Тема 5. Атмосферное давление

Числовая величина силы давления, которое оказывает атмосфера на земную поверхность и все находящееся на ней предметы, равная массе вертикального столба воздуха с единичным поперечным сечением от поверхности Земли до ее верхней границы, называется атмосферным давлением. На уровне моря оно близко к одному килограмму на один квадратный сантиметр.

В метеорологии величину атмосферного давления выражают в следующих единицах:

миллиметры ртутного столба (мм рт.ст.), сравнивая давление атмосферы с эквивалентным ему давлением ртутного столба. Эта единица измерения связана с устройством основного прибора для измерения атмосферного давления – ртутного барометра, в котором столбик ртути в стеклянной трубке уравновешивается массой столба воздуха от земной поверхности до верхней границы атмосферы;

гектопаскали (гПа) или миллибары (мб). Один миллибар есть давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в один квадратный сантиметр. Напомним, что одна дина представляет собой силу, которая массе в один грамм сообщает ускорение 1см/сек².

Соотношение между этими единицами следующее: 1мм.рт.ст.=1,33мб (гПа); 1мб (гПа) = 0,75мм рт.ст.

Среднее атмосферное давление на уровне моря, вычисленное за длительный период наблюдений (≥30 лет), составляет 760 мм рт.ст. или 1013,2 мб (гПа) и называется «нормальным атмосферным давлением», соответствуя столбику ртути высотой 760 мм при температуре 0°С, находящемуся на широте 45°.

Чтобы приведенные значения атмосферного давления были более понятны, вычислим при нормальном давлении Р_Н массу столба воздуха М с поперечным сечением s, равным 1м², простирающегося от уровня моря до верхней границы атмосферы, принимая плотность ртути равной 13595,1 кг/м³.

Так как нормальное давление равно 760 мм рт. ст. или 0,76 метров, то М = Р_Н(м)·s(м²)·ρ_рт (кг/м³) = 0,76м·1м²·13595,1 кг/м³ = 10333кт.

Полученный ответ означает, что на 1 м² земной поверхности оказывает давление объем воздуха с массой 10,3 тонны.

По аналогии с этой задачей можно рассчитать, какая тяжесть давит на человеческое тело при нормальном атмосферном давлении. При средней площади человеческого тела 12000-15000 см² эта величина составляет 12,4-15,5 тонн. Однако эту тяжесть организм не чувствует, так как внешнее давление уравновешивается давлением воздуха внутри тела. Вообще, жизнь всех организмов на Земле приспособлена именно к этому давлению. Поэтому при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается не только в связи с нехваткой кислорода, но и из-за значительно разреженной среды при значительно меньшем давлении, чем у земной поверхности.

Опыты в барокамере показали, что чем сложнее организм, тем труднее он переносит понижение давления. Например, представитель хладнокровных – лягушка на высоте 20-30 км в течение нескольких часов сохраняет жизнь, а человек при быстром подъеме до высоты 7-8 км теряет сознание обычно через 8-10 минут. На высоте 15-16 км, даже если человек дышит только кислородом, в течение нескольких секунд наступает кислородное голодание вследствие низкого давления.

И еще об одном следствии действия низкого давления на человеческий организм – при низком давлении начинается кипение крови. Известно, что чем ниже давление, тем быстрее закипает вода. В горах, например, вода закипает не при 100°С, а при более низкой температуре. Так, при высоте 20 км вода закипает уже при температуре 37°С. Кровь человека также закипает на этой высоте. Именно поэтому в целях обеспечения жизненной безопасности при полетах высотной авиации или космических кораблей для человека создаются необходимые физиолого-гигиенические условия – он или помещается в кабину, где поддерживаются постоянные температура, давление, состав воздуха, нормальное освещение и т.д., или он находится в скафандре с автономным жизнеобеспечением, изолирующим человека от смертельной окружающей среды.

Даже находясь на земной поверхности, человек может испытывать физиологический дискомфорт в результате изменения погодных условий и, прежде всего, атмосферного давления. При резком повышении атмосферного давления человек, особенно больной, может ощущать головную боль, боль в области сердца и других органах, повышается артериальное давление, возникают сосудистые кризисы и внутренние кровотечения. Резкие колебания атмосферного давления вызывают обострение радикулита и заболеваний седалищного нерва, появляется шум в ушах. С пониженным атмосферным давлением связано высокое стояние диафрагмы, что приводит к затруднению дыхания и нарушению функции сердечно-сосудистой системы.

По мере увеличения высоты места над земной поверхностью атмосферное давление убывает, что объясняется, в первую очередь, уменьшением вышележащего столба воздуха. Но, кроме этого, с высотой уменьшается и плотность воздуха. Если у земной поверхности 1 м³ воздуха весит 1,3 кг, то на высоте 5,5 км его масса составляет около 600 г, а на высоте 40 км всего 4 г. Интересно отметить, что, если бы плотность воздуха на всех высотах оставалась неизменной, высота верхней границы атмосферы располагалась бы на отметке всего 8 км.

Уменьшение атмосферного давления с высотой можно характеризовать вертикальным барическим градиентом и барической ступенью.

Вертикальный барический градиент показывает изменение давления на единицу высоты и выражается в мб/100 м. Наибольшее его значение наблюдается в нижнем слое тропосферы, особенно при низких температурах воздуха, когда его плотность наибольшая. С высотой градиент давления быстро уменьшается.

Барическая ступень – высота h_ст, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб. Измеряется в м/мб.

Величину барической ступени можно рассчитать по следующей формуле:

h_СТ = (8000׃р) · (1+ αt) м/мб, (5.1)

где

р – среднее давление в рассматриваемом слое атмосферы, мб;

α - коэффициент, показывающий увеличение барической ступени на каждый градус нагревания воздуха и равный 0,4% (или 0,004);

t – температура воздуха, °С.

В приземном слое при давлении 1000 мб и температуре воздуха 0°С барическая ступень равна 8 м, то есть при подъеме на каждые 8 м давление понижается на 1 мб.

Величиной барической ступени удобно пользоваться для приближенных расчетов изменения давления с высотой. Одно из применений формулы (5.1) является приведение давления, измеренного на уровне расположения метеостанции, к уровню моря.

Для определения небольших разностей высот между какими-либо двумя уровнями (к примеру высоту холма, какого-либо сооружения и т.д.), т.е. для выполнения барометрического нивелирования служит выходящая из формулы (5.1) формула Бабине:

, (5.2)

где – превышение одного уровня над другим в м;

– давление на нижнем и верхние уровнях соответственно.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (5.1)

Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Его можно наглядно представить в виде поверхностей, во всех точках которых давление одинаково. Такие поверхности называются изобарическими. Так как температура и давление практически никогда не бывают одинаковыми в горизонтальном направлении, изобарические поверхности располагаются не параллельно земной поверхности и друг другу, а наклонены под разными углами и по своей форме весьма разнообразны. В одних местах изобарические поверхности прогибаются вниз, образуя обширные, но неглубокие «котловины», в других они выгибаются вверх, образуя растянутые «холмы».

Если мысленно пересечь изобарические поверхности поверхностью уровня моря или другой горизонтальной плоскостью, то получим на них кривые линии, называемые изобарами и представляющие собой линии, соединяющие точки с одинаковым давлением на данной плоскости.

Так как в одной точке не может быть одновременно двух значений давления, то изобары не могут пересекаться. В пределах одной ограниченной карты изобары могут быть незамкнутыми, но поскольку давление меняется в пространстве непрерывно, то в масштабе земного шара каждая изобара непременно замкнута. Но очень часто некоторые изобары могут быть замкнуты даже в пределах одной карты. Тогда они ограничивают области относительно низкого или высокого давления, называемые барическими системами.

На рис. 9 изображены возможные барические системы, образованные изобарами различной конфигурации.

Для установления закономерностей в распределении давления составляют карты июльских и январских изобар (см. Картографический комплекс ч.1). На картах изобар можно заметить, что в Рис. 9. Барические системы области экватора в январе и июле наблюдается пониженное давление (меньше 1013 мб), а в тропических областях (30-40°), особенно над океанами, – повышенное давление; в умеренных широтах (50-70°) давление понижается, а в полярных – повышается. Это основные закономерности в распределении давления на поверхности (рис. 10).

Карта позволяет обнаружить и другую закономерность: над материками в январе (в северном полушарии) наблюдается повышенное давление, а в июле – пониженное. Такое изменение давления объясняется тем, что зимой материк сильно охлаждается, охлаждается и воздух, который при этом уплотняется.

Уплотнение вызывает приток воздуха извне – из верхних слоев атмосферы над океаном. Это приводит к увеличению массы воздуха над материком – давление повышается. В июле (летом) картина обратная. Материк сильно прогревается, прогревается и воздух надним.

Рис. 10. Схема распределения

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: