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気圧 きあつ 計 けい (きあつけい、英語 えいご : barometer )とは、大気 たいき の圧力 あつりょく を測定 そくてい する器具 きぐ のことである。気圧 きあつ は天候 てんこう の変化 へんか に対応 たいおう する重要 じゅうよう な測定 そくてい 項目 こうもく として、ほとんど全 すべ ての気象 きしょう 観測 かんそく 点 てん で観測 かんそく が行 おこな われており、用途 ようと に応 おう じた様々 さまざま な種類 しゅるい の気圧 きあつ 計 けい が用 もち いられている。
レーザー干渉 かんしょう 計 けい ・航空機 こうくうき ・GPS などでは、大気 たいき の圧力 あつりょく に伴 ともな う、密度 みつど や屈折 くっせつ 率 りつ 等 ひとし の変化 へんか を原因 げんいん とする誤差 ごさ を補正 ほせい するため、それぞれの目的 もくてき に応 おう じた気圧 きあつ 計 けい が用 もち いられる。地上 ちじょう からの高度 こうど と気圧 きあつ の間 あいだ には一定 いってい の関係 かんけい があるため、多 おお くの高度 こうど 計 けい は気圧 きあつ 計 けい と同 おな じ構造 こうぞう のものがある。
一般 いっぱん に、エヴァンジェリスタ・トリチェリ が1643年 ねん に気圧 きあつ 計 けい を発明 はつめい したとされているが[1] [2] [3] 、他 た に2人 にん 挙 あ げておくべき人物 じんぶつ がいる。イタリアの数学 すうがく 者 しゃ で天文学 てんもんがく 者 しゃ のガスパロ・ベルティ (英語 えいご 版 ばん ) は、1640年 ねん から1643年 ねん の間 あいだ にそれとは気 き づかずに水 みず を使 つか った気圧 きあつ 計 けい を作 つく っていた[1] [4] 。またフランスの科学 かがく 者 しゃ で哲学 てつがく 者 しゃ のルネ・デカルト は大気 たいき 圧 あつ を測定 そくてい する実験 じっけん 装置 そうち の設計 せっけい を1631年 ねん ごろ記述 きじゅつ しているが、彼 かれ がその時 とき に気圧 きあつ 計 けい を実際 じっさい に作 つく ったという証拠 しょうこ はない[1] 。
気圧 きあつ 計 けい が作 つく られるようになると、気圧 きあつ が日々 ひび 変動 へんどう することがわかってきた。ブレーズ・パスカル も気圧 きあつ が日々 ひび 変動 へんどう することに気 き づいていた。ところがパスカルは、その原因 げんいん として大気 たいき 中 ちゅう の「水蒸気 すいじょうき が多 おお いと大気 たいき が重 おも くなって気圧 きあつ が高 たか くなる」ためと考 かんが えた[5] 。しかし、実際 じっさい には水蒸気 すいじょうき が多 おお いと逆 ぎゃく に大気 たいき は軽 かる くなる。また気象 きしょう 学 がく に関心 かんしん があったドイツの数学 すうがく 者 しゃ ゴットフリード・ライプニッツ やイギリスの数学 すうがく 者 しゃ ジョン・ウォリス も、気圧 きあつ の変動 へんどう は雨 あめ が降 ふ るとその分 ぶん に比例 ひれい して大気 たいき が軽 かる くなるためと考 かんが えていた[6] 。
オットー・フォン・ゲーリケ は得意 とくい の技術 ぎじゅつ を使 つか って水 みず を使 つか った気圧 きあつ 計 けい を製作 せいさく して自宅 じたく に設置 せっち した。1660年 ねん 12月に気圧 きあつ が大 おお きく下 さ がった時 とき に暴風 ぼうふう が起 お こったことから、悪天候 あくてんこう 時 じ に気圧 きあつ が下 さ がることを発見 はっけん した。これが天候 てんこう と気圧 きあつ との関係 かんけい を示 しめ した最初 さいしょ といわれている。ゲーリケによるこの「気圧 きあつ の変化 へんか が天気 てんき と関係 かんけい する」ことの発見 はっけん がきっかけとなって、気圧 きあつ の降下 こうか を悪 あく 天 てん の予兆 よちょう として利用 りよう するようになった。気圧 きあつ 計 けい は、嵐 あらし を避 さ ける必需 ひつじゅ 品 ひん として特 とく に船乗 ふなの りに広 ひろ く普及 ふきゅう した[7] 。
17世紀 せいき に気圧 きあつ 計 けい の原理 げんり が確立 かくりつ されてほどなく、低 てい 気圧 きあつ の接近 せっきん といった天候 てんこう の悪化 あっか に先 さき んじて気圧 きあつ の変化 へんか が起 お こることが発見 はっけん された。これを応用 おうよう した製品 せいひん は晴雨計 せいうけい として船舶 せんぱく 等 とう に普及 ふきゅう し、短時間 たんじかん の予測 よそく ではあるが、それまで科学 かがく 的 てき 手法 しゅほう の存在 そんざい しなかった気象 きしょう の予想 よそう が行 おこな えるようになった。このことが社会 しゃかい にもたらしたインパクトは大 おお きく、現在 げんざい でも、他 た の事象 じしょう の象徴 しょうちょう あるいは先行 せんこう 指標 しひょう となるもの、及 およ びその変化 へんか を指 さ して「バロメーター」と呼 よ ぶことにその名残 なごり を残 のこ している。
1665年 ねん にロバート・フック は水銀 すいぎん を使 つか った気圧 きあつ 計 けい を改良 かいりょう し、水銀 すいぎん の高 たか さ(気圧 きあつ )を盤上 ばんじょう で回転 かいてん する針 はり で示 しめ す仕組 しく みを開発 かいはつ した[8] 。これはホイール・バロメータと呼 よ ばれ、広 ひろ く使 つか われるようになった。また、1700 年 ねん にはフックが船舶 せんぱく 用 よう 気圧 きあつ 計 けい (Marine barometer)をつくった。これは温度 おんど 計 けい と気圧 きあつ 計 けい が組 くみ になっており、気圧 きあつ を温度 おんど 計 けい で補正 ほせい することができた。エドモンド・ハレー はこれを航海 こうかい に使用 しよう して「決 けっ して悪 あく 天 てん の予測 よそく を過 あやま つことなく、あらゆる悪 あく 天 てん を早期 そうき に知 し らせる」と賞賛 しょうさん した[9] 。しかしフックが属 ぞく していた王立 おうりつ 協会 きょうかい の歴史 れきし 的 てき 事情 じじょう によるものかもしれないが、この詳 くわ しい資料 しりょう はフックの他 ほか の多 おお くの資料 しりょう とともに残 のこ されていない。
水銀 すいぎん 気圧 きあつ 計 けい は水銀柱 すいぎんちゅう の高 たか さが変 か わると、槽 ふね 内 ない の水銀 すいぎん 面 めん の高 たか さも変 か わるため、水銀柱 すいぎんちゅう の高 たか さを精密 せいみつ に測定 そくてい するのは手間 てま がかかった。パリの測定 そくてい 器 き 製作 せいさく 者 しゃ ニコラス・フォルタン(Nicolas Fortin )は、1800年 ねん 頃 ごろ に気圧 きあつ 計 けい の水銀 すいぎん 槽 そう を見 み えるようにガラス製 せい にし、槽 ふね の天井 てんじょう から逆 さか さまに象牙 ぞうげ の針 はり を付 つ けて、さらに水銀 すいぎん 槽 そう の底 そこ を革 かわ にして底 そこ の高 たか さを上下 じょうげ させて水銀 すいぎん 面 めん が象牙 ぞうげ の針 はり 先 さき にちょうど触 ふ れるように調整 ちょうせい できるようにした。針 はり 先 さき は水銀柱 すいぎんちゅう の目盛 めも りの基点 きてん ともなっているので、その後 ご に水銀柱 すいぎんちゅう の目盛 めも りを読 よ めばそのまま水銀柱 すいぎんちゅう の高 たか さ、つまり気圧 きあつ がわかる仕組 しく みを導入 どうにゅう した。これはフォルタン型 がた 気圧 きあつ 計 けい と呼 よ ばれている[7] 。
水銀 すいぎん 気圧 きあつ 計 けい は一般 いっぱん に大型 おおがた 、精巧 せいこう で持 も ち運 はこ ぶことは困難 こんなん だった。持 も ち運 はこ び可能 かのう の気圧 きあつ 計 けい は1695年 ねん にイギリスの時計 とけい 職人 しょくにん ダニエル・クエール(Daniel Quare )によって作 つく られた。それは木製 もくせい の水銀 すいぎん 槽 そう の底 そこ が革 かわ でできており、底 そこ についたねじで革 かわ 底 そこ を動 うご かして水銀 すいぎん を調整 ちょうせい できるようにしたもので広 ひろ く普及 ふきゅう した。移動 いどう させる場合 ばあい は水銀柱 すいぎんちゅう に空洞 くうどう ができないように革 かわ 底 そこ をねじで調整 ちょうせい してから運 はこ び、到着 とうちゃく すると逆 ぎゃく の手順 てじゅん で測定 そくてい 状態 じょうたい に戻 もど した。この携帯 けいたい 型 がた 気圧 きあつ 計 けい は多 おお くの登山 とざん 家 か が持 も ち運 はこ んで山 やま の高 たか さを測定 そくてい するのにも使 つか われた[10] 。19世紀 せいき になって、イギリスの医療 いりょう 機器 きき 製作 せいさく 者 しゃ で気象 きしょう 学者 がくしゃ でもあったアレクサンダー・アディー(Alexander James Adie )はこの方式 ほうしき を改良 かいりょう して、1818年 ねん にシンピエゾメ-タ(sympiesometer )として特許 とっきょ を取 と ってから、気圧 きあつ 計 けい として広 ひろ く使 つか われるようになった[10] 。
水銀 すいぎん を使 つか わずに、内部 ないぶ を低圧 ていあつ にした小型 こがた の金属 きんぞく 製 せい の空 くう ごう(箱 はこ )を使 つか って気圧 きあつ を測 はか れるようにしたのが、アネロイド気圧 きあつ 計 けい である。「アネロイド」とは液体 えきたい を使 つか わないという意味 いみ のギリシャ語 ご から来 き ている。この動作 どうさ 機構 きこう は数学 すうがく 者 しゃ ゴットフリード・ライプニッツ によって初 はじ めて提案 ていあん されたが、実際 じっさい には製作 せいさく されなかった [10] 。1844年 ねん にフランスの物理 ぶつり 学者 がくしゃ ルシアン・ヴィディ(Lucien Vidie )が初 はじ めて実用 じつよう 的 てき なアネロイド気圧 きあつ 計 けい を製作 せいさく した。この型 かた の気圧 きあつ 計 けい は、アネロイドセルと呼 よ ばれる減圧 げんあつ された小 ちい さな金属 きんぞく 製 せい の箱 はこ の体積 たいせき が気圧 きあつ によって変形 へんけい することを利用 りよう して、盤上 ばんじょう の針 はり を動 うご かす仕組 しく みになっている。これは小型 こがた の携帯 けいたい 型 がた の気圧 きあつ 計 けい に使 つか われた[7] 。
フォルタン水銀 すいぎん 気圧 きあつ 計 けい
フォルタン水銀 すいぎん 気圧 きあつ 計 けい とも呼 よ ばれる。一端 いったん を封 ふう じたガラス管 かん の内部 ないぶ に水銀 すいぎん を満 み たして水銀 すいぎん 槽 そう に倒立 とうりつ させ、ガラス管 かん の上部 じょうぶ にトリチェリ の真空 しんくう を生 しょう じさせた構造 こうぞう である。水銀 すいぎん 槽 そう の液 えき 面 めん にかかる大気 たいき 圧 あつ とガラス管 かん の内部 ないぶ の水銀柱 すいぎんちゅう の重 おも さ(∝高 だか さ)との釣 つ り合 あ いから気圧 きあつ が測定 そくてい できる。気象 きしょう 観測 かんそく における基準 きじゅん 器 き として用 もち いられることが多 おお い。
水銀 すいぎん 槽 そう の下部 かぶ は、皮 かわ 製 せい の袋 ふくろ をネジで押 お し上 あ げて液 えき 面 めん の高 たか さを調整 ちょうせい できる構造 こうぞう になっており、水銀 すいぎん 槽 そう 内 ない の液 えき 面 めん が象牙 ぞうげ の針 はり [11] の先端 せんたん に接 せっ するようにしたうえで、ガラス管 かん に添 そ えられた目盛 めも りを読 よ み取 と る。より厳密 げんみつ な測定 そくてい には温度 おんど 及 およ び重力 じゅうりょく 加速度 かそくど を用 もち いた補正 ほせい が必要 ひつよう である。このため気温 きおん 測定 そくてい 用 よう のものと同等 どうとう の附着 ふちゃく 温度 おんど 計 けい と呼 よ ばれる温度 おんど 計 けい が付属 ふぞく する。
またガラス管 かん 上 じょう 端 はし にレーザー を用 もち いた測 はか 距装置 そうち を備 そな えることで、測定 そくてい 値 ち の電気 でんき 的 てき な出力 しゅつりょく を行 おこな えるものもある。
その原理 げんり 上 じょう 非常 ひじょう に精度 せいど の高 たか い測定 そくてい が可能 かのう である一方 いっぽう 、高価 こうか であること、全長 ぜんちょう が長 なが く重量 じゅうりょう が重 おも いこと、衝撃 しょうげき ・傾斜 けいしゃ に弱 よわ く運搬 うんぱん に適 てき さないこと、測定 そくてい に熟練 じゅくれん を要 よう すること等 とう の欠点 けってん があり、日常 にちじょう 的 てき な観測 かんそく 、特 とく に無人 むじん 運用 うんよう による自動 じどう 観測 かんそく には適 てき さない。
気象庁 きしょうちょう でも地方 ちほう 官署 かんしょ における基準 きじゅん 器 き としては使用 しよう しないこととしたため、国有 こくゆう 財産 ざいさん としての使用 しよう 期限 きげん を過 す ぎたものから順次 じゅんじ 払 はら い下 さ げを行 おこな っている。
気象 きしょう 観測 かんそく 用 よう として、測定 そくてい 範囲 はんい は、少 すく なくとも870-1050h Pa[12] が必要 ひつよう とされ、許容 きょよう される器 うつわ 差 さ は、0.7hPa である。
アネロイド型 がた 自記 じき 気圧 きあつ 計 けい
アネロイド(Aneroid)型 がた 気圧 きあつ 計 けい は、内部 ないぶ をほぼ真空 しんくう にした、円盤 えんばん 形 がた 又 また は円筒 えんとう 形 がた の金属 きんぞく 製 せい 密閉 みっぺい 容器 ようき [13] をつぶそうとする大気 たいき 圧 あつ と機構 きこう に内蔵 ないぞう されたばね の反発 はんぱつ 力 りょく との釣 つ り合 あ いによって気圧 きあつ を測定 そくてい するものである。水銀 すいぎん を用 もち いないことから、ギリシャ語 ご の"a"(否定 ひてい の意味 いみ )と"neros"(湿 しめ った・液体 えきたい の)を語源 ごげん とするこの名 な を持 も つ。
小型 こがた 軽量 けいりょう で構造 こうぞう 及 およ び取扱 とりあつか いが簡単 かんたん なため、家庭 かてい 用 よう や携帯 けいたい 用 よう としても広 ひろ く用 もち いられており、温度 おんど 計 けい と一体 いったい にした製品 せいひん も多 おお い。水銀 すいぎん 気圧 きあつ 計 けい と比較 ひかく して精度 せいど が劣 おと るとされるので、気象 きしょう 観測 かんそく 用 よう として検定 けんてい の対象 たいしょう となるものは、2個 こ のベローズを対称 たいしょう に設 もう けたり、バイメタル による温度 おんど 補償 ほしょう を行 おこ なう構造 こうぞう のものが多 おお い。気圧 きあつ と高度 こうど の対応 たいおう 目盛 めも りが付 つ いた小型 こがた のものが、登山 とざん 用 もちい 高度 こうど 計 けい と称 しょう して多 おお くのメーカーから発売 はつばい されている。
アネロイド型 がた 気圧 きあつ 計 けい の一種 いっしゅ として、指針 ししん の代 か わりに記録 きろく ペンを駆動 くどう し、ゼンマイ などの動力 どうりょく で回転 かいてん するドラムに巻 ま かれた記録 きろく 紙 し に気圧 きあつ の時 とき 系列 けいれつ を自動的 じどうてき に記録 きろく する自記 じき 気圧 きあつ 計 けい がある。
気象 きしょう 観測 かんそく 用 よう として、測定 そくてい 範囲 はんい は、920-1040hPa[14] が必要 ひつよう とされ、許容 きょよう される器 うつわ 差 さ [15] は、0.7hPa[16] である。
ブルドン管 かん 気圧 きあつ 計 けい
ブルドン管 かん (フランス語 ふらんすご 版 ばん ) (英 えい : Bourdon tube )気圧 きあつ 計 けい [17] はCの形 かたち になっている扁平 へんぺい 密閉 みっぺい 管 かん が大気 たいき 圧 あつ によって変形 へんけい するのを利用 りよう して指針 ししん を動 うご かすようにした圧力 あつりょく 計 けい である。1849年 ねん にフランスのウジェーヌ・ブルドン (フランス語 ふらんすご 版 ばん 、英語 えいご 版 ばん ) (仏 ふつ : Eugene Bourdon )[18] が発明 はつめい しフランスで特許 とっきょ を取 と った。気圧 きあつ のような微細 びさい な圧力 あつりょく 変化 へんか では扁平 へんぺい 密閉 みっぺい 管 かん の変形 へんけい 量 りょう が小 ちい さく直読 ちょくどく が困難 こんなん なのでテコと歯車 はぐるま の組 く み合 あ わせで変形 へんけい 量 りょう を拡大 かくだい して指針 ししん を駆動 くどう する。
気圧 きあつ 計 けい としての精度 せいど はやや低 ひく いが、構造 こうぞう が簡単 かんたん で丈夫 じょうぶ であり大 おお きな圧力 あつりょく 差 さ に対 たい しては直線 ちょくせん 性 せい も精度 せいど も高 たか いものが製造 せいぞう 出来 でき るので、現在 げんざい では産業 さんぎょう 用 よう の圧力 あつりょく 計 けい として最 もっと も多 おお く用 もち いられている。
21世紀 せいき 初頭 しょとう の近年 きんねん では、半導体 はんどうたい 等 ひとし を用 もち いたセンサ により気圧 きあつ を電気 でんき 信号 しんごう として出力 しゅつりょく し、デジタル 信号 しんごう として出力 しゅつりょく ・記録 きろく することが行 おこな われている。センサには、静 せい 電 でん 容量 ようりょう 式 しき のものと振動 しんどう 式 しき のものとがある。
集積 しゅうせき 回路 かいろ の技術 ぎじゅつ を応用 おうよう して製造 せいぞう されたチップ型 がた のものは、加工 かこう の精度 せいど が非常 ひじょう に高 たか いため、精度 せいど や安定 あんてい 性 せい の点 てん で優 すぐ れており、機器 きき への組込 くみこ みも容易 ようい なことから、広 ひろ く使 つか われるようになっている。
静 しずか 電 でん 容量 ようりょう 式 しき のセンサはシリコン 等 とう でできたチャンバーがコンデンサ を形成 けいせい しているもので、気圧 きあつ による電極 でんきょく 間 あいだ の距離 きょり の変化 へんか を静 しずか 電 でん 容量 ようりょう の変化 へんか として検出 けんしゅつ する。
振動 しんどう 式 しき のセンサは金属 きんぞく 、シリコン等 とう でできたチャンバーに水晶 すいしょう 等 ひとし の圧 あつ 電 でん 素子 そし から振動 しんどう を加 くわ え、気圧 きあつ の変化 へんか に伴 ともな って変化 へんか するチャンバー面 めん の張力 ちょうりょく を共振 きょうしん 周波数 しゅうはすう の変化 へんか として検出 けんしゅつ することで測定 そくてい を行 おこな う。円筒 えんとう 振動 しんどう 式 しき 気圧 きあつ 計 けい と呼 よ ばれる缶 かん 形 がた のセンサが使 つか われてきたが、チップ型 がた のものが普及 ふきゅう してきている。
気象庁 きしょうちょう では、アメダス 等 ひとし の自動 じどう 観測 かんそく 装置 そうち への組込 くみこ み用 よう として、1982年 ねん から円筒 えんとう 振動 しんどう 式 しき 気圧 きあつ 計 けい を、1995年 ねん から静 せい 電 でん 容量 ようりょう 式 しき のセンサを用 もち いた気圧 きあつ 計 けい を採用 さいよう している。
気象 きしょう 観測 かんそく 用 よう として、測定 そくてい 範囲 はんい は、870-1050hPa[19] が必要 ひつよう とされ、許容 きょよう される器 うつわ 差 さ は、0.7hPa[20] である。
日本 にっぽん では気象 きしょう 業務 ぎょうむ 法 ほう とその下位 かい 法令 ほうれい により、公共 こうきょう 的 てき な気象 きしょう 観測 かんそく には気象 きしょう 測 はか 器 うつわ 検定 けんてい に合格 ごうかく した液 えき 柱 ばしら 型 がた 水銀 すいぎん 気圧 きあつ 計 けい 、アネロイド型 がた 気圧 きあつ 計 けい 、又 また は電気 でんき 式 しき 気圧 きあつ 計 けい を用 もち いることとされている。
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