บรรยากาศ
atm — หน่วยนอกระบบ SI · ปริมาณ: ความดัน · 101 325 Pa พอดี
ช่างขุดบ่อในเมืองฟลอเรนซ์บ่นว่าไม่มีเครื่องสูบใดยกน้ำได้สูงเกินสิบเมตรครึ่ง ไม่ว่าจะพยายามเพียงใด กาลิเลโอหยอกว่า ธรรมชาติคงกำลังหมดความกลัวสุญญากาศ ทอร์ริเชลลีลูกศิษย์ของเขาตั้งใจพิสูจน์อย่างจริงจัง จึงเปลี่ยนจากน้ำเป็นปรอท ซึ่งหนักกว่าสิบสี่เท่า ลำจึงสั้นลงและวางบนโต๊ะได้ ปรอทในหลอดที่ปิดผนึกหยุดอยู่ที่เจ็ดสิบหกเซนติเมตร และเหนือขึ้นไปเหลือช่องว่างที่ไม่ควรมีอยู่ ดังนั้นเครื่องสูบจึงไม่ได้ดูดสิ่งใดเลย อากาศต่างหากที่ดันน้ำเข้าไปในท่อ และดันด้วยแรงเท่ากับที่ลำปรอทนี้ถ่วงไว้ได้พอดี ทอร์ริเชลลีเขียนว่า เราอาศัยอยู่โดยจมอยู่ก้นมหาสมุทรของอากาศ
01 · นิยาม
บรรยากาศคือหน่วยความดันนอกระบบ SI ซึ่งเท่ากับ 101 325 ปาสกาลพอดี ตัวเลขนี้ไม่ได้มาจากการวัด แต่ถูกกำหนดขึ้น นั่นคือความดันของลำปรอทสูง 760 มม. ที่ศูนย์องศาภายใต้ความเร่งโน้มถ่วงมาตรฐาน คำนวณไว้ครั้งเดียวและตั้งแต่ปี 1954 ก็ถูกตรึงไว้เป็นนิยาม
ลองสังเกตว่าเกิดอะไรขึ้นกับตรรกะ ตอนแรกหน่วยคือวัตถุ ลำปรอทที่เทได้ วัดด้วยไม้บรรทัดได้ และมองเห็นด้วยตา ต่อมาวัตถุนั้นถูกคำนวณผ่านความหนาแน่นของปรอทและแรงโน้มถ่วง ได้ตัวเลขห้าหลัก แล้วตัวเลขนั้นเองก็ถูกประกาศให้เป็นหน่วย หลังจากนั้นปรอทก็ไม่จำเป็นอีก ถ้าพรุ่งนี้พบว่าความหนาแน่นของมันรู้ได้แม่นยำขึ้นอีกนิด บรรยากาศก็ไม่กระเทือน เพราะมันไม่ได้เกี่ยวกับปรอทอีกต่อไป
สิ่งที่ลวงตาในหน่วยนี้มีเพียงครึ่งหลังของชื่อ บรรยากาศ «มาตรฐาน» ไม่ได้บอกอะไรเลยเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นนอกหน้าต่าง ความดันจริงที่พื้นผิวแกว่งตั้งแต่ 870 เฮกโตปาสกาลในตาพายุไต้ฝุ่นไปจนถึง 1085 เหนือไซบีเรียฤดูหนาว และการที่ได้หนึ่งบรรยากาศพอดีนั้น พูดอย่างเคร่งครัดก็คือความบังเอิญ มันคือจุดอ้างอิง ไม่ใช่การวัด ปริมาตรของแก๊สถูกลดทอนมาที่มัน อุณหภูมิเดือดถูกนับจากมัน มาตรวัดความดันถูกสอบเทียบด้วยมัน และด้วยความเคยชินเราเรียกมันว่า «ความดันปกติ» ทั้งที่ในธรรมชาติไม่มีความดันปกติอยู่จริง
จากตัวเลขที่ตรึงไว้นี้ก็ตามมาด้วยเลขคณิตทั้งหมดของแผ่นนี้ บรรยากาศมากกว่ามิลลิเมตรปรอทพอดี 760 เท่า มากกว่าบาร์ 1.013 25 เท่า และมากกว่าบรรยากาศเชิงเทคนิค 1.033 เท่า นั่นคือ «at» กิโลกรัมแรงต่อตารางเซนติเมตร ที่ยังถูกสับสนกับของจริงจนถึงทุกวันนี้ ผลต่างอยู่ที่สามเปอร์เซ็นต์ มากพอจะทำให้การคำนวณเสีย และน้อยเกินกว่าจะสังเกตเห็นความคลาดเคลื่อนบนหน้าปัด
หนึ่งบรรยากาศคืออากาศหนักสิบตันสามร้อยสามสิบกิโลกรัมที่กดอยู่บนทุกตารางเมตร บนบ่าของผู้ใหญ่ราวหกร้อยกิโลกรัม บนฝ่ามือราวหนึ่งร้อยห้าสิบ ที่มันไม่บดขยี้เราก็เพราะมันกดทั้งจากภายนอกและจากภายใน แต่พอเอาออกไปครึ่งหนึ่งจากด้านหนึ่ง ผลต่างก็กลายเป็นแรงที่รู้สึกได้ชัดเจน จุกดูด หลอดดูด เครื่องยกกระจกแบบสุญญากาศ และทรวงอกเวลาหายใจเข้า ล้วนทำงานด้วยหลักเดียวกัน ลดความดันด้านหนึ่งลงเล็กน้อย แล้วปล่อยให้บรรยากาศทำงานที่เหลือเอง
02 · การแปลงหน่วย
ใส่ค่าลงไป แล้วแผ่นข้อมูลจะแปลงเป็นหน่วยอื่นให้
สามกลุ่ม: ตัวมาตราความดันเอง สิ่งของคุ้นเคยภายใต้ความดันนั้น และสภาวะมาตรฐานที่บรรยากาศกำหนดไว้
กับดักสำคัญไม่ได้อยู่ที่ตัวคูณ แต่อยู่ที่ว่านับจากอะไร มาตรวัดตามบ้าน ทั้งของยางรถ ของปั๊มลม หรือชนิดใดก็ตามที่มีเข็ม ล้วนแสดงความดันเกจ นั่นคือผลต่างจากอากาศโดยรอบ «สองจุดห้าในยาง» จึงหมายถึงสามจุดห้าแบบสัมบูรณ์ สูตรของกฎแก๊ส อุณหภูมิเดือด และการละลาย ต้องใช้ค่าสัมบูรณ์ทั้งสิ้น จากตรงนี้จึงเกิดสองตัวอักษรในแคตตาล็อกภาษาอังกฤษ psig และ psia และจากตรงนี้เช่นกันที่เกิดการคำนวณผิดพลาดครึ่งหนึ่ง สับสนสองค่านี้ก็คือคลาดเคลื่อนไปหนึ่งบรรยากาศพอดี ซึ่งที่ความดันต่ำนั้นมากกว่าค่าที่กำลังวัดเสียอีก
| การเขียน | หมายถึงอะไร | ค่า | พบที่ไหน |
|---|---|---|---|
| atm | บรรยากาศมาตรฐาน | 1.0000 | เคมี การดำน้ำ |
| Pa | ปาสกาล หน่วยของ SI | 101325 Pa | มาตรฐานและการคำนวณ |
| kPa | กิโลปาสกาล | 101.325 | ยางรถ งานช่างในระบบ SI |
| bar | bar | 1.01325 | ระบบไฮดรอลิก การดำน้ำ |
| hPa | เฮกโตปาสกาล หรือมิลลิบาร์ | 1013.3 | รายงานอากาศ |
| mmHg | ทอร์ | 760.00 | การแพทย์ เทคโนโลยีสุญญากาศ |
| at | เชิงเทคนิค, kgf/cm² | 1.0332 | เอกสารเก่า |
| psi | ปอนด์ต่อตารางนิ้ว | 14.696 | งานช่างแบบแองโกล-แซกซัน |
| mmHg | ความดันโลหิต | 101325 Pa | 120 มม. — ค่าบนของผู้ใหญ่สุขภาพดี |
| bar | ยางรถยนต์นั่ง | 101325 Pa | 2.5 bar บนหน้าปัด |
| atm | ถังอากาศดำน้ำ | 101325 Pa | 200 บรรยากาศในถังเหล็ก |
| hPa | รายงานอากาศ | 101325 Pa | 1013 hPa ที่พื้นผิว |
| atm | สภาวะมาตรฐานของ IUPAC | 101325 Pa | 1 bar ตั้งแต่ปี 1982 ก่อนหน้านั้นคือบรรยากาศ |
| kPa | สภาวะปกติ | 101325 Pa | 101.325 kPa และ 0 °C |
| mmHg | การสอบเทียบบารอมิเตอร์ | 101325 Pa | 760 มม. ที่ 0 °C และ g₀ |
การแปลงเหล่านี้แม่นยำ ทุกหน่วยถูกนิยามผ่านปาสกาลด้วยตัวคูณจำนวนเต็ม และไม่มีหน่วยใดต้องปรับแก้ด้วยการทดลอง ตัวเลขเดียวที่ยังมีชีวิตในตารางคือเฮกโตปาสกาล มันตรงกับมิลลิบาร์พอดี อุตุนิยมวิทยาจึงเปลี่ยนหน่วยได้โดยไม่ต้องอบรมผู้สังเกตการณ์ใหม่และไม่ต้องเขียนแผนที่ใหม่
03 · อันดับของขนาด
ลอการิทึมฐานสิบของความดัน หน่วยบรรยากาศช่วงที่อยู่อาศัยได้และงานช่างทั่วไป
04 · เครื่องมือวัด
วัดบรรยากาศด้วยอะไร
หลอดแก้วยาวหนึ่งเมตร ปิดผนึกปลายด้านหนึ่ง เติมปรอทแล้วคว่ำลงในถ้วย ปรอทไหลลงจนหยุดที่ระดับสมดุล และเหนือขึ้นไปเหลือสุญญากาศทอร์ริเชลลี สุญญากาศแรกที่มนุษย์สร้างด้วยมือ เครื่องมือนี้แม่นยำอย่างไร้ที่ติและไม่สะดวกอย่างยิ่ง มันหนัก กลัวการเอียง และต้องแก้ค่าตามอุณหภูมิของปรอทและแรงโน้มถ่วงประจำถิ่น แต่ก็ไม่ต้องสอบเทียบ เพราะไม้บรรทัดนั่นเองคือมาตรา
หลักการเดียวกันที่ถูกยกระดับสู่มาตรวิทยา ถ้วยด้านล่างรัดด้วยถุงหนัง และใช้สกรูปรับระดับให้ตรงศูนย์ของมาตราทุกครั้ง นั่นคือปลายงาช้างที่ต้องแตะเงาสะท้อนของตัวเองในปรอทเพียงเฉียด ๆ หลังจากนั้นจึงอ่านยอดลำด้วยเวอร์เนียร์ละเอียดถึงหนึ่งในสิบมิลลิเมตร บารอมิเตอร์แบบนี้ถูกใช้กำหนดความดันบนแท่นสอบเทียบจนถึงกลางศตวรรษที่ 20 และจากค่าที่อ่านได้เหล่านั้น เมื่อปรับมาที่ศูนย์องศาและแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน ก็เกิดเป็นตัวเลข 101 325
แทนที่จะเป็นปรอท ก็เป็นกล่องแบนย่นที่สูบอากาศออกแล้ว มันแฟบลงเล็กน้อยเมื่อความดันเพิ่ม และคลายตัวเมื่อความดันลด ผนังของมันขยับเพียงหนึ่งในสิบมิลลิเมตร และเคล็ดลับทั้งหมดของเครื่องมืออยู่ที่คานที่ขยายการขยับนั้นให้กลายเป็นการกวาดของเข็ม แอเนรอยด์พกพาได้ ทำหล่นได้ และแขวนไว้ที่ทางเข้าบ้านได้ แต่เมื่อเวลาผ่านไปมันจะโกหก สปริงล้า จึงต้องเทียบกับบารอมิเตอร์ปรอท ปริมาณเดียวกันจึงมีทั้งเครื่องมือ «ที่ถูกต้อง» และเครื่องมือ «ที่สะดวก»
ในโทรศัพท์มีแผ่นซิลิคอนขนาดเท่าเม็ดทรายอาศัยอยู่ มันโก่งตัวภายใต้ความดัน และเมื่อโก่งตัว ความจุหรือความต้านทานของเกจวัดความเครียดที่ขอบก็เปลี่ยนไป ความไวอยู่ราวสิบปาสกาล นั่นคือน้อยกว่าความสูงหนึ่งเมตร ระบบนำทางจึงแยกชั้นหนึ่งออกจากชั้นสามได้ ทุกวันนี้บารอมิเตอร์ในโลกมีมากกว่าเทอร์มอมิเตอร์ และค่าที่เก็บจากโทรศัพท์นับล้านเครื่องก็ถูกป้อนเข้าสู่แบบจำลองพยากรณ์อากาศแล้ว
05 · หลักการเขียน
สามตัวอักษรเล็กกับข้อแม้หนึ่งข้อ
หน่วยนี้ไม่ได้ตั้งตามชื่อบุคคล สัญลักษณ์จึงเขียนด้วยตัวพิมพ์เล็ก และไม่เติมคำอุปสรรคเข้ากับมัน
ตัว «A» ใหญ่พบได้ในแคตตาล็อกอุปกรณ์นำเข้า และมักหมายถึงความสะเพร่าเสมอ ไม่ใช่หน่วยอื่น บาร์ต่างจากบรรยากาศ 1.3 เปอร์เซ็นต์ และถูกนำมาใช้ก็เพื่อให้ได้จำนวนปาสกาลกลม ๆ อุตุนิยมวิทยาละทิ้งบรรยากาศไปใช้บาร์ตั้งแต่ทศวรรษที่สามสิบ และรายงานอากาศก็ใช้เฮกโตปาสกาลซึ่งมีค่าเท่ากับมิลลิบาร์ ส่วน «at» เชิงเทคนิคคือกิโลกรัมแรงต่อตารางเซนติเมตร เล็กกว่าของจริงสามเปอร์เซ็นต์ และในเอกสารเก่าพบบ่อยกว่า atm บรรทัดสุดท้ายทางขวาพูดถึงสิ่งที่ขาดหายไป หากไม่มีคำกำกับ «สัมบูรณ์» หรือ «เกจ» ตัวเลขความดันก็ยังไม่สมบูรณ์ และนี่คือข้อแม้เดียวที่ละไว้ไม่ได้
07 · ภาคประวัติศาสตร์
สุญญากาศกลายเป็นหน่วยได้อย่างไร
การทดลองใช้เวลาหนึ่งนาที แต่ถกเถียงกันยี่สิบปี เหนือปรอทในหลอดปรากฏช่องว่างที่ตามความเชื่อทั่วไปแล้วเป็นไปไม่ได้ ทอร์ริเชลลีอธิบายทุกอย่างในคราวเดียว ลำปรอทถูกค้ำไว้ด้วยน้ำหนักของอากาศ และความสูงของมันก็ไม่คงที่ มันเปลี่ยนไปทุกวัน เครื่องมือที่คิดขึ้นเพื่อข้อถกเถียงทางปรัชญากลับกลายเป็นผู้พยากรณ์อากาศในทันที และนี่เป็นกรณีเดียวที่อุตุนิยมวิทยาถือกำเนิดจากสุญญากาศ
แบลซ ปัสกาลให้เหตุผลว่า ถ้าอากาศเป็นสิ่งค้ำลำปรอท บนภูเขาย่อมมีอากาศน้อยกว่า ลำปรอทจึงต้องลดลง ตัวเขาเองสุขภาพอ่อนแอเกินไป ฟลอแร็ง เปรีเย พี่เขยของเขาจึงขึ้นปุยเดอโดมพร้อมหลอดสองหลอด หลอดหนึ่งวางไว้ที่เชิงเขาโดยมีพระคอยเฝ้า อีกหลอดหนึ่งนำขึ้นไป บนยอดเขา ปรอทลดลงสามนิ้วกับหนึ่งเส้น ข้อถกเถียงจึงจบลง อากาศมีน้ำหนัก และยิ่งขึ้นสูงน้ำหนักนั้นก็ยิ่งน้อยลง
ออทโท ฟอน เกอริคเคอ นายกเทศมนตรีเมืองมัคเดบูร์ค ประกบซีกโลกทองแดงสองซีกเข้าด้วยกัน สูบอากาศออกด้วยปั๊มที่เขาสร้างเอง แล้วท้าให้ทีมม้าดึงแยกออกจากกัน ม้าแปดตัวในแต่ละฝั่งก็ยังทำไม่สำเร็จ ที่เส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งเมตร บรรยากาศยึดทรงกลมไว้ด้วยแรงราวสองตัน การคำนวณนั้นเข้าใจได้สำหรับทุกคนที่คูณพื้นที่กับความดันเป็น แต่ภาพการแสดงอธิบายได้ดีกว่าการพิสูจน์ใด ๆ และเข้าสู่ตำราเรียนยาวนานสี่ศตวรรษ
ราวกลางศตวรรษที่ 20 ก็พบความไม่สะดวก นิยามผ่าน 760 มิลลิเมตรปรอทลากเอาความหนาแน่นของปรอทและแรงโน้มถ่วงประจำถิ่นติดมาด้วย ขณะที่ทั้งสองค่ายังถูกวัดให้แม่นยำขึ้นเรื่อย ๆ การประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัดครั้งที่สิบจึงตัดปมนี้ ด้วยการประกาศให้บรรยากาศเท่ากับ 101 325 ปาสกาลโดยนิยาม หน่วยจึงขาดจากสสารและกลายเป็นเพียงตัวคูณ ด้วยวิธีเดียวกับที่ภายหลังเมตรและกิโลกรัมถูกตัดขาดจากวัตถุต้นแบบ
หน่วยที่ถูกยกเลิกแต่กำจัดไม่ได้
บรรยากาศไม่ได้อยู่ในระบบ SI และไม่แนะนำให้ใช้ ความดันมีปาสกาลอยู่แล้ว ส่วนค่าที่ใหญ่ก็ใช้คำอุปสรรคของมัน กระนั้นหน่วยนี้ยังยืนหยัดในที่ซึ่งสิ่งสำคัญไม่ใช่ตัวเลข แต่คือการเทียบกับอากาศนอกหน้าต่าง นักเคมีเขียนว่า «ปฏิกิริยาที่ 3 atm» เพราะสิ่งที่สำคัญสำหรับเขาคือมันมากกว่าความดันอากาศกี่เท่า นักดำน้ำนับความลึกเป็นบรรยากาศ เพราะน้ำทุกสิบเมตรเพิ่มขึ้นพอดีหนึ่งหน่วย และนั่นคือการนับที่สะดวกที่สุดในงานของเขา มาตรวัดยางรถแบ่งสเกลเป็นบาร์และ atm เพราะผลต่างระหว่างสองหน่วยเล็กกว่าความคลาดเคลื่อนของเครื่อง ความย้อนแย้งทางมาตรวิทยาอยู่ตรงที่ หลังปี 1954 บรรยากาศเลิกเป็นการวัดและกลายเป็นตัวคูณที่แม่นยำ นั่นคือสิ่งที่ใช้สะดวกที่สุด และเป็นสิ่งที่ตรวจสอบด้วยการทดลองไม่ได้ สิ่งที่ตรวจสอบได้คือบารอมิเตอร์ ไม่ใช่หน่วย และบารอมิเตอร์ที่สอบเทียบเป็นปาสกาลจะชี้หนึ่งบรรยากาศพอดีก็ด้วยความบังเอิญที่หายากเท่านั้น ญาติของมันก็ชะตากรรมคล้ายกัน มิลลิเมตรปรอทก็ถูกนิยามผ่านปาสกาลและก็ยังมีชีวิตอยู่ ในทางการแพทย์ที่ใช้วัดความดันโลหิต และไม่มีข้อแนะนำใดเปลี่ยนแปลงสิ่งนี้ได้
สารบบ · หน่วยวัด
หนึ่งแผ่นสำหรับแต่ละปริมาณ
หน่วยฐานเจ็ดหน่วยของ SI หน่วยอนุพัทธ์ยี่สิบสองหน่วยที่มีชื่อเฉพาะ และหน่วยนอกระบบที่ทั้งงานช่างและชีวิตประจำวันขาดไม่ได้ แต่ละหน่วยมีแผ่นของตัวเอง นิยาม การแปลงหน่วย เครื่องมือวัด และหลักการเขียน ใน 36 ภาษา
ความดัน: หน่วยต่าง ๆ และเหตุผลของมัน
หนึ่งปริมาณ สิบกว่ามาตราหน่วยฐานของ SI
กิโลกรัม เมตร วินาทีภาษาของแผ่นข้อมูล
36 ภาษา สัญลักษณ์ atm เป็นสากล แต่มาตราที่คุ้นเคยกลับไม่ใช่ ในการแปลจึงปรับตารางให้เข้ากับแนวปฏิบัติของท้องถิ่น