3. L’aria pesa: la pressione atmosferica

L’aria è un miscuglio di gas, perché ha tutte le proprietà delle sostanze allo stato gassoso. Hai già analizzato queste proprietà studiando la materia: 

- non ha né volume né forma propria ma occupa tutto lo spazio che ha a disposizione;

- è comprimibile ed elastica: il volume dell’aria diminuisce quando viene compressa perché aumenta la pressione; quando la pressione diminuisce il volume si espande tornando ai valori iniziali ( 4 );

Come agisce la pressione atmosferica?

Osserva i risultati dell’esperimento ( 5 ): si schiaccia una bottiglietta in modo da fare uscire tutta l’aria e creare il “vuoto”; poi si infila sul collo della bottiglietta un palloncino in modo che vi possa entrare. Il palloncino viene risucchiato verso l’interno della bottiglia e si gonfia. Ciò accade perché l’aria esterna alla bottiglia entra nel palloncino e preme sulle sue pareti. Il palloncino si gonfia in modo uniforme perché la pressione dell’aria si esercita in tutte le direzioni. La pressione dell’aria agisce dunque in ogni punto e in tutte le direzioni con la stessa intensità, verso l’alto e verso il basso, verso l’interno e verso l’esterno di un corpo.

Il corpo umano, come quello degli altri animali terrestri, è perfettamente adatto a vivere “immerso” nella pressione dell’atmosfera della Terra. Nel sangue e nell’acqua contenuti nelle cellule esiste infatti una pressione interna che controbilancia quella esterna atmosferica ( 6 ). Su un pianeta con una pressione atmosferica molto diversa o nel vuoto, dove non c’è atmosfera, è impossibile la sopravvivenza. Ecco perché gli astronauti all’interno delle navicelle spaziali vivono in un ambiente pressurizzato e per uscire all’esterno devono indossare particolari tute adatte a mantenere il corpo “sotto pressione”.

Quanto misura la pressione atmosferica?

Fu Evangelista Torricelli, allievo di Galileo Galilei, nel XVII secolo, a misurare per primo la pressione atmosferica. Egli dimostrò, con un famoso esperimento, che una colonna d’aria alta quanto l’atmosfera e con la base di 1 cm2 pesa 1033 g, cioè 1,033 kgp. Tale valore rappresenta l’unità di misura della pressione, che viene detta atmosfera (atm):

1 atm = 1,033 kgp/cm2

Lo strumento con cui si misura la pressione atmosferica è il barometro (dal greco barós, “peso”). Esistono due tipi di barometri che si basano su funzionamenti diversi. Il barometro a mercurio ( 7 ) è formato da una canna di vetro, chiusa a un’estremità e contenente mercurio, immersa in un piccolo recipiente aperto, contenente anch’esso mercurio. La variazione della pressione atmosferica sul mercurio contenuto nel recipiente lo fa salire o scendere nella canna di vetro, opportunamente graduata. Il barometro a mercurio, più sensibile e preciso, è quello usato dai meteorologi per i rilevamenti. Il barometro olosterico ( 8 ) è un barometro metallico. È costituito da una scatola di metallo, nella quale è stato praticato il vuoto, con un coperchio sensibile alle variazioni di pressione: ogni sua deformazione è comunicata a una levetta che segna il valore della pressione su un quadrante.

Il valore della pressione atmosferica è molto variabile. Anche nella stessa giornata e nello stesso luogo può subire l’influenza di alcuni fattori come l’altitudine, la temperatura e l’umidità. Osserva il grafico, che mette in relazione il variare della pressione atmosferica con il variare dell’altitudine: salendo verso l’alto, diminuisce l’altezza della colonna d’aria che preme su un corpo; diminuisce dunque anche il peso dell’aria e quindi la pressione atmosferica. Ciò spiega perché, salendo in quota, le orecchie si “tappano”: si crea infatti una differenza di pressione sul timpano dell’orecchio, sulla parete esterna la pressione atmosferica diminuisce. 

La pressione diminuisce quindi all’aumentare dell’altitudine.

I meteorologi, cioè gli studiosi dell’atmosfera, riportano nelle carte geografiche i valori della pressione registrati in certe zone della Terra, poi congiungono tutti i punti in cui la pressione è la stessa e ottengono le isobare, che hanno l’aspetto di linee curve chiuse. Vicino a ogni isobara è scritto un numero che indica il valore della pressione in ettopascal o in millibar. Osserva la cartina ( 12 ):
- i valori delle isobare 1 e 2 aumentano dalle periferie al centro, dove presentano un valore massimo; si tratta di un’area di alta pressione o anticiclonica A ; 

- i valori delle isobare 3 e 4 diminuiscono invece dalle periferie al centro, dove hanno un valore minimo; si tratta di un’area di bassa pressione o ciclonica B . 

Le aree di alta e bassa pressione non sono stabili, ma si deformano e si spostano rapidamente.

L’esperimento di Torricelli

Il primo a misurare la pressione atmosferica fu Evangelista Torricelli, fisico italiano allievo di Galilei, vissuto nel XVII secolo. Torricelli fu incuriosito da un problema che sembrava irrisolvibile: gli addetti all’estrazione dell’acqua potabile dai pozzi sapevano che, se il pozzo era profondo più di 10 metri, nessuna pompa riusciva a tirare su l’acqua. Torricelli ipotizzò che l’acqua risalisse nel tubo della pompa perché spinta dalla pressione atmosferica esercitata sulla superficie dell’acqua all’esterno del tubo: quando la colonna d’acqua nel tubo raggiungeva i 10 m di altezza, il suo peso controbilanciava la pressione esercitata dall’aria all’esterno del tubo ed essendoci equilibrio l’acqua non saliva più. Torricelli fece un semplice ragionamento: se la pressione atmosferica viene equilibrata dal peso di una colonna d’acqua di circa 10 metri, sarà anche equilibrata da una colonna molto più bassa di un liquido più pesante dell’acqua. Per dimostrare le sue idee, lo scienziato eseguì un esperimento usando al posto dell’acqua il mercurio, che ha un peso specifico 13,6 volte superiore a quello dell’acqua. Riempì completamente di mercurio un tubo di vetro con sezione di 1 cm2 e altezza di circa 1 metro, chiuso a una estremità. Tappò l’apertura con un dito e capovolse il tubo in una bacinella contenente mercurio. Quando tolse il dito, vide il mercurio scendere nel tubo per un breve tratto e poi fermarsi a una certa altezza, lasciando completamente vuota, e quindi priva d’aria, l’estremità superiore del tubo stesso. Torricelli ripeté molte volte l’esperimento e notò che, mediamente, la colonnina di mercurio sopra la superficie della vaschetta era alta 76 centimetri.

L’aria preme sul mercurio contenuto nella bacinella ma non sul mercurio del tubo, sul quale è rimasto uno spazio vuoto. Nel punto B la pressione esercitata dall’aria è uguale alla pressione esercitata nel punto A da 76 cm di mercurio. Torricelli concluse che la pressione atmosferica equivale, a livello del mare e a 0 °C di temperatura, alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 76 centimetri e con la sezione di 1 cm2, ed equivale anche alla pressione di una colonna d’acqua alta 10 metri circa. Il peso della colonna di mercurio si ottiene moltiplicando il suo volume (76 cm3) per il peso specifico del mercurio (13,6 g/cm3): 76 × 13,6 = 1033,6 g ~ 1,033 kg.

Nel 1654 Otto von Guericke realizzò la celebre esperienza degli “emisferi di Magdeburgo”, città di cui era borgomastro. Due semisfere cave (emisferi) con i bordi perfettamente lisci vennero fatte combaciare in modo da formare una sfera nella quale si fece il vuoto con l’aiuto di una pompa. Man mano che l’aria veniva aspirata, la pressione atmosferica comprimeva sempre più gli emisferi l’uno contro l’altro. Guericke fece attaccare otto cavalli per ciascuna semisfera che tiravano in versi opposti: nemmeno loro riuscirono a separare i due emisferi. Guericke voleva mettere in evidenza l’enorme forza dovuta alla pressione atmosferica. Al giorno d’oggi sappiamo calcolare tale forza: per esempio su un vetro di 1 m2 di superficie, la pressione atmosferica è equivalente al peso di un autocarro di 10 tonnellate.