С повышение над уровнем моря атмосферное давление

Как с высотой изменяется атмосферное давление. Формула, график

Не все знают, что на разной высоте давление атмосферы отличается. Существует даже специальный прибор для измерения и давления, и высоты. Называется он барометр-альтиметр. В статье мы подробно изучим, как с высотой изменяется атмосферное давление и при чем тут плотность воздуха. Рассмотрим эту зависимость на примере графика.

Давление атмосферы на разных высотах

Атмосферное давление зависит от высоты. При ее увеличении на 12 м давление уменьшается на 1 мм ртутного столба. Этот факт можно записать с помощью такого математического выражения: ∆h/∆P=12 м/мм рт. ст. ∆h — это изменение высоты, ∆P — изменение атмосферного давления при изменении высоты на ∆h. Что из этого следует?

Из формулы видно, как с высотой изменяется атмосферное давление. Значит, если мы поднимемся на 12 м, то АД уменьшится на 12 мм ртутного столба, если на 24 м — то на 2 мм ртутного столба. Таким образом, измеряя атмосферное давление, можно судить о высоте.

Миллиметры ртутного столба и гектопаскали

В некоторых задачах давление выражается не в миллиметрах ртутного столба, а в паскалях или гектопаскалях. Запишем вышеприведенное соотношение для случая, когда давление выражено в гектопаскалях. 1 мм рт. ст. =133,3 Па =1,333 гПа.

Теперь выразим соотношение высоты и атмосферного давления не через миллиметры ртутного столба, а через гектопаскали. ∆h/∆P=12 м/1,333 гПа. После вычисления получим: ∆h/∆P=9 м/гПа. Выходит, что когда мы поднимаемся на 9 метров, то давление уменьшается на один гектопаскаль. Нормальное давление — это 1013 гПа. Округлим 1013 до 1000 и примем, что на поверхности Земли именно такое АД.

Если мы поднимаемся на 90 м, как с высотой изменяется атмосферное давление? Оно уменьшается на 10 гПа, на 90 м — на 100 гПа, на 900 м — на 1000 гПа. Если на земле давление в 1000 гПа, а мы поднялись на 900 м вверх, то атмосферное давление стало нулевым. Так что, получается что атмосфера заканчивается на девятикилометровой высоте? Нет. На такой высоте есть воздух, там летают самолеты. Так в чем же дело?

Связь плотности воздуха и высоты. Особенности

Как с высотой изменяется атмосферное давление вблизи поверхности Земли? На этот вопрос уже ответила картинка выше. Чем больше высота, тем меньше плотность воздуха. Покуда мы находимся недалеко от поверхности земли, изменение плотности воздуха незаметно. Поэтому на каждую единицу высоты давление уменьшается примерно на одно и тоже значение. Два записанные нами ранее выражения нужно воспринимать как правильные, только если мы находимся недалеко от поверхности Земли, не выше 1-1,5 км.

График, показывающий как атмосферное давление изменяется с высотой

Теперь перейдем к наглядности. Построим график зависимости давления атмосферы от высоты. При нулевой высоте P₀=760мм рт. ст. Из-за того, что с ростом высоты давление уменьшается, атмосферный воздух будет менее сжат, его плотность станет меньше. Поэтому на графике зависимость давления от высоты не будет описываться прямой линией. Что это значит?

Как с высотой изменяется атмосферное давление? Над поверхностью земли? На высоте 5,5 км оно уменьшается в 2 раза (Р₀/2). Оказывается, что если мы поднимемся еще на такую же высоту, то есть на 11 км, давление уменьшится еще вдвое и будет равно Р₀/4 и т. д.

Соединим точки, и мы увидим, что график — это не прямая, а кривая. Почему, когда мы записывали соотношение зависимости, складывалось впечатление, что на высоте 9 км атмосфера заканчивается? Мы считали, что график является прямой на любых высотах. Это было бы так, если бы атмосфера была жидкой, то есть если бы ее плотность была постоянной.

Важно понимать, что этот график является лишь фрагментом зависимости на малых высотах. Ни на какой точке этой линии давление не снижается до нуля. Даже в глубоком космосе существуют молекулы газов, которые, правда, не имеют отношение к земной атмосфере. Ни в одной точке Вселенной не существует абсолютного вакуума, пустоты.

Источник

Атмосферное давление

Атмосферное давление — давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Нормальным атмосферным давлением называют давление на уровне моря при температуре 15 °C. Оно равно 760 мм рт.ст. (Международная стандартная атмосфера — МСА, 101 325 Па ).

Содержание

История

Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами — вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжелым веществом — ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет вес [1] . Совместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя трубку Торричелли (первый ртутный барометр) — стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм [2] .

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. [3] (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба) [4] .

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.

1 гПа = 0,75 мм рт. ст. Или 1 мм рт. ст. = 1,333 гПа (133,322 Па).

Стандартное давление

В химии стандартным атмосферным давлением с 1982 года по рекомендации IUPAC считается давление ровно 100 кПа [5] . 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 м/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: z₂-z₁=18400(1+λt)lg(p₁/p₂). То есть, зная давление и температуру на уровне z₂ можно найти давление (p₁) на уровне моря (z₁=0).

Вычисление давления на высоте h по давлению на уровне моря P_o и температуре воздуха T:

P = Poe -Mgh/RT

где P_o — давление Па на уровне моря [Па]; M — молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль]; g — ускорение свободного падения 9,81 [м/с²]; R- универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К]; T — абсолютная температура воздуха [К], T = t + 273, где t — температура в °C; h — высота [м].

На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт.ст. На больших высотах эта закономерность нарушается [1] .

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