バロメーター

気圧計は、特定の環境における気圧を測定するために使用される科学機器です。気圧の傾向から、天候の短期的な変化を予測できます。気圧の測定値の多くは、地表の谷、気圧系、前線境界を見つけるために地表気象分析で使用されます。

気圧計と圧力高度計（最も基本的で一般的なタイプの高度計）は、本質的には同じ計器ですが、用途が異なります。高度計は、対応する気圧を高度に合わせてさまざまなレベルで使用することを目的としていますが、気圧計は同じレベルに維持され、天候や天候の要素によって引き起こされる微妙な圧力の変化を測定します。地球の表面の平均気圧は、940～1040 hPa（mbar）の範囲です。海面での平均気圧は、1013 hPa（mbar）です。

気圧計という言葉は、古代ギリシャ語で「重さ」を意味する βάρος ( báros ) と「測定」を意味するμέτρον ( métron )に由来しています。

通常、エヴァンジェリスタ・トリチェリが1643年に気圧計を発明したとされていますが^{[1] [2] 、歴史家WEノウルズ・ミドルトンは1644年である可能性の方が高いと示唆しています（トリチェリが初めて実験を報告した年であり、1643年という日付は彼の死後に示唆されただけです）。 [3]イタリアの数学者で天文学者の} ガスパロ・ベルティも1640年から1644年の間に原始的な水気圧計を作成しましたが、それは変化する空気圧を動かして記録することを目的としていなかったため、真の気圧計ではありませんでした。 ^{[1 ] [3]}フランスの科学者で哲学者のルネ・デカルトは1631年に早くも大気圧を測定する実験の設計について説明していますが、当時彼が実際に機能する気圧計を作成したという証拠はありません。^[1]

1630年7月27日、ジョヴァンニ・バッティスタ・バリアーニはガリレオ・ガリレイに手紙を書き、高さ約21メートルの丘の上まで引かれたサイフォンが機能しないという実験について説明した。サイフォンの端を貯水池で開くと、その部分の水位は貯水池から約10メートル上まで下がる。^[4]ガリレオはこの現象について説明し、水を持ち上げるのは真空の力であり、ある高さで水の量が多すぎて、それ以上の重さを支えることができない紐のように、力がそれ以上支えられなくなると提唱した。^{[4] [5] [6]これは、}アリストテレスに遡るhorror vacui（「自然は真空を嫌う」）理論を言い換えたもので、ガリレオはこれをresistenza del Vacuumとして言い換えた。

ガリレオのアイディアは、彼の著書『二つの新科学』で発表され、1638年12月にローマに伝わった。^[7]物理学者のガスパロ・ベルティと父のラファエロ・マジョッティはこれらのアイディアに感銘を受け、サイフォン以外の方法で真空を作り出すより良い方法を探すことを決意した。マジョッティはそのような実験を考案した。この実験については4つの記録が残っており、すべて数年後に書かれたものである。^[7]正確な日付は示されていないが、『二つの新科学』がローマに伝わったのは1638年12月であり、ベルティは1644年1月2日より前に死去しているため、科学史家W・E・ノウルズ・ミドルトンはこの出来事を1639年から1643年の間のいつかとしている。^[7]出席していたのはベルティ、マジョッティ、イエズス会の博学者アタナシウス・キルヒャー、イエズス会の物理学者ニッコロ・ズッキであった。^[6]

簡単に言うと、ベルティの実験は、両端を塞いだ長い管に水を満たし、その管を水の入った容器の中に立てるというものでした。管の下端を開けると、管の中に入っていた水が容器に流れ出ました。しかし、管の中の水は一部しか流れ出ず、管の中の水位はぴったり同じ高さに留まりました。その高さは 10.3 メートル (34 フィート) で、^[8]バリアーニがサイフォンで観察した高さの限界と同じでした。この実験で最も重要なことは、水位が下がったことで管の上に空間ができたのですが、その空間は空気と接触して満たされることはありません。これは、水面上の空間に真空が存在する可能性を示唆しているように思われました。^[6]

ガリレオの友人であり弟子でもあったエヴァンジェリスタ・トリチェリは、実験結果を斬新な方法で解釈しました。彼は、真空の引力ではなく、大気の重さがチューブ内の水を保持すると主張しました。1644年にミケランジェロ・リッチに宛てた実験に関する手紙の中で、彼は次のように書いています。

真空は存在しないと言う人もいれば、自然の抵抗にもかかわらず、困難を伴って存在すると言う人もいます。真空は困難なく、自然の抵抗もなく存在すると言う人を私は知りません。私はこう主張しました。真空を作ろうとすると感じられる抵抗を導き出す明白な原因が見つかるのであれば、明らかに他の原因から生じる作用を真空に帰するのは愚かなことのように思われます。そこで、非常に簡単な計算をして、私が割り当てた原因（つまり、大気の重さ）は、真空を作ろうとするときよりも、それ自体でより大きな抵抗を示すはずだとわかりました。^[9]

伝統的に、特にアリストテレス主義者は、空気には重さがないと考えていた。つまり、地球の表面から何キロメートルも上にある空気は、その下にある物体に重さを及ぼさないということだ。ガリレオでさえ、空気の無重力は単純な真実として受け入れていた。トリチェリは、真空が水を吸い上げる引力ではなく、空気には確かに重さがあり、それが水を押して水柱を支えているのだ、と提唱した。彼は、水が留まる水位（水面より約 10.3 メートル上）は、空気の重さが水盆内の水を押す力を反映しており、高く閉じた水を満たした管の中で水位がどこまで下がるかの限界を定めている、と主張した。彼は気圧計を、単に真空を作り出すための器具ではなく、天秤、つまり測定器具とみなし、このように考えた最初の人物であったため、伝統的に、現在私たちが使っている意味での気圧計の発明者と考えられている。^[6]

トリチェリの噂好きのイタリア人地区では、彼が何らかの魔術や呪術に関わっているという噂が広まっていたため、トリチェリは逮捕される危険を避けるために実験を秘密にしておく必要があると悟った。水より重い液体を使う必要があり、ガリレオとの以前のつながりや提案から、水銀を使えばより短い管を使用できると推測した。水より約14倍密度が高い水銀を使えば、10.5メートルの管ではなく、80センチの管で済むようになった。^[10]

1646年、ブレーズ・パスカルはピエール・プティとともに、 1644年末にトリチェリから実験を見せられたマリン・メルセンヌからトリチェリの実験について聞いた後、実験を繰り返して完成させた。パスカルはさらに、気圧計内の空間を満たすのは液体からの蒸気であるというアリストテレスの命題をテストするための実験を考案した。彼の実験は水とワインを比較したもので、後者の方が「アルコール度数が高い」と考えられていたため、アリストテレス主義者はワインが低くなると予想した（蒸気が多いほど液柱を押し下げる力が強くなるため）。パスカルは実験を公開し、アリストテレス主義者に結果を事前に予測するよう求めた。アリストテレス主義者はワインが低くなると予想した。それは実現しなかった。^[6]

しかし、パスカルは力学理論をさらに検証した。トリチェリやパスカルのような力学哲学者が疑ったように、空気に重さがあるとすれば、高所では圧力が低くなるはずだ。そこでパスカルは、ピュイ・ド・ドームという山の近くに住んでいた義理の兄弟フロラン・ペリエに手紙を書き、重要な実験を依頼した。ペリエは気圧計をピュイ・ド・ドームに持ち込み、途中で水銀柱の高さを測定することになっていた。そして、それを山のふもとで測定されたものと比較して、高所で測定された測定値が実際には低いかどうかを確認することになっていた。1648年9月、ペリエは注意深く細心の注意を払って実験を行い、パスカルの予測が正しかったことを発見した。気圧計を高所に運ぶと、水銀柱は低くなったのである。^[6]

リュシアン・ヴィディが提唱した、気圧の低下が嵐の天候を予測するという概念は、「天気予報グラス」または「ゲーテ気圧計」（有名なドイツの作家で博学者のヨハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテにちなんで名付けられた）と呼ばれる気象予報装置の理論的根拠となっている。ゲーテは、トリチェリが開発した原理を使用して、単純だが効果的な天気球気圧計を開発した。フランス語名のle baromètre Liègeoisは、一部の英語話者によって使用されている。^[11] この名前は、初期の天気予報グラスの多くをベルギーのリエージュのガラス職人が製造したことを反映している。^{[11] [12]}

ウェザーボール気圧計は、半分水が入った密閉された本体を備えたガラス容器で構成されています。細い注ぎ口が水面下で本体に接続され、水面より上に伸びています。細い注ぎ口は大気に開放されています。本体が密閉されていたときよりも気圧が低い場合、注ぎ口の水位は本体の水位より高くなります。一方、気圧が高い場合、注ぎ口の水位は本体の水位より低くなります。このタイプの気圧計のバリエーションは、自宅で簡単に作ることができます。^[13]

水銀気圧計は、特定の場所の大気圧を測定するために使用される機器で、上部が閉じられた垂直のガラス管が、下部の開いた水銀で満たされた容器に設置されています。管内の水銀は、その重さがリザーバーにかかる大気圧の力と釣り合うまで調整されます。大気圧が高いとリザーバーにかかる力が大きくなり、水銀がカラム内のより高い位置に移動します。気圧が低いと、リザーバーにかかる力が弱まり、水銀がカラム内のより低いレベルに下がります。機器の周囲の温度レベルが高くなると水銀の密度が低下するため、水銀の高さを読み取る目盛りはこの影響を補正するように調整されます。管の長さは、少なくとも水銀に浸る量 + ヘッドスペース + カラムの最大長と同じ長さである必要があります。

トリチェリは、気圧計の水銀柱の高さが毎日少しずつ変化することを記録し、これは大気中の圧力の変化によるものだと結論付けた。^[1] 彼は「我々は、疑いのない実験によって重さがあることがわかっている元素空気の海の底に沈んで生きている」と書いている。^[14]トリチェリに触発されたオットー・フォン・ゲーリケは、 1660年12月5日に気圧が異常に低いことを発見し、翌日に嵐が起こることを予測した。^[15]

水銀気圧計の設計により、気圧はインチまたはミリメートル水銀 (mmHg) で表されます。1トルは元々 1 mmHg と定義されていました。圧力は、垂直柱における水銀の高さとして表されます。通常、気圧は 26.5 インチ (670 mm) から 31.5 インチ (800 mm) の水銀の間で測定されます。1 気圧 (1 atm) は 29.92 インチ (760 mm) の水銀に相当します。

機器の感度を高め、読み取りを容易にし、輸送を容易にするための設計変更により、盆地型、サイフォン型、ホイール型、貯水槽型、フォルタン型、多重折り畳み型、立体型、バランス型気圧計などのバリエーションが生まれました。

2007年、一般向けの新しい計測機器における水銀の使用を制限する欧州連合指令が制定され、ヨーロッパでの新しい水銀気圧計の生産は事実上終了した。アンティーク品（1957年後半以前に製造されたもの）の修理と取引は制限されていない。 ^{[16] [17]}

フィッツロイ気圧計は、標準的な水銀気圧計と温度計、および圧力の変化を解釈する方法のガイドを組み合わせたものです。

フォルティン気圧計は、可変容量水銀タンクを使用します。これは通常、革製のダイヤフラム底部 (図の V) をつまみねじで押す構造になっています。これにより、圧力の変化による柱内の水銀の変位が補正されます。フォルティン気圧計を使用するには、つまみねじを使用して象牙の指針 (図の O) が水銀の表面にちょうど触れるようにして、水銀のレベルをゼロに設定します。次に、水銀が Z の視線にちょうど触れるようにバーニヤ目盛りを調整して、柱上の圧力を読み取ります。一部のモデルでは、タンクを閉じるためのバルブも使用されており、輸送時に水銀柱を柱の上部に押し上げることができます。これにより、輸送中に柱が水撃によって損傷するのを防ぎます。

シンピエソメーターは、19世紀初頭に船舶で広く使用されていた小型軽量の気圧計です。この気圧計の感度は高度の測定にも使用されました。^[18]

シンピオメーターは 2 つの部分から構成されています。1 つは、気圧計内の液体の膨張または収縮を計算するために必要な従来の水銀温度計です。もう 1 つは気圧計で、下端が開いて上端が閉じた J 字型のチューブで構成され、チューブの両端に小さなリザーバーが付いています。

車輪気圧計は、長い方の枝の上部に密閉された「J」字型のチューブを使用します。短い方の枝は大気に開放されており、水銀の上に小さなガラスの浮きが浮かんでいます。浮きには細い絹糸が付いており、ホイールの上を通過してからカウンターウェイト（通常は別のチューブで保護されています）に戻ります。ホイールは気圧計の前面の針を回します。大気圧が上昇すると、水銀が短い枝から長い枝に移動し、浮きが下がり、指針が動きます。圧力が低下すると、水銀が戻り、浮きが持ち上がり、ダイヤルが反対方向に回転します。^[19]

1810 年頃、遠くからでも読み取れる車輪式気圧計は、イギリスの農民や知識階級に好まれた最初の実用的かつ商業的な計器となりました。気圧計の文字盤は円形で、読みやすい目盛りを指し示すシンプルな文字盤が付いています。文字盤の上部中央に「雨 - 変化 - 乾燥」と表示され、「変化」が目盛りに表示されていました。後期モデルでは、より細かい目盛りの気圧目盛りが追加され、「嵐 (28 水銀インチ)、大雨 (28.5)、雨 (29)、変化 (29.5)、晴れ (30)、晴れ (30.5)、非常に乾燥 (31)」と表示されます。

ナタロ・アイアーノは、最も優れた車輪式気圧計製作者の一人として知られ、英国への移住を奨励されたイタリアの器械および気圧計職人の波の先駆者であった。彼は 1785年から1805年頃、ロンドンのホルボーンで働いていたと記録されている。^[20] 1770年以降、熟練したガラス吹き職人や器械製作者であったため、多くのイタリア人が英国にやって来た。1840年までに、イタリア人が英国の産業を独占していたと言っても過言ではなかった。^[21]

2013 年 2 月、気圧計の作動流体として真空ポンプ油を使用することで、新しい「世界一高い気圧計」が誕生しました。ポートランド州立大学 (PSU) の気圧計は、二重蒸留真空ポンプ油を使用しており、油柱の高さは約 12.4 m です。予想される変動は、年間で ±0.4 m の範囲です。真空ポンプ油は蒸気圧が非常に低く、さまざまな密度のものがあります。PSU 気圧計では、油柱の高さを最大化するために、最も密度の低い真空油が選択されました。^[22]

アネロイド型気圧計は、液体を使わない方法で気圧を測定するのに使われる計器です。1844年にフランスの科学者リュシアン・ヴィディによって発明された^[23]アネロイド型気圧計は、ベリリウムと銅の合金でできたアネロイドセル（カプセル）と呼ばれる小さくて柔軟な金属製の箱を使っています。真空にされたカプセル（または通常は動きを加算するために積み重ねられた複数のカプセル）は、強力なバネによってつぶれないようになっています。外部の気圧の小さな変化によってセルが膨張したり収縮したりします。この膨張と収縮によって機械式のてこが動かされ、カプセルの小さな動きが増幅されてアネロイド型気圧計の表面に表示されます。多くのモデルには手動でセットする針が付いていて、それを使って現在の測定値をマークして変化がわかるようになっています。このタイプの気圧計は、家庭やレジャーボートでよく使われています。また、気象学でも、主に気圧計やラジオゾンデの圧力計として使われています。

気圧計は、気圧の変化を紙のチャートに記録する記録用アネロイド気圧計です。

気圧計の原理は、アネロイド気圧計と同じです。気圧計がダイヤルに圧力を表示するのに対し、気圧計は箱の小さな動きをレバーのシステムで記録アームに伝達します。記録アームの先端には筆記具またはペンが付いています。筆記具はスモークホイルに記録し、ペンはペン先にインクをつけて紙に記録します。記録材料は円筒形のドラムに取り付けられ、時計でゆっくり回転します。通常、ドラムは 1 日、1 週間、または 1 か月に 1 回転しますが、回転速度はユーザーが選択できる場合が多いです。

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）気圧計は、サイズが1〜100マイクロメートル（0.001〜0.1 mm）の非常に小さなデバイスです。フォトリソグラフィーまたは光化学加工によって作成されます。典型的な用途には、小型気象観測所、電子気圧計、高度計などがあります。^[24]

気圧計は、 Samsung Galaxy Nexus ^[25] 、 Samsung Galaxy S3-S6、Motorola Xoom、Apple iPhone 6以降のiPhone、Timex Expedition WS4 スマートウォッチなどのスマートフォンにも搭載されており、 MEMSと圧電抵抗圧力感知技術に基づいています。 ^{[26] [27]スマートフォンに気圧計を搭載するのは、もともと}GPSのロックをより速くするためでした。^[28]しかし、第三者の研究者は、気圧の読み取り値によるGPSの精度やロック速度の向上を確認できませんでした。研究者らは、スマートフォンに気圧計を搭載することでユーザーの高度を判断するための解決策が得られるかもしれないと示唆していますが、いくつかの落とし穴を克服する必要があることも示唆しています。^[29]

他にも珍しいタイプの気圧計がたくさんあります。コリンズ特許テーブル気圧計のような嵐の気圧計のバリエーションから、フックのオセオメーターやロスシンピエソメーターのようなより伝統的なデザインまであります。シャークオイル気圧計^[30]のように、温暖な気候で達成される特定の温度範囲でのみ機能するものもあります。

気圧と気圧傾向（時間経過による気圧の変化）は、19世紀後半から天気予報に使われてきました。^[31]風の観測と組み合わせて使用​​すると、かなり正確な短期予報を行うことができます。^[32]気象観測所のネットワーク全体から同時に気圧を測定することで気圧の地図を作成することができ、これが19世紀に作成された現代の天気図の最初の形となりました。等圧線（等圧線）をそのような地図に描くと、高気圧と低気圧の領域を示す等高線図が得られます。^[33]局所的な高気圧は接近する気象システムの障壁として機能し、その進路を変えます。低層の風が地表に収束することで生じる大気の上昇気流は、雲や時には降水をもたらします。^[34]気圧の変化が大きいほど、特に3.5 hPa（0.1 inHg）を超えると、予想される天候の変化が大きくなり気圧の低下が急激な場合は、低気圧が近づいており、雨が降る可能性が高くなります。寒冷前線の後などに起こる急激な気圧の上昇は、空が晴れるなど気象条件の改善と関連しています。^[35]

気圧が下がると、深部鉱山の石炭に閉じ込められたガスが自由に逃げることができる。したがって、低気圧は燃焼ガス蓄積の危険性を高める。そのため炭鉱は圧力を監視している。1882年のトリムドン・グランジ炭鉱の災害の際、炭鉱検査官は記録に注意を喚起し、報告書の中で「大気と気温の状態は危険なレベルに達したと考えられる」と述べた。^[36]

スキューバダイビングではアネロイド型気圧計が使用される。水中圧力計はダイバーの空気タンクの内容物を追跡するために使用される。別のゲージは静水圧を測定するために使用され、通常は海水の深さとして表される。どちらかまたは両方のゲージを電子式またはダイビングコンピューターに置き換えることができる。^[37]

水銀の密度は温度の上昇または下降によって変化するため、計測器の温度に合わせて測定値を調整する必要があります。このため、計測器には通常、水銀温度計が取り付けられています。アネロイド型気圧計の温度補正は、機械的な連結部にバイメタル要素を組み込むことで実現します。家庭用に販売されているアネロイド型気圧計は、通常、制御された室温範囲内で使用されることを前提として、補正機能がありません。

海抜高度では気圧が下がり(海抜高度以下では気圧が上がる)、補正されていない気圧計の値は気圧計の位置によって異なります。その後、測定値は報告のために同等の海面気圧に調整されます。たとえば、海抜高度で晴天の条件下にある気圧計を高度 1,000 フィート (305 m) に移動すると、測定値に約 1 水銀柱インチ (約 35 hPa) が追加されます。時間、水平距離、温度にわずかな変化があれば、2 つの位置の気圧計の測定値は同じになります。これが行われないと、高高度で嵐が近づいているという誤った表示が出てしまいます。

アネロイド型気圧計には機械的な調整機能があり、機器を別の高度に移動させない限り、それ以上調整することなく等価海面気圧を直接読み取ることができます。アネロイド型気圧計の設定は、時刻が正しくないアナログ時計をリセットするのと似ています。ダイヤルを回して、近くにある正確な気圧計 (地元の気象観測所など) からの現在の気圧を表示します。計算は必要ありません。ソース気圧計の読み取り値は既に等価海面気圧に変換されており、高度に関係なく、これが設定する気圧計に転送されます。まれではありますが、気象監視用のアネロイド型気圧計の中には、高度に合わせて手動で調整できるように調整されているものもあります。この場合、高度または現在の気圧のいずれかがわかれば、将来の正確な読み取りには十分です。

以下の表は、カリフォルニア州サンフランシスコ市内の 3 つの場所の例を示しています。修正された気圧計の読み取り値は同一であり、同等の海面気圧に基づいていることに注意してください。(気温は 15 °C と想定します。)

1787年、モンブランへの科学探検中に、ソシュールはさまざまな高度における水の沸点について研究し、物理実験を行った。彼は各実験で、アルコールバーナーで一定量の水を沸騰させるのにかかった時間を測定して高度を計算し、山の高さを4775メートルと判定した。（これは後に、実際の高さ4807メートルより32メートル低いことが判明した）。これらの実験のために、ソシュールは気圧計や温度計などの特別な科学機器を持ち込んだ。彼が計算した山頂の水の沸点は非常に正確で、誤差はわずか0.1ケルビンだった。^[38]

彼の発見に基づいて、気圧計の特定の応用として高度計が開発される可能性があり、19世紀半ばにはこの方法が探検家によって使用されました。^[39]

気圧計で大気圧を測定する場合、その圧力は「気圧」とも呼ばれます。断面積A、高さhの気圧計が、底部のポイント B から上部のポイント C まで水銀で満たされているとします。気圧計の底部であるポイント B の圧力は、大気圧に等しくなります。最上部のポイント C の圧力は、この点より上には水銀蒸気しかなく、その圧力は大気圧に比べて非常に低いため、ゼロと見なすことができます。したがって、気圧計と次の式を使用して大気圧を求めることができます。^{[40] [説明が必要]}

P _atm = ρgh

ここで、ρ は水銀の密度、g は重力加速度、h は自由表面積より上の水銀柱の高さです。気圧計自体の物理的寸法 (チューブの長さとチューブの断面積) は、チューブ内の水銀柱の高さには影響しません。

熱力学計算では、一般的に使用される圧力の単位は「標準気圧」です。これは、0 °C で高さ 760 mm の水銀柱から生じる圧力です。水銀の密度には ρ _Hg = 13,595 kg/m ³を使用し、重力加速度には g = 9.807 m/s ²を使用します。

標準大気圧を満たすために水銀の代わりに水を使用する場合、およそ 10.3 メートル (33.8 フィート) の水柱が必要になります。

高度の関数としての 標準大気圧:

注: 1 torr = 133.3 Pa = 0.03937 inH​​g

• 「気圧計」 ブリタニカ百科事典第3巻（第11版）。1911年。
• Burch, David F. 『気圧計ハンドブック：気圧計の最新動向と気圧の応用』シアトル：Starpath Publications（2009年）、ISBN 978-0-914025-12-2。 
• ミドルトン、WEノウルズ。(1964)。『気圧計の歴史』。ボルチモア：ジョンズホプキンス出版。新版（2002）、ISBN 0-8018-7154-9。 

• US 2194624、GA Titterington、Jr、「温度補償手段を備えたダイヤフラム圧力計」、1940-03-26発行、Bendix Aviat Corpに譲渡 
• 米国特許 2,472,735 : CJ Ulrich: 「気圧計」
• 米国特許 2,691,305 : HJ Frank: 「気圧高度計」
• 米国特許 3,273,398 : DCWT Sharp: 「アネロイド気圧計」
• 米国特許 3,397,578 : HA Klumb: 「圧力応答器具動作のための動作増幅機構」
• 米国特許 3,643,510 : F. Lissau: 「流体変位圧力計」
• 米国特許 4,106,342 : OS Sormunen: 「圧力測定器」
• 米国特許 4,238,958 : H. Dostmann: 「気圧計」
• 米国特許 4,327,583 : T. Fijimoto: 「天気予報装置」

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• 海洋気圧計の観測に関する著作...Wikisource