Определение высоты местности над уровнем моря с помощью атмосферного давления
В начальной школе автор выполнил исследования на темы: «Атмосферное давление – помощник человека» и «Давление морских глубин». В результате этих работ были изучены вопросы об атмосферном давлении, давление воды, проведены эксперименты и опыты по доказательству изучаемых понятий , закономерностей и утверждений. В ходе работы возник вопрос: можно ли зная атмосферное давление в данной географической точке вычислить и знать высоту этого места над уровнем моря? Этот вопрос был сформулирован как основополагающий. Используя географические карты нашего города не возможно узнать высоту некоторых точек Екатеринбурга над уровнем моря. А ведь в нашем городе есть названия: «Московская горка», «Вознесенская горка», «Метеогорка» и т. д. , в обозначениях которых подразумевается, что эти места гораздо выше других точек города. Поэтому можно сформулировать проблему: способы определения высоты места над уровнем моря.
С учетом актуальности и поставленной проблемы определена тема исследования: «Определение высоты местности над уровнем моря с помощью атмосферного давления ».
Объект исследования – определение высоты местности над уровнем моря.
Предмет исследования – способ измерения с помощью вычисления среднего значения атмосферного давления.
Цель исследования – определить высоту местности над уровнем моря с помощью атмосферного давления.
Гипотеза исследования: возможность определения высоты местности над уровнем моря с помощью измерения атмосферного давления.
Исходя из этого, задачами исследования являлись:
• Изучить теоретические основы этого вопроса;
• Выяснить закономерности зависимости давления атмосферы и высоты местности;
• Выполнить замеры атмосферного давления;
• Вычислить средний показатель измерений;
• Построить и составить таблицы замеров и графики;
• Выполнить вычисления высоты места;
• Сравнить полученные результаты вычислений и имеющиеся данные высоты;
• Оценить полученные результаты, сделать выводы.
Экспериментальная деятельность производилась на базе МОУ Лицей №3 г. Екатеринбурга и лаборатории наблюдений за загрязнением атмосферы ГУ Свердловский ЦГМС-Р (Государственное Учреждение Свердловский Центр по Гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями).
Научная новизна исследования заключается в том, что автор предлагает и апробирует способ определения высоты местности над уровнем моря с помощью атмосферного давления.
Глава 1. Теоретические основы определения высоты местности над уровнем моря с помощью атмосферного давления
1. 1. Что такое атмосфера Земли?
Когда мы читаем об освоении человеком Луны и планет, мы часто сталкиваемся с вопросами, касающимися атмосферы. Есть ли атмосфера и на других планетах? Насколько известно ученым, ни одна планета или звезда не имеет атмосферы, похожей на нашу. Что такое атмосфера? Мы можем представить ее в виде океана воздуха, окружающего Землю и имеющего высоту в несколько сотен миль.
Океан воздуха имеет один и тот же состав по всей Земле. В основном он состоит из определенных газов, которые всегда остаются в одной и той же пропорции. Около 78 процентов составляет азот, 21 процент — кислород, и оставшийся один процент составляют газы, которые называются редкими — аргон, неон, гелий, криптон и ксенон.
Воздух, окутывающий Землю, имеет одинаковый химический состав до высоты 18 миль, хотя эта цифра может доходить и до 44 миль. Когда вы достигаете верхнего слоя атмосферы, вы оказываетесь в верхней точке того, что называется тропосферой. Это ближайший к поверхности Земли слой.
На высоте от 18 до 31 мили от поверхности Земли находится слой горячего воздуха, температурой около 42 градусов по Цельсию. Причиной нагрева этого слоя является поглощение тепла солнечных лучей имеющимся здесь озоном. Озон — это особая форма кислорода, где молекула состоит из трех атомов кислорода вместо обычных двух. Горячий озоновый слой служит для того, чтобы защитить нас от наиболее активных солнечных лучей — ультрафиолетовых. Без него мы не выдержали бы солнечного света.
Еще выше находится слой, или несколько слоев, которые называются ионосферой, находящейся на высоте от 44 до 310 миль над землей. Ионосфера состоит из частиц, наэлектризованных Солнцем. Молекулы воздуха находятся в постоянном движении. Атмосфера может удерживаться лишь в том случае, когда молекулы все время сталкиваются друг с другом и не могут улететь. Но чем выше, тем воздух становится все более разреженным. Очень мала вероятность того, что молекула снизу отскочит обратно после столкновения с молекулой сверху. Поэтому молекулы выходят в открытое пространство, и атмосфера разрежается полностью. Существует зона, которая называется экзосфера, где оторвавшиеся молекулы движутся почти свободно, и эта зона начинается с высоты 400 миль и простирается до 1500 миль.
1. 2. Есть ли вес у воздуха?
Большинство из нас считают, что воздух — это «ничто», но воздух — это явное «что-то», если он состоит из определенных газов. Газ не имеет определенных размеров или формы, но он занимает пространство.
Огромный воздушный океан, окружающий Землю и простирающийся на многие мили вверх, притягивается и удерживается за счет земного тяготения. Следовательно, воздух имеет вес. А поскольку воздух находится повсюду вокруг нас, он увеличивает вес любого наполняемого им предмета. Например, в волейбольном мяче содержится небольшое количество воздуха. Если вы взвесите два таких мяча, один — накачанный, а другой— спущенный, то вы обнаружите, что спущенный мяч легче. Вес воздуха создает давление. Воздух давит на все ваше тело со всех сторон, подобно воде, если вы находитесь на дне моря. Огромная масса воздуха очень сильно давит на Землю, и давление при этом составляет примерно один килограмм на квадратный сантиметр.
Килограмм — это вес колонны воздуха с площадью основания 1 квадратный сантиметр и высотой, равной высоте атмосферы. Площадь вашей ладони — примерно 77 квадратных сантиметров. Представьте, что на вашу ладонь положен груз весом в 77 килограммов. Причиной того, что вы этого не замечаете, служит то, что воздух, находящийся под вашей рукой, давит с такой же силой, как и сверху. И на вашу голову воздух давит с силой в 270 килограммов, но вас не сплющивает, потому что и внутри вашего тела есть воздух, который уравновешивает давление наружного воздуха. Чем выше вы поднимаетесь (например, на вершину горы), тем меньше воздуха над вами, тем меньше давление. На высоте в 6000 метров давление составляет примерно 0,4 килограмма на квадратный сантиметр. На высоте 3000 метров— 0,7 килограмма на квадратный сантиметр. Если бы вам удалось подняться на высоту в 100 километров, то вы обнаружили бы, что там почти нет давления.
1. 3. Сколько весит атмосфера?
Земля окружена толстым слоем атмосферы. Земная атмосфера состоит почти из 20 газов. Два основных газа — кислород и азот. Она также содержит водяные пары и частички пыли.
Воздух — это материя, и, как любой другой вид материи, он имеет вес. Вес — это величина силы тяжести, действующей на предмет. Когда шкала весов, на которые положен камень, показывает 5 килограммов, это означает, что сила тяжести, воздействующая на камень, равна 50 Ньютонам.
Точно так же сила притяжения Земли действует на каждую частичку газа и пыли в атмосфере. Поскольку наша атмосфера — это гигантский океан воздуха, она имеет значительный вес. Если бы его можно было сжать и положить на весы, он бы весил около 5 171 000 000 000 000 тонн! Воздух давит на нас со всех сторон. Давление воздуха на наш организм составляет 1 тонну. Мы не ощущаем этого давления, потому что наш организм привык к нему.
Атмосферное давление самое большое на уровне моря, где оно достигает 1 кг на кв. см. Оно самое большое здесь, потому что это самые низкие слои атмосферы. С увеличением высоты местности давление уменьшается. Поэтому космические скафандры и кабины самолетов, летающих на большой высоте, делаются так, чтобы поддерживать давление, к которому привык организм и какое ему нужно. Земная атмосфера позволяет существовать жизни на Земле. Это воздух, которым мы дышим. Она защищает нас от излишней солнечной радиации, от избытка тепла и холода, а также имеет многие другие функции.
1. 4. Почему на вершине горы прохладней?
Наша атмосфера разделена на слои, все они отличаются друг от друга. Основные слои называются тропосферой, стратосферой и ионосферой. Все вместе они образовывают покров в несколько километров толщиной.
Тропосфера — это нижний слой атмосферы, то место, где мы живем. Верхняя граница тропосферы находится на высоте 11 000 м над уровнем моря. Над тропиками она выше (16 — 18 км), над полюсами ниже (8 — 10 км).
Инструменты, поднятые на воздушных шарах, доказывают, что температура в тропосфере постепенно падает. Чем выше в тропосфере вы поднимаетесь, тем ниже становится температура. Каждые 300 м температура падает на 2оС.
Поэтому, когда мы поднимаемся в горах, мы поднимаемся в тропосфере. Поэтому на высоте 1,5 км в горах может быть на 8оС прохладней, чем у подножия. А существуют вершины, которые достигают высоты более 8 км! Неудивительно, что там очень холодно. В верхних слоях тропосферы температура почти 60 градусов ниже нуля.
У самой поверхности Земли бывает всегда теплей. Причина в том, что Солнце нагревает Землю и Земля отдает это тепло в воздух. Солнце не нагревает атмосферу непосредственно.
В самом высоком слое, ионосфере, воздух разрежен, атомы и молекулы подвергаются солнечной радиации.
1. 5. Кто первым измерил атмосферное давление?
Любой газ, в том числе и воздух, окружающий Землю, имеет вес. С помощью барометра можно даже измерить давление, которое он оказывает на предметы. А, зная атмосферное давление, легче предсказывать погоду или, например, определять высоту полета самолета.
В 1643 году итальянский физик и математик Торричелли изобрел ртутный барометр. Тем самым он показал, что давление воздуха может быть измерено.
Атмосферное давление различно в горах и на уровне моря, оно также зависит от погоды.
Перед дождем оно падает, а перед улучшением погоды — поднимается. Когда самолет набирает высоту, давление уменьшается (на 1 сантиметр ртутного столба за каждые 100 метров), и, наоборот, при снижении самолета оно увеличивается. Так с помощью барометра можно определять высоту полета. Более точный прибор для определения высоты называется альтиметром. Принцип его работы — почти тот же, что и у барометра.
1. 6. Как зависит атмосферное давление от высоты над уровнем моря?
Газы сильно сжимаемы. А чем сильнее газ сжат, тем больше его плотность и тем большее давление он производит.
Слои воздуха у поверхности Земли сжаты всеми слоями воздуха, находящимися над ними. Но чем выше от поверхности слой воздуха, тем слабее он сжат, тем меньше его плотность, а, следовательно, тем меньшее давление он производит. Если, например, воздушный шар поднимается над поверхностью Земли, то давление воздуха на шар становится меньше не только потому, что высота столба воздуха над ним уменьшается, но еще и потому, что плотность воздуха вверху меньше, чем внизу. С помощью барометра можно установить, что давление атмосферы даже на разных этажах здания различное.
Наблюдения показывают, что атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне моря, в среднем равно 760 мм рт. ст. – это нормальное атмосферное давление. Чем выше лежит место над уровнем, моря, тем давление там меньше.
При небольших подъемах в среднем на каждые 12 метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст.
7. Выводы по первой главе.
Из выше сказанного можно сделать выводы:
➢ Давление – физическая величина, которую можно измерить барометром;
➢ Торричелли – итальянский учёный, который в 1643 году изобрёл ртутный барометр;
➢ Чем выше от поверхности слой воздуха, тем слабее он сжат, тем меньше его плотность, а, следовательно, тем меньшее давление он производит.
➢ 760 мм рт. ст. – это нормальное атмосферное давление.
➢ При подъемах на каждые 12 метров давление уменьшается на 1 мм рт. ст.
Глава 2. Практическая часть.
2. 1. Разработка способа измерения.
Город Екатеринбург расположен на Уральских горах. А мы – жители Екатеринбурга – можем с гордостью называться горными жителями! Наш город находится выше уровня моря. Поэтому атмосферное давление в Екатеринбурге должно быть меньше нормального. Вот это я и решил исследовать.
С помощью барометра выполнены замеры давления в течение ноября в четырёх разных точках города: пост № 1, пост № 8, пост № 14 и четвёртая точка – крыльцо лицея № 3. При измерениях использовался чашечный стационарный барометр. Измерения производились в ноябре 2008 года.
Место расположения точек наблюдений:
1. Пост № 1 – ул. Сулимова – ул. Советская;
2. Пост № 8 – ул. Посадская – ул. Московская;
3. Пост № 14 – ул. Бардина – ул. Решетникова;
4. Точка 4 – ул. Щорса, д. 114.
На основе измерений составлены таблицы и построены графики, определены средние значения атмосферного давления для каждой точки – поста.
2. 2. Проведение измерений и вычислений.
1. Пост № 1 – ул. Сулимова – ул. Советская; ноябрь, 2008 год (график 1).
Дата, день Срок, время, час Давление, мм рт. ст.
Источник
Атмосферное давление
Атмосферное давление это сила, с которой атмосфера (воздух) давит на земную поверхность. Несмотря на то что мы не видим воздух и он нам кажется невесомым, это не так. У воздуха есть вес, который передается в виде давления. На каждый квадратный сантиметр земной поверхности атмосфера давит столбом, который берёт начало от крайней точки атмосферы и до точки на земной поверхности. Сила давления такого столба на 1 см квадратный составляет 1,33 кг. Несложно подсчитать, что при каком давлении на каждого человека (статистически подсчитано, что средняя площадь равна 1,6 квадратных метра) давит воздушная масса примерно в 16 тонн. Казалось бы, такое давление должно раздавливать людей, но этого не происходит. Связано это с физиологией организма, который также обладает своим давлением, которое сопоставимо с тем, что воздействует на него из атмосферы.
В качестве нормального атмосферного давления используется давление, которое характерно для 45 широты и абсолютного уровня моря. При таких условиях нормальное атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба.
Измерительные приборы
В географии есть 2 прибор, с помощью которых можно определить давление атмосферы:
- Ртутный барометр. В основном используется на метеостанциях, поскольку прибор хрупкий, а ртуть крайне опасный металл.
- Барометр-анероид.
Ртутный барометр это труба из стекла размером в 1 метр. Один конец это трубы плотно запаян, а другой опущен в миску, которая содержит ртуть. При первом переворачивании прибора, жидкость заполняет трубу и указывает текущее давление. Казалось бы ртуть должна полностью заполнить трубу, но этого не происходит. Причина именно в воздушном давлении. В дальнейшем под воздействием этого показателя ртуть поднимается или опускается в колбе, позволяя метеорологам говорить о текущем давлении в атмосфере.
«Анероид» переводится как «без жидкости». В результате прибор становится более «динамичным» и его без опасений можно переносить на любые расстояния. В его основе лежит круглая коробочка, из которой выкачан весь воздух, и которая абсолютно герметична. Она меняет свой размер в зависимости от атмосферного давления: расширяется при его повышении и сужается при снижении.
Влияние высоты на показатель
Одним из ключевых факторов изменения атмосферного давления является высота над уровнем моря. Если рассматривать этот вопрос упрощенно, то чем выше подниматься в атмосфере, тем давление становится меньше. Почему так происходит? Мы уже говорили про давящий столб на 1см2.
Если рассматривать две точки, из которых первая будет находиться на уровне Мирового океана, а вторая, например, на высокой горе, то длина столба, воздействующих на эти точки будет отличаться. Длина столба, давящая на горы, меньше, чем длина столба, давящая на нулевую отметку мирового океана, поэтому и атмосферное давление здесь меньше.
Второй важной характеристикой воздуха, непосредственно связанный с высокими уровнями, является плотностью. Мы часто слышим истории, что когда исследователи поднимаются на большие высоты, им становится тяжело дышать. Это же характерно и для воздухоплавателей. Происходит так потому, что чем выше тем плотность воздуха меньше. Так, если на высоте 12 км 1 кубический метр воздуха весит примерно 310 г, то на высоте 40 км он весит уже 4 г. В целом же ученые подсчитали, что если рассматривать исключительно тропосферу, как ближайший слой атмосферы к земле, то поднятие на каждые 100 м от уровня моря снижают значение атмосферного давления примерно на 10 мм ртутного столба. Поэтому зная, что на нулевой отметке давление составляет 760 мм ртутного столба, на основании показаний барометра можно определить текущую высоту местности.
Зависимость от температуры воздуха
Температура воздуха это один из ключевых факторов в формировании атмосферного давления. При нагревании воздух увеличивается, становится более плотным и одновременно более легким. В результате происходит снижение атмосферного давления. Если говорить о холодном воздухе, то он становится наоборот более тяжёлым, увеличивая атмосферное давление. Поэтому когда мы говорим о температуре воздуха, нужно понимать, что изменение этого показателя одновременно влечет и изменение воздушного давления.
Для понимания как происходит это движение (прежде всего замещение воздуха) посредством температур, можно рассмотреть циркуляцию в помещения. Воздух, нагреваясь от батареи, поднимается вверх к потолку. Там он находится какое-то время, остывает и опускается вниз. Затем он вновь попадает в батарее, нагревается и вновь поднимается вверх. Так происходит по замкнутому циклу.
Распределение давление по поясам
Рассматривая климатические зоны, мы отмечали, что они распределяются на Земле по поясному принципу. Для атмосферного давления, которое, как мы уже выяснили, так же сильно коррелирует с температурой воздуха, на нашей планете также прослеживается четкая поясность. На экваторе, где солнце светит наиболее интенсивно, установлен пояс низкого давления. От экватора теплый воздух посредством ветров движется к умеренным широтам. В ходе этого движения воздух остывает и тяжелеет, опускаясь вниз. Поэтому в районе 30-х широт образуется зона с высоким давлением.
Следующая зона высокого атмосферного давления образуется в районе южного и северного полюса. Причина — температура воздуха здесь всегда достаточно низкая, а снег и лёд кроме этого ещё и активно отталкивают солнечные лучи. Рассматривая тему ветров, мы говорили, что от полюсов происходит движение воздушных масс по направлению к экватору. Поэтому холодный воздух, постепенно двигаясь по направлению к экватору, становится более тёплым, образуя в районе 60-х широт пояс низкого атмосферного давления.
Изобаты
Изобаты применяются в картографии, обозначая линии, которые соединяют метки, характеризующие равное атмосферное давление. Определение может показаться сложным, но на примерах ниже все станет понятно. Есть 2 вида таких точек: замкнутые и незамкнутые.
Примером замкнутой изобары может служить циклон. Внутри такой изобаты пониженное атмосферное давление, поскольку выпадает большое количество осадков, которые образуют испарение, а также которые мешают быстрому прогреву поверхности. В результате внутри образуется область низким давлением, а её окружает область с высоким давлением.
Примером незамкнутой изобары служит антициклон. В данном случае в центре находится область с высоким атмосферным давлением, а за ее пределами находится область с низким атмосферным давлением. Эти ситуации возникают, когда внутри изобаты длительное время отсутствуют осадки, и поверхность легко и быстро прогревается. Это и служит одним из источников высокого атмосферного давления. Такие изобаты чаще всего встречаются в южной части Тихого океана или в северной части Атлантического океана.
Источник