Atmosfeer
atm — niet-SI-eenheid · grootheid: druk · precies 101 325 Pa
Florentijnse putgravers klaagden dat geen pomp het water hoger dan tien en een halve meter kreeg, hoe men zich ook inspande. Galilei grapte dat de natuur blijkbaar door haar afschuw van het vacuüm heen raakte. Zijn leerling Torricelli wilde het serieus onderzoeken en verving water door kwik — veertien keer zwaarder, dus de kolom zou korter uitvallen en op een tafel passen. Het kwik in de dichtgesmolten buis bleef staan op zesenzeventig centimeter, en daarboven bleef een leegte die er niet had mogen zijn. De pomp zuigt dus niets: het is de lucht die het water de buis in drukt, en wel precies met de kracht die deze kolom kan opwegen. Wij leven, schreef Torricelli, ondergedompeld op de bodem van een oceaan van lucht.
01 · Definitie
De atmosfeer is een niet-SI-eenheid van druk en bedraagt precies 101 325 pascal. Het getal is niet gemeten maar vastgesteld: het is de druk van een kwikkolom van 760 mm bij nul graden onder de standaardvalversnelling, eenmaal berekend en sinds 1954 als definitie vastgelegd.
Let op wat er met de logica gebeurde. Eerst was de eenheid een voorwerp: een kwikkolom die je kon uitgieten, met een liniaal meten en met eigen ogen zien. Daarna werd dat voorwerp berekend uit de dichtheid van kwik en de zwaartekracht, er kwam een vijfcijferig getal uit — en dat getal zelf werd tot eenheid verklaard. Het kwik werd daarmee overbodig: mocht morgen blijken dat de dichtheid iets nauwkeuriger bekend is, dan verandert de atmosfeer niet, want zij gaat niet meer over kwik.
Misleidend aan deze eenheid is alleen de tweede helft van de naam. De «standaard»atmosfeer zegt niets over wat er buiten gebeurt: de werkelijke druk aan het oppervlak schommelt van 870 hectopascal in het oog van een tyfoon tot 1085 boven het winterse Siberië, en precies één atmosfeer komt strikt genomen bij toeval voor. Het is een referentiepunt, geen meting: gasvolumes worden erop herleid, kooktemperaturen vanaf haar geteld, manometers ermee geijkt — en uit gewoonte heet zij «normale druk», hoewel een normale druk in de natuur niet bestaat.
Uit het vastgelegde getal volgt de hele rekenkunde van dit blad: de atmosfeer is precies 760 maal de millimeter kwikdruk, 1,013 25 maal de bar en 1,033 maal de technische atmosfeer — die «at», de kilogramkracht per vierkante centimeter, die nog steeds met de echte wordt verward. Het verschil bedraagt drie procent: genoeg om een berekening te bederven en te weinig om de fout op de manometer op te merken.
Eén atmosfeer is tien ton driehonderddertig kilogram lucht op elke vierkante meter: ongeveer zeshonderd kilogram op de schouders van een volwassene en honderdvijftig op een handpalm. Zij verplettert ons niet omdat zij van buiten én van binnen drukt — maar neem aan één kant de helft weg en het verschil wordt een zeer voelbare kracht. De zuignap, het rietje, de vacuümheffer voor glas en de borstkas bij het inademen werken op hetzelfde principe: de druk aan één kant iets verlagen en de atmosfeer het werk laten doen.
02 · Omrekening
Voer een waarde in — het blad rekent haar om naar de overige eenheden
Drie families: de drukschaal zelf, bekende voorwerpen onder die druk en de standaardomstandigheden die de atmosfeer bepaalt.
De grootste valkuil zit niet in de factoren maar in het nulpunt. Een huis-tuin-en-keukenmanometer — voor banden, voor de compressor, elke met een wijzer — geeft de overdruk aan, dus het verschil met de omringende lucht; «tweeënhalf in de band» betekent drieënhalf absoluut. De formules van de gaswetten, kooktemperaturen en oplosbaarheden vragen om de absolute druk. Vandaar de twee letters in Engelstalige catalogi, psig en psia, en vandaar ook de helft van alle bedorven berekeningen: ze verwisselen betekent zich precies één atmosfeer vergissen, wat bij lage drukken meer is dan de gemeten grootheid zelf.
| Notatie | Wat het betekent | Waarde | Waar het voorkomt |
|---|---|---|---|
| atm | standaardatmosfeer | 1,0000 | chemie, duiken |
| Pa | pascal, de SI-eenheid | 101325 Pa | normen en berekeningen |
| kPa | kilopascal | 101,325 | banden, techniek in SI |
| bar | bar | 1,01325 | hydrauliek, duiken |
| hPa | hectopascal, oftewel millibar | 1013,3 | weerberichten |
| mmHg | torr | 760,00 | geneeskunde, vacuümtechniek |
| at | technisch, kgf/cm² | 1,0332 | oude documentatie |
| psi | pond per vierkante inch | 14,696 | Angelsaksische techniek |
| mmHg | Bloeddruk | 101325 Pa | 120 mm — bovendruk bij een gezonde volwassene |
| bar | Autoband | 101325 Pa | 2,5 bar op de meter |
| atm | Duikfles | 101325 Pa | 200 atmosfeer in een stalen fles |
| hPa | Weerbericht | 101325 Pa | 1013 hPa aan het oppervlak |
| atm | IUPAC-standaardomstandigheden | 101325 Pa | 1 bar sinds 1982, daarvoor de atmosfeer |
| kPa | Normale omstandigheden | 101325 Pa | 101,325 kPa en 0 °C |
| mmHg | Barometrische ijking | 101325 Pa | 760 mm bij 0 °C en g₀ |
De omrekeningen zijn exact: al deze eenheden zijn via de pascal met hele factoren gedefinieerd en geen ervan wordt door experimenten bijgesteld. Het enige levende getal in de tabel is de hectopascal: hij valt samen met de millibar, en daarom kon de meteorologie van eenheid wisselen zonder waarnemers om te scholen of kaarten opnieuw te tekenen.
03 · Ordes van grootte
decimale logaritme van de druk, atmosferenHet leefbare bereik en alledaagse techniek
04 · Meetinstrumenten
Waarmee de atmosfeer wordt gemeten
Een glazen buis van een meter, aan één kant dichtgesmolten, met kwik gevuld en omgekeerd in een bakje gezet: het kwik zakt tot het op de evenwichtshoogte blijft staan, en daarboven blijft het Torricelli-vacuüm — het eerste met de hand gemaakte vacuüm. Het instrument is onberispelijk nauwkeurig en volstrekt onhandig: het weegt, verdraagt geen scheefstand en vergt correcties voor de kwiktemperatuur en de plaatselijke zwaartekracht. Daar staat tegenover dat het geen ijking nodig heeft — de liniaal ís de schaal.
Hetzelfde principe, doorgetrokken naar de metrologie: het bakje is onderaan met een leren zak afgesloten en met een schroef brengt men het niveau telkens op het nulpunt van de schaal — een ivoren punt die zijn eigen spiegelbeeld in het kwik net moet raken. Pas daarna leest men de top van de kolom af met een nonius, tot op een tiende millimeter. Met zulke barometers gaf men tot het midden van de twintigste eeuw de druk op ijkbanken aan, en juist uit hun aflezingen, herleid tot nul graden en standaardzwaartekracht, groeide het getal 101 325.
In plaats van kwik een platte, geribbelde doos waaruit de lucht is gepompt: zij wordt iets platter als de druk stijgt en veert terug als hij daalt. Haar wand beweegt tienden van millimeters, en de hele kunstgreep van het instrument zit in de hefbomen die deze beweging vergroten tot de uitslag van een wijzer. Een aneroïde mag je vervoeren, laten vallen en in de gang hangen, maar hij liegt na verloop van tijd: de veer vermoeit en hij moet met de kwikbarometer worden vergeleken. Zo kreeg één en dezelfde grootheid een «juist» en een «handig» instrument.
In de telefoon leeft een siliciummembraan zo groot als een zandkorrel: het buigt door onder de druk, en met die doorbuiging veranderen de capaciteit of de weerstand van de rekstrookjes aan de rand. De gevoeligheid ligt rond tien pascal, dus minder dan een meter hoogte, en daarom onderscheidt de navigatie de eerste van de derde verdieping. Er zijn inmiddels meer barometers dan thermometers ter wereld, en hun aflezingen, verzameld van miljoenen telefoons, gaan al de weermodellen in.
05 · Schrijfwijze
Drie kleine letters en één voorbehoud
De eenheid is niet naar een persoon genoemd, daarom staat het symbool in kleine letters; voorvoegsels worden er niet aan gehecht.
Een hoofdletter «A» duikt op in catalogi van geïmporteerde apparatuur en betekent altijd slordigheid, niet een andere eenheid. De bar wijkt 1,3 procent van de atmosfeer af en werd juist ingevoerd om een rond getal pascal te hebben; de meteorologie liet de atmosfeer al in de jaren dertig ten gunste daarvan varen, en berichten gaan in hectopascal, getalsmatig gelijk aan millibar. De technische «at» is de kilogramkracht per vierkante centimeter, drie procent kleiner dan de echte, en in oude documentatie komt zij vaker voor dan atm. De laatste regel rechts gaat over wat ontbreekt: zonder de vermelding «absoluut» of «overdruk» is een drukwaarde onvolledig, en dat is het enige voorbehoud dat men niet mag weglaten.
07 · Historisch deel
Hoe het vacuüm een eenheid werd
Het experiment duurde een minuut en men twistte er twintig jaar over: boven het kwik in de buis bevond zich een leegte die volgens de algemene overtuiging niet kon bestaan. Torricelli verklaarde alles in één keer: de kolom wordt gedragen door het gewicht van de lucht, en haar hoogte is niet constant — zij veranderde van dag tot dag. Een instrument bedacht voor een filosofische twist bleek meteen een weervoorspeller, en dat is het enige geval waarin de meteorologie uit het vacuüm werd geboren.
Blaise Pascal redeneerde: als de lucht de kolom draagt, dan is er op een berg minder lucht en moet de kolom zakken. Zelf was hij te zwak van gezondheid, en de Puy de Dôme beklom zijn zwager Florin Périer met twee buizen: de ene liet hij aan de voet achter onder toezicht van een monnik, de andere droeg hij omhoog. Op de top zakte het kwik drie duim en een lijn. De twist was beslecht: lucht weegt, en zij weegt minder naarmate men hoger komt.
Otto von Guericke, burgemeester van Maagdenburg, legde twee koperen halve bollen tegen elkaar, pompte er met zijn pomp de lucht uit en liet spannen paarden proberen ze los te trekken. Acht paarden aan elke kant lukte het niet; bij een halve meter doorsnede hield de atmosfeer de bol bijeen met een kracht van ongeveer twee ton. De berekening begrijpt iedereen die oppervlak met druk kan vermenigvuldigen, maar het schouwspel legde het beter uit dan enige afleiding — en kwam vier eeuwen lang in de leerboeken.
Tegen het midden van de twintigste eeuw bleek iets ongemakkelijks: de definitie via 760 millimeter kwik sleepte de dichtheid van kwik en de plaatselijke zwaartekracht mee, en beide grootheden werden telkens preciezer bepaald. De tiende Algemene Conferentie voor Maten en Gewichten hakte de knoop door en verklaarde de atmosfeer per definitie gelijk aan 101 325 pascal. De eenheid verloor haar band met een stof en werd een simpele factor — dezelfde kunstgreep waarmee later de meter en daarna het kilogram van hun voorwerpen werden losgemaakt.
De eenheid die werd afgeschaft en niet weg te krijgen bleek
De atmosfeer hoort niet bij het SI en het gebruik ervan wordt niet aanbevolen: voor druk is er de pascal en voor grote waarden zijn er voorvoegsels. Toch houdt de eenheid stand waar niet het getal telt, maar de vergelijking met de lucht buiten. Een chemicus schrijft «reactie bij 3 atm» omdat het hem gaat om hoeveel maal de luchtdruk het is; een duiker rekent de diepte in atmosfeer omdat elke tien meter water er precies één bij doet en dat de handigste rekensom van zijn vak is; een bandenmanometer is in bar en atm verdeeld, omdat het verschil ertussen kleiner is dan de meetfout. De metrologische paradox is dat de atmosfeer na 1954 ophield een meting te zijn en een exacte factor werd — dus precies dat wat handig is in het gebruik en precies dat wat niet experimenteel te verifiëren is. Verifiëren kun je een barometer, geen eenheid; en een in pascal geijkte barometer wijst slechts bij zeldzaam toeval één atmosfeer aan. Haar verwanten trof een soortgelijk lot: de millimeter kwikdruk is eveneens via de pascal gedefinieerd en eveneens springlevend — in de geneeskunde, waar men er de bloeddruk mee meet, en geen aanbeveling heeft daar iets aan veranderd.
Catalogus · meeteenheden
Een blad voor elke grootheid
Zeven SI-basiseenheden, tweeëntwintig afgeleide met een eigen naam en niet-SI-eenheden waar techniek noch dagelijks leven buiten kan. Elk krijgt een eigen blad: definitie, omrekening, instrumenten, schrijfwijze. In 36 talen.
Druk: de eenheden en hun redenen
één grootheid, een tiental schalenSI-basiseenheden
kilogram, meter, secondeTaal van het blad
36 talen. Het symbool atm is internationaal, de vertrouwde schalen zijn dat niet: in de vertaling worden de tabellen aan de plaatselijke praktijk aangepast.