Атмосферное давление

Атмосферное давление

Атмосферное давление — это сила, с которой давит на единицу земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверх­ности земли до верхней границы атмосферы. Атмосферное давле­ние является одной из важнейших характеристик состояния ат­мосферы и одним из основных физических свойств воздуха, свя­занных с его плотностью и температурой.

Плотность есть отношение массы вещества к его объему. Так, 1 м³ воды при температуре 4°С имеет массу 1 т, а 1 м³ воздуха при 0°С и нормальном давлении имеет массу 1,293 кг. Следова­тельно, при указанных условиях плотность воды составляет 1000 кг/м³, а плотность воздуха 1,293 кг/м³. Таким образом, плот­ность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды.

Плотность атмосферы быстро уменьшается с высотой. Полови­на всей массы атмосферы сосредоточена в <нижнем ее слое до высоты около 5,5 «м. На высоте 300 км плотность ее уже в 4-Ю¹⁰ раз меньше, чем на уровне моря. С дальнейшим увеличением вы­соты разреженность газов продолжает увеличиваться, и без четко выраженной верхней границы атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство.

Атмосферное давление обычно измеряется высотой ртутного столба в трубке барометра. Давление атмосферы удерживает столб ртути в трубке на определенной высоте. На уровне моря высота ртутного столба в трубке в среднем около 760 мм. При этом масса ртутного столба сечением в 1 см² составляет пример­но 76-13,6=1,0336 кг. Это означает, что атмосферное давление на уровне моря обычно около 1,033 кг/см².

Атмосферное давление долгое время выражали в миллимет­рах (мм) ртутного столба, т. е. линейной мерой измеряли силу. Чтобы измерять давление в единицах силы, в 1930 г. была уста­новлена новая международная единица давления — бар (от древ­негреческого барос — тяжесть), равная давлению 1 млн. дин на площадь 1 см², что соответствует 750,1 мм рт. ст. В практике в качестве единицы давления использовалась тысячная часть ба­ра —миллибар. С 1980 г. в качестве международной единицы для измерения атмосферного давления принят паскаль (Па) —давле­ние, вызываемое силой в 1 ньютон на площадь 1 м²:

1 Па = 1 Н/м² = Ю-⁵ бар = 0,01 мбар.

Для практических целей используют гектопаскаль (гПа). По­скольку до сих пор шкала приборов для измерения атмосферного давления градуирована в миллиметрах или миллибарах (мбар), то надо знать их соотношение:

1 гПа = 1 мбар =0,75 мм рт. ст.

Ускорение свободного падения на земном шаре увеличивается от экватора к полюсам и уменьшается с высотой. Чтобы исклю­чить зависимость высоты ртутного столба, уравновешивающего атмосферное давление, от этих факторов, измеренное атмосферное давление приводят к ускорению свободного падения на широте 45° и на уровне моря. Давление, равное массе ртутного столба высотой 760 мм, имеющего температуру 0,0 °С и находящегося на широте 45° и на уровне моря, называют нормальным атмосферным давлением. Оно округленно составляет 1013 гПа.

Рекомендуемые материалы

Для измерения атмосферного давления применяют барометры. На наземных метеорологических станциях используют станцион­ные чашечные барометры, а для полевых, экспедиционных, судо­вых, самолетных и тому подобных измерений предназначены ба­рометры-анероиды. Для непрерывной записи атмосферного давле­ния предназначен барограф.

Изменение давления с высотой. Барическая ступень

Непосредственные наблюдения и теоретические соображения показывают, что плотность и давление воздуха уменьшаются с высотой. Если на уровне моря давление составляет в среднем¹ примерно 1013 гПа, то на высоте 5,5 км оно уже около 500 гПа, а на высоте 20 км — менее 50 гПа.

Изменение давления с высотой характеризуют барической сту­пенью. Барическая ступень есть то расстояние по вертикали, на котором давление меняется на 1 гПа. Барическая ступень может быть вычислена по формуле:

/г = 8291(1+0,0040 м/гПа,

где р — давление (в гПа) и I — температура (в °С) в той же точ­ке, для которой вычисляется барическая ступень.

Допустим, что давление составляет 1000 гПа, температура 5° С. Тогда

*    я

=        - (1 + 0,004 • 5) = 8,0 (1 + 0,02) « 8 м/гПа.

Следовательно, при заданных исходных условиях давление уменьшается на 1 гПа при подъеме примерно на 8 м.

Вместе с этой лекцией читают "8 Организация интерфейса МП".

Как видно из формулы, барическая ступень несколько изменя­ется при изменении температуры и давления воздуха (табл. 2) . Например, при давлении 1000 гПа и изменении температуры от — 40 до 40° С барическая ступень возрастает на 2,6 м/гПа. При 0° С ее значение равно 8 м/гПа.

Зная барическую ступень, атмосферное давление, температуру воздуха и высоту над уровнем моря в одном из двух пунктов, лежащих на разной высоте, можно по разности давлений в этих пунктах определить разность их высот, а отсюда найти и высоту второго пункта над уровнем моря. Этот способ определения вы­соты пункта называется барометрическим, нивелированием.. Баро­метрическое нивелирование бывает необходимо при экспедицион­ных исследованиях в горных местностях для приближенного оп­ределения высоты различных форм рельефа.

Изменчивость давления на поверхности Земли. Горизонтальный барический градиент

Атмосферное давление в разных точках земной поверхности в один и тот же момент неодинаково, так как оно зависит от сте­пени нагревания или охлаждения воздуха над этими точками, от характера имеющихся над ними воздушных течений и ряда дру­гих причин. Информацию об атмосферном давлении дают метео­рологические станции. Поскольку они расположены на разных высотах, а давление зависит от высоты места, то его значения, измеренные на разных станциях, нельзя непосредственно сравни­вать между собой. Их нужно сначала привести к какой-либо одинаковой высоте. За такую высоту принят уровень моря.

Чтобы получить наглядное представление о распределении давления по земному шару, на географическую карту наносят давление, измеренное в одно и то же время в разных пунктах и приведенное к уровню моря. Затем пункты, в которых давление одинаково, соединяют плавными линиями. Эти линии называют изобарами. Описанный способ картирования распределения дав­ления по территории позволяет устанавливать расположение об­ластей пониженного и повышенного давления на земном шаре! (рис. 2) и наблюдать за их передвижением, что имеет важное значение для прогноза погоды.

Изменение давления вдоль горизонтали, направленной перпен­дикулярно к изобарам в сторону от высокого давления к низкому, приходящееся на расстояние в 100 км, называют горизонтальным, барическим градиентом. Эта величина обычно составляет около 1—2 гПа/100 км. Горизонтальный барический градиент вызывает горизонтальное движение воздуха, т. е. ветер.