Ilmapuntari

Ilmapuntari eli barometri on ilmanpaineen mittaamiseen käytettävä laite. Se voi käyttää joko vettä, ilmaa, elohopeaa tai elektronista paineanturia. Ilmanpaineen muutosten perusteella voidaan ennustaa säätä.

Historia

Evangelista Torricelli nimetään yleisesti ilmapuntarin keksijäksi,mutta historialliset dokumentit osoittavat että Gasparo Berti, italialainen matemaatikko ja astronomi, olisi rakentanut tahattomasti vesi-ilmapuntarin vuosien 1640–1643 välillä.Ranskalainen filosofi ja tiedemies René Descartes suunnitteli ilmapuntarin jo vuonna 1631, mutta ei ole todisteita että hän olisi kyennyt rakentamaan sen.
Vuonna 1630 Giovanni Battista Baliani kirjoitti kirjeessään Galileo Galileille, että hänen kokeensa, jossa hän oli yrittänyt lapota vettä yli 20 metriä korkean kukkulan yli oli epäonnistunut. Galileon selitys ilmiölle oli, että tyhjiön voima veti veden ylös, ja tietyllä korkeudella vettä oli yksinkertaisesti niin paljon, ettei tyhjiö voinut kannatella sitä enää enempää.
Galileon idea saavutti Rooman joulukuussa 1638 hänen Discorsissaan. Raffaele Magiotti ja Gasparo Berti innostuivat näistä ajatuksista ja päättivät yrittää etsiä lappoa paremman tavan tuottaa tyhjiö. Magiotti suunnitteli tällaisen kokeilun, jonka Berti 1639–1641 toteutti.
Bertin kokeilu koostui vedellä täytetystä pitkästä putkesta, jonka molemmat päät oli suljettu. Putki seisoi altaassa joka oli täynnä vettä. Putki avattiin alapäästä ja vesi pääsi valumaan altaaseen. Kuitenkin vain osa vedestä tuli ulos, ja veden pinta putken sisällä pysyi tarkasti 10,3 metrin tasolla, samalla korkeudella jonka Baliani ja Galileo olivat havainneet rajoittavan lapon käyttöä. Mikä tärkeintä tässä kokeilussa, laskenut vesi oli jättänyt tyhjää tilaa putken yläpäähän, jolla ei ollut aikaisemmin kosketusta ilman kanssa. Näytti mahdolliselta että putken yläpäähän muodostui tyhjiö. 
Perinteisesti oli ajateltu (erityisesti aristoteelien keskuudessa), että ilmalla ei ollut painoa. Jopa Galilei oli hyväksynyt sen yksinkertaisena totuutena. Torricelli kyseenalaisti tämän, ja ehdotti sen sijaan että ilmalla oli paino, ja se oli voima joka piti veden putkessa. Hän näki barometrin mittausvälineenä, eikä pelkkänä välineenä luoda tyhjiö. Tämän vuoksi häntä yleisesti pidetään ilmapuntarin keksijänä. 
Johtuen Torricellin naapurustossa liikkuvista huhuista joiden mukaan hän oli mukana jonkinlaisessa noituudessa, että hänen oli pidettävä kokeensa salassa välttääkseen pidätyksen. Hänen oli myös jatkossa käytettävä raskaampaa nestettä kuin vesi, ja hän päätteli että käyttämällä elohopeaa putkesta voitaisiin tehdä lyhyempi. Elohopealle, joka on 14 kertaa raskaampaa kuin vesi tarvittiin vain 80cm pitkä putki, toisin kuin veden tapauksessa 10,5m  
Vuonna 1646 Blaise Pascal ja Pierre Petit olivat toistaneet ja hioneet Torricellin kokeilua kuultuuan siitä Marin Mersenneltä, joka oli itse nähnyt Torricellin tekevän kokeen vuonna 1644. Pascal aikoi testata aristoteelien ehdotusta jonka mukaan nesteessä olevat "höyryt" täyttivät tyhjän tilan. Hän korvasi veden viinillä, koska aristoteelit odottivat sen seisovan matalammalla suuremman "höyry"määrän johdosta. Pascal suoritti kokeen julkisesti, ja viini ei seissyt matalammalla kuin vesi. 
Kuitenkin Pascal meni vielä pidemmälle testatessaan mekaanista teoriaa. Jos, kuten Torricel ja Pascal epäilivät, ilmalla olisi paino, painoa olisi vähemmän korkeammalla. Siksi Pascal kirjoitti langolleen Lorin Perierille, joka asui lähellä vuorta nimeltä Puy de Dome, ja pyysi häntä tekemään mittauksia. Syyskuussa 1648 Perier teki huolellisia mittauksia, ja totesi että elohopeapatsas seisoi matalammalla mitä korkemmalle mentiin.

Veteen perustuvat ilmapuntarit

Käsitys, jonka mukaan laskeva ilmanpaine ennustaa myrskyä, tarjoaa teoreettisen perusteen "myrskylasiksi" tai "Goethen ilmapuntariksi" nimetylle laitteelle. Se nimettiin Johann Wolfgang von Goethen, saksalaisen tiedemiehen ja kirjailijan mukaan, joka kehitti yksinkertaisen mutta tehokkaan vesi-ilmapuntarin käyttäen Torricellin luomia periaatteita. 
Vesi-ilmapuntari koostuu lasiastiasta, joka on sinetöity puolilleen vettä. Siinä on kapea nokka joka nousee vesirajan alapuolelta. Nokan kärki on avoin ilmanpaineen muutoksille. Kun ilmanpaine on alhaisempi kuin astian sinetöinnin aikaan, nokan vedenpinta nousee astian vedenpinnan yläpuolelle, korkeapaineella se laskee pinnan alapuolelle. Tällaisen ilmapuntarin variaatio voidaan helposti tehdä kotona.

Elohopeailmapuntarit

Elohopeabarometri koostuu vähintään 84cm korkeasta lasiputkesta, joka on suljettu toisesta päästä ja yhdistetty elohopeasäiliöön toisesta päästä. Elohopean paino luo tyhjiön putken yläpäähän. Elohopea liikkuu putkessa kunnes se on tasapainossa ilmakehän siihen kohdistaman painon kanssa. Korkeapaine pakottaa elohopean korkeammalle putkeen, matalapaineella elohopea laskee. Koska lämpötila vähentää elohopean tiheyttä, asteikko on säädetty kompensoimaan tätä.
Torricelli dokumentoi, että elohopeapatsaan korkeus muuttui hieman joka päivä, ja päätteli tämän johtuvan ilmakehän paineen muutoksista. Hän kirjoitti että "elämme ilma-elementin valtameren pohjalla".
Elohopeabarometrissä paine ilmaistaan tuumina tai millimetreinä (torr). Paineen merkintä liittyy elohopeapatsaan korkeuteen. 1 ilmakehä vastaa noin 760 millimetriä elohopeaa.
5. kesäkuuta 2007 Euroopan unionin direktiivi alkoi rajoittaa elohopean myyntiä, mikä käytännössä lopetti elohopeailmapuntarien tuotannon Euroopassa.

Aneroidi-ilmapuntarit

Aneroidi- eli rasiailmapuntarissa on joustava metallirasia, jonka sisällä on tyhjiö. Sen keksi ranskalainen insinööri ja keksijä Lucien Vidie 1800-luvulla. Rasia on valmistettu berylliumin ja kuparin sekoituksesta. Pienet ilmanpaineen muutokset kutistavat tai laajentavat rasiaa. Rasiaan on yhdistetty vivusto, joka vahvistaa liikkeen ja liikuttaa neulaa asteikolla, joka tavallisessa koti-ilmapuntarissa on tyypillisesti hehtopascal (hPa) eli millibaari (mbar) ja elohopeamillimetri (mmHg). Monesti ilmapuntarissa on myös manuaalisesti käännettävä neula, jolla voi havainnoida ilmanpaineen vaihtelua. Koska ilmanpaineen vaihtelut ovat hyvin pieniä, täytyy ilmapuntaria kopauttaa tarkan lukeman saamiseksi.

Barografit

Barografissa on aneroidi-ilmapuntari, joka liikuttaa kellokoneiston käyttämälle rummulle viivaa piirtävää neulaa. Neula piirtää viivaa paperille tai noetulle foliolle.

Muita harvinaisempia ilmapuntareita

On olemassa myös muita epätavallisempia ilmapuntareita, myrskylasin variaatioista kuten Collinsin pöytäbarometrista, aina perinteisimpiin malleihin kuten Hooken otheometri ja Rossin Sympiesometri. Jotkut, kuten hainöljybarometri toimivat vain tietyllä lämpötila-alueella.

Sovellukset

Ilmanpainetta on käytetty sään ennustamiseen 1800-luvulta alkaen. Käytettäessä myös tuulihavaintoja, ilmanpaineen avulla voidaan tehdä lyhyen ajan ennustuksia. Kerättäessä ilmanpainetietoja useilta asemilta, voidaan luoda sääkarttoja. Isobaarit ovat sääkartassa ilmanpainealueiden rajoja. Paikallinen korkeapaine toimii lähestyvien sääjärjestelmien esteenä. Suuri ja nopea paineen lasku, vähintään 3,5 hPa, voi ennakoida matalapainetta. Paineen nouseminen ennakoi korkeapainetta ja säätilan paranemista.

Lämpötila

Elohopean tiheys muuttuu lämpötilan mukaan, joka tulee ottaa huomioon elohopeailmapuntaria luettaessa. Tätä varten elohopeailmapuntarissa on yleensä mukana lämpömittari. Myös aneroidi-ilmapuntarissa voi olla kaksoismetallista tehty lämpötilakompensaattori. Kotikäyttöön myytävissä ilmapuntareissa sitä ei yleensä ole.

Korkeus

Koska ilmanpaine laskee noustessa merenpinnasta (ja nousee laskeuduttaessa sen tasolle), ilmapuntarin lukema on sidottu tiettyyn paikkaan. Muulloin lukema pitää ensin muuttaa merenpinnan tason painetta vastaavaksi. Lentokoneiden mekaaniset korkeusmittarit ja laskuvarjohyppääjien käyttämät käsikorkeusmittarit perustuvat tähän ilmiöön. Niissä on aneroidi, joka reagoi paineeseen, ja asteikkona on paineasteikon sijaan korkeusasteikko, joko jalkoina tai metreinä. Ilmanpaineen ja korkeuden vastaavuus on noin -12 pascalia per metri ylöspäin (1 hPa per 8 m). Ilmapuntaria voi käyttää lentokoneen korkeusmittarin säätöön. Aneroidikorkeusmittarissa on ruuvi tai säätöpyörä, josta sen voi kalibroida kulloiseenkin käyttöpaikkaan sopivaksi. 
Noustaessa tai laskeuduttaessa korkeusmittari säädetään lentokentän QFE-arvoon. QFE (Field Elevation) riippuu kentän merenpintakorkeudesta sekä vallitsevasta säästä. Kun ollaan päästy matkalentoon, korkeusmittari säädetään QNH-arvoon (Nautical Height), joka vastaa korkeutta merenpinnasta.