Воздух, окружающий Землю, имеет массу, и несмотря на то, что масса атмосферы примерно в миллион раз меньше массы Земли (общая масса атмосферы равна 5,2*10 21 г, а 1 м 3 воздуха у земной поверхности весит 1,033 кг), эта масса воздуха оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Сила, с которой воздух давит на земную поверхность, называется атмосферным давлением.
На каждого из нас давит столб воздуха в 15 т. Такое давление способно раздавить все живое. Почему же мы его не ощущаем? Объясняется это тем, что давление внутри нашего организма равно атмосферному.
Таким образом, внутреннее и внешнее давление уравновешиваются.
Барометр
Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Для его определения пользуются специальным прибором — барометром (от греч. baros — тяжесть, вес и metreo — измеряю). Существуют ртутные и безжидкостные барометры.
Безжидкостные барометры получили название барометры-анероиды (от греч. а — отрицательная частица, nerys — вода, т. е. действующий без помощи жидкости) (рис. 1).
Рис. 1. Барометр-анероид: 1 — металлическая коробочка; 2 — пружина; 3 — передаточный механизм; 4 — стрелка-указатель; 5 — шкала
Нормальное атмосферное давление
За нормальное атмосферное давление условно принято давление воздуха на уровне моря на широте 45° и при температуре 0 °С. В этом случае атмосфера давит на каждый 1 см 2 земной поверхности с силой 1,033 кг, а масса этого воздуха уравновешивается ртутным столбиком высотой 760 мм.
Опыт Торричелли
Величина 760 мм была впервые получена в 1644 г. Эванджелистом Торричелли (1608-1647) и Винченцо Вивиани (1622-1703) — учениками гениального итальянского ученого Галилео Галилея.
Э. Торричелли запаял с одного конца длинную стеклянную трубку с делениями, наполнил ртутью и опустил в чашку с ртутью (так был изобретен первый ртутный барометр, который получил название трубки Торричелли). Уровень ртути в трубке понизился, так как часть ртути вылилась в чашку и установилась на уровне 760 миллиметров. Над столбиком ртути образовалась пустота, которая получила название Торричеллиевой пустоты (рис. 2).
Э. Торричелли полагал, что давление атмосферы на поверхность ртути в чашке уравновешивается весом столба ртути в трубке. Высота этого столба над уровнем моря — 760 мм рт. ст.
Рис. 2. Опыт Торричелли
1 Па = 10 -5 бар; 1 бар = 0,98 атм.
Повышенное и пониженное атмосферное давление
Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Если давление воздуха больше 760 мм рт. ст., то оно считается повышенным, меньше - пониженным.
Так как с подъемом вверх воздух становится все более разреженным, атмосферное давление понижается (в тропосфере в среднем 1 мм на каждые 10,5 м подъема). Поэтому для территорий, расположенных на разной высоте над уровнем моря, средним будет свое значение атмосферного давления. Например, Москва лежит на высоте 120 м над уровнем моря, поэтому среднее атмосферное давление для нее — 748 мм рт. ст.
Атмосферное давление в течение суток дважды повышается (утром и вечером) и дважды понижается (после полудня и после полуночи). Эти изменения связаны с изменением и перемещением воздуха. В течение года на материках максимальное давление наблюдается зимой, когда воздух переохлажден и уплотнен, а минимальное — летом.
Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер. Это обусловлено неравномерным нагреванием земной поверхности, а следовательно, и изменением давления.
На земном шаре выделяются три пояса с преобладанием низкого атмосферного давления (минимумы) и четыре пояса с преобладанием высокого (максимумы).
В экваториальных широтах поверхность Земли сильно прогревается. Нагретый воздух расширяется, становится легче и поэтому поднимается вверх. В результате у земной поверхности близ экватора устанавливается низкое атмосферное давление.
У полюсов под воздействием низкой температуры воздух становится более тяжелым и опускается. Поэтому у полюсов атмосферное давление, повышенное по сравнению с широтами на 60-65°.
В высоких слоях атмосферы, наоборот, над жаркими областями давление высокое (хотя и ниже, чем у поверхности Земли), а над холодными — низкое.
Общая схема распределения атмосферного давления такова (рис. 3): вдоль экватора расположен пояс низкого давления; на 30-40° широты обоих полушарий — пояса высокого давления; 60-70° широты — зоны низкого давления; в приполярных районах — области высокого давления.
В результате того, что в умеренных широтах Северного полушария зимой атмосферное давление над материками сильно повышается, пояс низкого давления прерывается. Он сохраняется только над океанами в виде замкнутых областей пониженного давления — Исландского и Алеутского минимумов. Над материками, наоборот, образуются зимние максимумы: Азиатский и Северо-Американский.
Рис. 3. Общая схема распределения атмосферного давления
Летом в умеренных широтах Северного полушария пояс пониженного атмосферного давления восстанавливается. Огромная область пониженного атмосферного давления с центром в тропических широтах — Азиатский минимум — формируется над Азией.
В тропических широтах материки всегда нагреты сильнее, чем океаны, и давление над ними ниже. Таким образом, над океанами в течение всего года существуют максимумы: Северо-Атлантический (Азорский), Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский.
Линии, которые на климатической карте соединяют пункты с одинаковым атмосферным давлением, называются изобарами (от греч. isos — равный и baros — тяжесть, вес).
Чем ближе изобары друг к другу, тем быстрее изменяется атмосферное давлении на расстоянии. Величина изменения атмосферного давления на единицу расстояния (100 км) называется барическим градиентом .
На образование поясов атмосферного давления у земной поверхности влияют неравномерное распределение солнечного тепла и вращение Земли. В зависимости от времени года оба полушария Земли нагреваются Солнцем по-разному. Это обусловливает некоторое перемещение поясов атмосферного давления: летом — к северу, зимой — к югу.
Атмосферным давлением называют силу, с которой окружающий нас воздух давит на земную поверхность. Первым, кто смог его измерить, был ученик Галилео Галилея Эванжелиста Торричелли. В 1643 году вместе со своим коллегой Винченцо Вивиани он провёл простой опыт.
Опыт Торричелли
Как он смог определить атмосферное давление? Взяв метровую трубку, запаянную с одного конца, Торричелли налил в неё ртуть, закрыл пальцем отверстие и, перевернув, опустил в чашу, также наполненную ртутью. При этом часть ртути вылилась из трубки. Ртутный столбик остановился на отметке 760 мм. от уровня поверхности ртути в чаше.
Интересно, что результат опыта не зависел от диаметра, наклона и даже формы трубки - ртуть всегда останавливалась на одном уровне. Впрочем, если погода вдруг менялась (и атмосферное давление падало или повышалось), столбик ртути опускался или поднимался на несколько миллиметров.
С тех пор атмосферное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба, а давление 760 мм. рт. ст. считают равным 1 атмосфере и называют нормальным давлением. Так был создан первый барометр - прибор для измерения атмосферного давления.
Другие способы измерения атмосферного давления
Ртуть - не единственная жидкость, которую можно использовать для измерения атмосферного давления. Многие учёные в разное время сооружали водяные барометры, но поскольку вода намного легче ртути, их трубки поднимались на высоту до 10 м. К тому же, вода уже при 0°С превращалась в лёд, что создавало определённые неудобства.
Современные ртутные барометры используют принцип Торричелли, но устроены несколько сложнее. Например, сифонный барометр представляет собой длинную стеклянную трубку, изогнутую в сифон и наполненную ртутью. Длинный конец трубки запаян, короткий открыт. На открытой поверхности ртути плавает небольшой грузик, уравновешенный противовесом. При изменении атмосферного давления ртуть движется, увлекая за собой поплавок, а тот, в свою очередь, приводит в движение противовес, связанный со стрелкой.
Ртутные барометры используются в стационарных лабораториях и на метеорологических станциях. Они очень точны, но довольно громоздки, поэтому в домашних или полевых условиях атмосферное давление измеряют с помощью безжидкостного барометра или барометра-анероида.
Как работает барометр-анероид
В безжидкостном барометре колебания атмосферного давления воспринимаются небольшой круглой металлической коробочкой с разреженным воздухом внутри. Анероидная коробка имеет тонкую гофрированную стенку-мембрану, которую оттягивает небольшая пружина. Мембрана выгибается наружу, когда атмосферное давление падает, и вдавливается внутрь, если оно растёт. Эти движения вызывают отклонения стрелки, движущейся по специальной шкале. Шкала барометра-анероида выровнена по ртутному барометру, но всё равно он считается менее точным прибором, так как с течением времени пружина и мембрана утрачивают свою упругость.
История
Изменчивость и влияние на погоду
На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 - 816 мм рт. ст. (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба) .
Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается т. н. барометрической формулой .
На картах давление показывается с помощью изобар - изолиний , соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря.
Атмосферное давление - очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.
Стандартное давление
В химии стандартным атмосферным давлением с 1982 года по рекомендации IUPAC считается давление ровно 100 кПа . атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха с единичным сечением.
В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1013,25 мб. Основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль [Па]; 1 Па= 1 Н/м 2 . В системе СИ давление 1013,25 мб эквивалентно 101325 Па или 101.3 кПа или 0,1 МПа
Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой: -∆p=gρ∆z, где: p - давление, g - ускорение свободного падения, ρ - плотность воздуха, ∆z - толщина слоя. Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты (∆z>0) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Основное уравнение статики применимо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха ∆z.
Барическая ступень
Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль) , называется барической (барометрической) ступенью. Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например для оценки давления по известной разности высот. Из основного закона статики барическая ступень (h) равна: h=-∆z/∆p=1/gρ [м/гПа]. При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 /гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа нужно подняться на 8 метров.
С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, - вертикальный барический градиент , то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.
Приведение к уровню моря
Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке - уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z 2 -z 1 =18400(1+λt)lg(p 1 /p 2). То есть, зная давление и температуру на уровне z 2 можно найти давление (p 1) на уровне моря (z 1 =0).
Loading...