHg | torr | 760,00 | lääketiede, tyhjiötekniikka |
| at | tekninen, kp/cm² | 1,0332 | vanha dokumentaatio |
| psi | naula neliötuumaa kohti | 14,696 | anglosaksinen tekniikka |
| mmHg | Verenpaine | 101325 Pa | 120 mm — yläpaine terveellä aikuisella |
| bar | Henkilöauton rengas | 101325 Pa | 2,5 bar mittarissa |
| atm | Sukelluspullo | 101325 Pa | 200 ilmakehää teräspullossa |
| hPa | Sääennuste | 101325 Pa | 1013 hPa maanpinnalla |
| atm | IUPACin standardiolosuhteet | 101325 Pa | 1 bar vuodesta 1982, sitä ennen ilmakehä |
| kPa | Normaaliolosuhteet | 101325 Pa | 101,325 kPa ja 0 °C |
| mmHg | Barometrinen kalibrointi | 101325 Pa | 760 mm 0 °C:ssa ja g₀ |
Muunnokset ovat tarkkoja: kaikki nämä yksiköt on määritelty pascalin kautta kokonaisin kertoimin, eikä yhtäkään niistä tarkenneta kokein. Taulukon ainoa elävä luku on hehtopascal: se osuu yksiin millibaarin kanssa, ja siksi meteorologia saattoi vaihtaa yksikköä kouluttamatta havaitsijoita uudelleen ja piirtämättä karttoja uusiksi.
03 · Suuruusluokat
paineen kymmenkantainen logaritmi, ilmakehiäElinkelpoinen alue ja arjen tekniikka
04 · Mittalaitteet
Millä ilmakehää mitataan
Metrin mittainen lasiputki, toisesta päästä umpeen sulatettu, elohopeaa täynnä ja kaadettuna kuppiin: elohopea laskeutuu, kunnes pysähtyy tasapainokorkeuteen, ja sen yläpuolelle jää Torricellin tyhjiö — ensimmäinen käsin tehty tyhjiö. Laite on moitteettoman tarkka ja täysin epäkäytännöllinen: se painaa, ei siedä kallistusta ja vaatii korjaukset elohopean lämpötilalle ja paikalliselle painovoimalle. Sen sijaan se ei kaipaa kalibrointia — viivain on asteikko.
Sama periaate vietynä metrologiaan: kuppi on alta suljettu nahkapussilla, ja ruuvilla sen pinta tuodaan joka kerta asteikon nollaan — norsunluukärkeen, jonka tulee juuri koskettaa omaa kuvaansa elohopeassa. Vasta sen jälkeen patsaan huippu luetaan noniuksella kymmenesosamillimetrin tarkkuudella. Tällaisilla barometreilla asetettiin paine kalibrointipenkeissä 1900-luvun puoliväliin asti, ja juuri niiden lukemista, palautettuina nollaan asteeseen ja normaaliin painovoimaan, kasvoi luku 101 325.
Elohopean sijaan litteä, aallotettu rasia, josta ilma on pumpattu pois: se litistyy hieman paineen noustessa ja oikenee sen laskiessa. Sen seinämä liikkuu millimetrin kymmenesosia, ja koko laitteen kepponen on vivuissa, jotka suurentavat liikkeen osoittimen heilahdukseksi. Aneroidia voi kuljettaa, pudottaa ja ripustaa eteiseen, mutta ajan myötä se valehtelee: jousi väsyy ja se on verrattava elohopeabarometriin. Näin yksi ja sama suure sai «oikean» ja «kätevän» laitteen.
Puhelimessa asuu hiekanjyvän kokoinen piikalvo: se taipuu paineen alla, ja taipumisen mukana muuttuu reunan venymäliuskojen kapasitanssi tai resistanssi. Herkkyys on noin kymmenen pascalia eli alle metrin korkeusero, ja siksi navigaattori erottaa ensimmäisen kerroksen kolmannesta. Barometreja on maailmassa jo enemmän kuin lämpömittareita, ja niiden lukemat, kerättyinä miljoonista puhelimista, syötetään jo sään ennustusmalleihin.
05 · Kirjoitussäännöt
Kolme pientä kirjainta ja yksi varaus
Yksikköä ei ole nimetty henkilön mukaan, siksi tunnus kirjoitetaan pienellä; etuliitteitä siihen ei liitetä.
Iso «A» esiintyy tuontilaitteiden luetteloissa ja tarkoittaa aina huolimattomuutta, ei toista yksikköä. Baari poikkeaa ilmakehästä 1,3 prosenttia ja otettiin käyttöön juuri siksi, että saataisiin pyöreä määrä pascaleja; meteorologia luopui ilmakehästä sen hyväksi jo kolmekymmentäluvulla, ja ennusteet annetaan hehtopascaleina, jotka ovat lukuarvoltaan millibaareja. Tekninen «at» on kilopondi neliösenttimetriä kohti, kolme prosenttia oikeaa pienempi, ja vanhoissa asiakirjoissa se esiintyy useammin kuin atm. Viimeinen rivi oikealla kertoo siitä, mitä puuttuu: ilman merkintää «absoluuttinen» tai «ylipaine» paineluku on vaillinainen, ja se on ainoa varaus, jota ei saa jättää pois.
07 · Historiaosuus
Kuinka tyhjiöstä tuli yksikkö
Koe kesti minuutin, mutta siitä kiisteltiin kaksikymmentä vuotta: putkessa elohopean yläpuolella oli tyhjiö, jota yleisen käsityksen mukaan ei voinut olla. Torricelli selitti kaiken kerralla: patsasta kannattaa ilman paino, eikä sen korkeus ole vakio — se muuttui päivästä toiseen. Filosofista kiistaa varten keksitty laite osoittautui heti sään ennustajaksi, ja tämä on ainoa tapaus, jossa meteorologia syntyi tyhjiöstä.
Blaise Pascal päätteli: jos ilma kannattaa patsasta, vuorella ilmaa on vähemmän ja patsaan on laskettava. Hän itse oli terveydeltään liian heikko, joten Puy de Dômelle kiipesi hänen lankonsa Florin Périer kahden putken kanssa: toisen hän jätti juurelle munkin valvontaan, toisen kantoi ylös. Huipulla elohopea laski kolme tuumaa ja linjan. Kiista päättyi: ilma painaa, ja painaa sitä vähemmän mitä korkeammalle noustaan.
Magdeburgin pormestari Otto von Guericke asetti kaksi kuparista puolipalloa vastakkain, pumppasi ilman pois omalla pumpullaan ja pyysi valjakoita repimään ne erilleen. Kahdeksan hevosta kummallakin puolella ei siihen pystynyt; puolen metrin halkaisijalla ilmakehä piti palloa koossa noin kahden tonnin voimalla. Laskutoimitus on selvä jokaiselle, joka osaa kertoa pinta-alan paineella, mutta näytös selitti sen paremmin kuin mikään johdanto — ja päätyi oppikirjoihin neljäksi vuosisadaksi.
1900-luvun puoliväliin mennessä paljastui hankaluus: määritelmä 760 elohopeamillimetrin kautta veti mukanaan elohopean tiheyden ja paikallisen painovoiman, ja molempia suureita tarkennettiin jatkuvasti. Kymmenes yleinen paino- ja mittakonferenssi katkaisi solmun julistamalla ilmakehän määritelmän mukaan 101 325 pascaliksi. Yksikkö menetti siteensä aineeseen ja muuttui pelkäksi kertoimeksi — samalla otteella, jolla myöhemmin irrotettiin esineistä metri ja sitten kilogramma.
Yksikkö, joka kumottiin eikä sitä saatu pois
Ilmakehä ei kuulu SI-järjestelmään eikä sen käyttöä suositella: paineella on pascal ja suurille arvoille sen etuliitteet. Silti yksikkö pitää pintansa siellä, missä ei merkitse luku vaan vertailu ikkunan takaiseen ilmaan. Kemisti kirjoittaa «reaktio 3 atm:ssä», koska hänelle olennaista on, kuinka monta kertaa ilmanpainetta suurempi se on; sukeltaja laskee syvyyden ilmakehinä, koska jokainen kymmenen metriä vettä lisää tasan yhden ja se on hänen alansa kätevin lasku; rengaspainemittari on jaettu baareihin ja ilmakehiin, sillä niiden ero on pienempi kuin laitteen virhe. Metrologinen paradoksi on siinä, että vuoden 1954 jälkeen ilmakehä lakkasi olemasta mittaus ja muuttui tarkaksi kertoimeksi — siis juuri siksi, mitä on kätevä käyttää, ja juuri siksi, mitä ei voi kokeellisesti todentaa. Todentaa voi barometrin, ei yksikköä; ja pascaleissa kalibroitu barometri näyttää yhden ilmakehän vain harvinaisen sattuman kautta. Sen sukulaisille kävi samoin: elohopeamillimetri on niin ikään määritelty pascalin kautta ja niin ikään elossa — lääketieteessä, jossa sillä mitataan verenpainetta, eikä mikään suositus ole sitä muuttanut.
Luettelo · mittayksiköt
Sivu jokaiselle suureelle
Seitsemän SI:n perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi omalla nimellä varustettua johdannaista ja SI:n ulkopuolisia yksiköitä, joita ilman ei tule toimeen tekniikka eikä arki. Jokaisella on oma sivunsa: määritelmä, muunnos, mittalaitteet, kirjoitussäännöt. 36 kielellä.
Paine: yksiköt ja niiden syyt
yksi suure, kymmenkunta asteikkoaSI:n perusyksiköt
kilogramma, metri, sekuntiSivun kieli
36 kieltä. Tunnus atm on kansainvälinen, mutta totutut asteikot eivät ole: käännöksessä taulukot sovitetaan paikalliseen käytäntöön.