Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли, страница 6

Итак, скалярная величина, называемая «давлением», во»носятся к той или иной точке среды. Давление газа или жидкости в некоторой точке А — это степень сжатия воздушной или жидкой среды в указанной точке. В общем случае точка А может быть выбрана не только где- то внутри среды, но также на границе ее с другими телами (внесенными в среду или играющими роль стенок). Говоря о первопричинах, обусловливающих сжатие среды, отметим силу притяжения среды Землей и различные возможные внешние силовые воздействия на среду (например, действие поршня на среду в трубе).

Атмосферное давление Земля притягивает к себе содержащийся в атмосфере воздух, поэтому на земную поверхность и все, что на ней находится, действует сила давления атмосферы. Она создает атмосферное давление р, в воздушной среде (как в точках внутри среды, так и в точках на границе среды с различными телами и земной поверхностью).

Модуль силы давления атмосферы на участок поверхности плошадью 5 равен Р = р,Х Атмосферное давление изменяется с высотой и, кроме того, зависит от погодных условий, вследствие чего оно может изменяться также в горизонтальных направлениях. 12. Конвенция и ветер 31 Рис. 1.8 Вблизи земной поверхности р, приблизительно равно 1О' Па. Давление р, = ! атм = 760 мм рт. ст.

= 101 325 Па называют нормальным атмосферным давлением. Легко подсчитать, что иа крышу дома, имеющую плошадь, иапример, Я= 100 мз, атмосфера давит с силой р,Ю = 10' Н. Эта сила соответствует весу тела массой 1000 т. Однако крыша дома не проваливается. Плошадь спины лежащего на пляже человека заведомо больше 0,2 мз; следовательно, атмосфера давит на спину человека с силой больше, чем 20000 Н, что соответствует «камешку» массой 2 т.

Однако человек вообще ие ощущает никакого давления сверху. Почему же мы ие чувствуем атмосферного давления? Отвечая на этот вопрос, выполним простой опыт. Возьмем банку, имеющую боковую трубку, которая соединяет банку с насосом; затянем горловину банки резиновой пленкой (рис. 1.8). Снаружи иа банку действует сила давления атмосферы, измеряемая сотнями ньютонов, ио пленка нисколько ие проги- ~ к у бается по той причине, что внутри банки воздух сжат до такой же степени, что и снаружи.

Силы давления воздуха иа пленку снаружи и изнутри банки взаимно уравновешиваются; поэтому пленка не изгибается. Скептик может в этом случае вообще усомниться в существовании атмосферного давления. Однако легко убедиться, что оио сушествует. Если откачать насосом часть воздуха их банки, уменьшив тем самым степень сжатия воздуха внутри нее, то пленка прогнется, демонстрируя существование атмосферного давления. Наружное атмосферное давление обнаруживается тогда, когда оно не компенсируется давлением изнутри. Мы ие ощущаем атмосферного давления, поскольку наши ткани, сосуды, полости подвергаются как наружному давлению, так и давлению изнутри.

Каждая клетка организма содержит газы и жидкости, сжатые до давления, равного атмосферному. Уравиовешивание внешних и внутренних сил давления происходит ие только в воздухе, но и в воде. Когда поднимают на поверхность моря глубоководную рыбу, то обнаруживают, что ее виугреииости разорваны изнутри. Следует отметить некорректность употребляемой иногда фразы «на нас давит столб атмосферного воздуха», Такая фраза произно- 32 Глава /. Циркуляция вовдушяия масс в атмосфере сится по ассоциации с силой давления, действующей со стороны твердого тела.

Эта сила действует на тела, расположенные ниже, и не действует на тела сбоку или, тем более, сверху данного тела. Иное дело давление жидкости или газа. По закону Паскалю давление передается не только в точки на дне сосуда, но также в точки на стенках и крышке. Силы как гидростатического, так и атмосферного давления действуют перпендикулярно к произвольно ориентированной поверхности тела, контактирующей со средой, и, значит, могут иметь любое направление. Вряд ли можно говорить о «столбе воздуха», который давит на стенки комнаты или потолок. Рис.

1.10 Рис. 1.9 Продемонстрируем на простом опыте тот факт, что сила атмосферного давления может действовать на тело снизу. Возьмем стеклянную трубку и один ее конец плотно закроем пробкой. Погрузим трубку в воду. Когда она заполнится водой, приложим к ее открытому концу кусок стекла и вынем трубку из воды концом с пробкой вверх. Убрав руку, прижимающую кусок стекла к трубке, убедимся, что стекло не падает и вода из трубки не выливается (рис. 1.9), Дело в том, что снизу на стекло давит сила атмосферного давления, которая больше суммы сил тяжести стекла и находящейся в трубке воды.

Но если вынуть из трубки пробку, стекло упадет и вода из трубки выльется, поскольку в отсутствие пробки возникает атмосферное давление на поверхности воды в верхнем конце трубки, которое передается по закону Паскаля на кусок стекла. Теперь на стекло действуют сверху вниз силы атмосферного и гидростатического давления плюс сила тяжести самого стекла, тогда как снизу вверх дей- Ьд Конвенция и ветер 33 ствует только сила атмосферного давления. Понятно, почему теперь стекло падает вниз. На метеорологических станциях для измерения давления применяют ртутные барометры, так как они обладают наибольшей точностью. Принцип действия ртутного барометра поясняет рис.

1.1О. Запаянную с одного конца трубку длиной около метра наполняют ртутью и опускают открытым концом в кювету с ртутью, ориентировав трубку вертикально. При этом некоторая часть ртути перейдет обратно в кювету. Высоту оставшегося в трубке ртутного столбика обозначим й. Давление во всех точках горизонтальной плоскости У одинаково; значит, р(А) = р(В), где р(А) и р(В) — давление ртути в точках А и В соответственно. Давление р(А) — гидростатическое давление, оно равно р бй, где р — плотность ртути; х — ускорение свободного падения. Давление р(В) равно атмосферному давлению р,.

Так как р(А) = р(В), то, следовательно, (1. 12) Измерив высоту и столбика ртути в трубке, найдем атмосферное давление в том месте атмосферы, где находится барометр. Вот почему в качестве одной из единиц давления взят миллиметр ртутного столба. Для измерения атмосферного давления применяют также мембранные манометры. Простейший мембранный манометр показан схематически на рис. 1.11. Тонкая упругая пластинка (мембрана )) герметически закрывает коробку 2, из которой откачана часть воздуха.

С мембраной соединен указатель 3, поворачивающийся около О на угол, зависящий от степени прогиба мембраны, которая в свою очередь зависит от разности измеряе- Рис. 1.11 мой силы давления воздуха вне коробки и внутри коробки. Такие манометры называют барометрами-анероидами. Их градуируют и выверяют по ртутному барометру. Они менее точны, зато более удобны в обращении, поскольку не содержат ртути.

Анероид может быть градуирован непосредственно на высоту атмосферы. 34 Глава /. Циркуляция воздушимл масс в атмосфере Такие анероиды называют алыпиметрами; они используются в авиалайнерах и позволяют пилоту контролировать высоту полета. Атмосферный воздух представпяет смесь в основном трех газов— азота, кислорода и водяного пара (остальными компонентами этой газовой смеси можно во многих случаях пренебречь). Обозначим через ЄЄР, парциальпые давлепия соответственно азота, кислорода, водяного пара, т. е. давления, которыми характеризовались бы соответствующие газовые компоненты воздуха в предположении, что каждый из компонентов оказался в атмосфере в одиночестве.

Согласно закону Дальспопа, атмосферное давление р, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих атмосферный воздух: (1.13) Р Р~ + Рз + Рг Заметим, что парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе, называют также упругосгпью пара. Наряду с абсолютной влажностью (плотностью пара) и относительной влажностью воздуха, упругость пара является основной характеристикой степени насыщенности атмосферного воздуха влагой.

Упругость пара измеряется в единицах давления. Как уже отмечалось, почти вся масса атмосферы Земли сосредоточена в слое высотой примерно до 50 км. По достижении высоты 50 км ускорение свободного падения уменьшается всего лишь на 1,5% по сравнению с ускорением на уровне моря; поэтому можно принять, что в пределах всего 50-километрового слоя атмосферы ускорение свободного падения остается равным я = 9,8 м/сз. Учитывая это, нетрудно оценить, чему равна масса всей земной атмосферы. Атмосферное давление у поверхности Земли примем равным Р, = 1О' Па.

Модуль силы давления атмосферы, действующей на всю поверхность земного шара, равен 4пЛзр,, где Я = 6,37 ° 1Оь м— радиус Земли. Очевидно, что величина 4пЯ'р, должна быть равна действующей на земную атмосферу силе тяжести Мя, где М вЂ” искомая масса атмосферы. Учитывая, что 4пЯ'р = Мл находим: М = 5,2 . 1О" кг.

Известно, что масса Земли составляет 6 1О'4 кг. Как мы убедились, масса атмосферы Земли примерно в миллион раз меньше. Тем не менее атмосфера играет исключительно важную роль во всех процессах, происходящих на земном шаре. 1.2 Коивекиия и ветер Ветер и его характеристики Восходящие и нисходящие движения воздуха, связанные с конвекцией, — не единственный вид движения воздушных масс в атмосфере. Интенсивность конвективных воздушных потоков изменяется при переходе наблюдателя от одного участка земной поверхности к другому, если эти участки и прилегающий к ним воздух оказываются нагретыми в разной степени. Вследствие этого возникает перепад атмосферного давления в горизонтальной плоскости, что приводит к появлению ветра. Ветер — зто движение воздуха относительно земной поверхности, вызванное неравномерным распределением атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому.

В некоторых учебниках географии ветром называют движение воздуха в горизонтальном направлении. Это не вполне точно. Главное в понятии ветра — это движение воздуха от места с более высоким давлением к месту с более низким давлением. В принципе эти два места не обязательно должны находиться вблизи поверхности Земли или на одной и той же высоте. Однако вблизи поверхности ветры обычно дуют в горизонтальном или близком к горизонтальному направлении.