Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. «Нормальным» атмосферным давлением условно считается давление, равное 760 мм.рт.ст., т. е. одной (физической) атмосфере (§154).
Давление воздуха на уровне моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Поднимаясь вверх от уровня моря, мы заметим, что давление воздуха уменьшается; соответственно убывает его плотность: воздух становится все более и более разреженным. Если открыть на вершине горы сосуд, который был плотно закупорен в долине, то часть воздуха из него выйдет. Наоборот, в сосуд, закупоренный на вершине, войдет некоторое количество воздуха, если его открыть у подножья горы. На высоте около 6 км давление и плотность воздуха уменьшаются примерно вдвое.
Каждой высоте соответствует определенное давление воздуха; поэтому, измеряя (например, при помощи анероида) давление в данной точке на вершине горы или в корзине аэростата и зная, как изменяется атмосферное давление с высотой, можно определить высоту горы или высоту подъема воздушного шара. Чувствительность обычного анероида настолько велика, что стрелка указателя заметно передвигается, если поднять анероид на 2-3 м. Поднимаясь или опускаясь по лестнице с анероидом в руках, легко заметить постепенное изменение давления. Такой опыт удобно производить на эскалаторе станции метро. Часто градуируют анероид непосредственно на высоту. Тогда положение стрелки указывает высоту, на которой находится прибор. Такие анероиды называют альтиметрами (рис. 295). Ими снабжают самолеты; они позволяют летчику определять высоту своего полета.
Рис. 295. Самолетный альтиметр. Длинная стрелка отсчитывает сотни метров, короткая - километры. Головка позволяет подводить нуль циферблата под стрелку на поверхности Земли перед началом полета
Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровне моря сжат весом всей атмосферы Земли, а более высокие слои атмосферы сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере или в любом другом газе, находящемся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление в жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу вверх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице.
Рис. 296. Построение графика убывания давления с высотой. В правой части изображены столбики воздуха одинаковой толщины, взятые на разной высоте. Гуще заштрихованы столбики более сжатого воздуха, имеющие большую плотность
Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другой, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат будем откладывать высоты и т. д. над каким-нибудь уровнем (например, над уровнем моря), а по оси абсцисс - давление (рис. 296). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты . Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты , равный . Но с увеличением высоты плотность воздуха убывает. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме вверх давление будет убывать неравномерно: на малой высоте, где плотность воздуха больше, давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем медленнее уменьшается давление.
В нашем рассуждении мы считали, что давление во всем слое толщины одно и то же; поэтому мы получили на графике ступенчатую (штриховую) линию. Но, конечно, убывание плотности при подъеме на какую-нибудь определенную высоту происходит не скачками, а непрерывно; поэтому в действительности график имеет вид плавной линии (сплошная линия на графике). Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией.
Для небольших по высоте объемов воздуха (комната, воздушный шар) достаточно пользоваться маленьким участком графика; в этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости. В самом деле, при малом изменении высоты плотность воздуха меняется незначительно.
Рис. 297. Графики изменения давления с высотой для разных газов
Если имеется некоторый объем какого-либо газа, отличного от воздуха, то в нем давление также убывает снизу вверх. Для каждого газа можно построить соответствующий график. Ясно, что при одном и том же давлении внизу давление тяжелых газов будет убывать с высотой быстрее, чем давление легких газов, так как столбик тяжелого газа весит больше, чем столбик легкого газа той же высоты.
На рис. 297 построены такие графики для нескольких газов. Графики построены для небольшого интервала высот, поэтому имеют вид прямых линий.
175. 1. Г-образная трубка, длинное колено которой открыто, наполнена водородом (рис. 298). Куда будет выгнута резиновая пленка, закрывающая короткое колено трубки?
Рис. 298. К упражнению 175.1
Воздух Ø Чем выше над Землей находится воздух, тем меньше его плотность и тем больше он разряжен; Ø Например, на высоте 10 км, масса воздуха = 400 гр, Ø Давление измеряют с помощью специальных приборов, которые называются барометрами. 2
Воздух Ø Величина атмосферного давления. Опыт Торричелли. Ø Давление атмосферы = 760 мм рт. ст. Ø Миллиметр ртутного столба – единица измерения давления. Ø Приборы, измеряющие давление воздуха: Ртутный барометр, барометранероид 3
В конце 1646 года Блез Паскаль, узнав от знакомого отца о торричеллиевой трубке, повторил опыт итальянского учёного. Впоследствии Паскаль сосредоточился на доказательстве того, что столбик ртути в стеклянной трубке удерживается давлением воздуха. 4
Достоверно показать, что высота подъема жидкости в трубке Торричелли зависит от давления атмосферного воздуха, можно было только сравнив показания прибора у земли и на большой высоте, где давление меньше. 15 ноября 1647 года Паскаль направил письмо Флорену Перье, мужу своей племянницы Маргариты, жившему в Клермон-Ферране, и попросил его подняться с трубкой на вершину горы Пюи-де-Дом (высота 975 м), расположенной недалеко от города. Эксперимент из-за погодных условий состоялся только 19 сентября 1648 года, зато оправдал все ожидания. Разница уровней ртути на вершине горы и в саду составила 3 дюйма 11/2 линии (8 мм) 5
В Париже на башне Сен-Жак опыты повторяет уже сам Паскаль, полностью подтвердив данные Перье. В честь этих открытий на башне был установлен памятник учёному. В «Рассказе о великом эксперименте равновесия жидкостей» (1648) Паскаль привёл свою переписку с зятем и следствия, вытекающие из этого опыта: теперь есть возможность «узнать, находятся ли два места на одном уровне, то есть одинаково ли они удалены от центра земли, или которое из них расположено выше, как бы ни были они далеки друг от друга» . 6
Вполне есте ственно пад ение давлен воздуха с ув ия еличением в ысоты. Ведь наверх у на прибор уже давит мень ший столб воздуха. Вообще опыт с подъемом на гору Пюи-де -Дом стал небывалым событием в истории науки: впервые важное физическое явление было сначала предсказано теоретически, а затем обосновано экспериментально.
же решил Я то ентально эксперим ать, что с доказ м высоты е величени у сферное атмо Для эт давление я. о измер го я сначал етс а ил уменьша давле атмосфер но ни школы е на I этаж е е … …а затем на чердаке школы 8
Стрелка барометра на чердаке незначительно отклонилась в сторону понижения давления. Незначительное уменьшение давления связано с тем, что атмосферное давление уменьшается каждые 11 метров на 1 мм. рт. ст. Высота двухэтажного здания школы меньше 11 метров, поэтому и давление изменилось меньше чем на 1 мм рт ст.
Барометр может служить для определения высоты полета самолета. Такой барометр называется барометрический высотомер или альтиметр Он определяет высоту подъема над уровнем моря по изменению атмосферного давления. 10
Еще не так давно альтиметры представляли собой массивные и дорогие приборы В последние годы появились легкие наручные альтиметры Многие приборы многофункциональны и могут служить, например, барометром и электронным компасом. Знание высоты собственного местоположения может оказаться весьма полезным при ориентировании в горах в условиях плохой видимости.
Плотность воздуха с высотой уменьшается, соответственно уменьшается и атмосферное давление. Тело человека приспособлено к атмосферному давлению и плохо переносит его понижение. При подъеме на высокие горы многие люди чувствуют себя плохо, появляются приступы «горной болезни» , становится трудно дышать, из ушей и носа нередко идет кровь, можно даже потерять сознание, руки и ноги плохо «слушаются» , легко получаются вывихи. Для защиты космонавта от влияния пониженного давления кабины кораблей делаются герметическими, и в них создаётся и поддерживается нормальное барометрическое давление. Для выхода в открытый космос существуют специальные скафандры. 12
Организм людей, живущих на больших высотах, приспосабливается к пониженному давлению. Например, в Андах Южной Америки, в Тибете и в некоторых других местах встречаются постоянные людские поселения на высотах около 5000 м. Экспедиция англичан на Эверест в 1924 году обнаружила на высоте 5200 м жилье тибетского отшельника. В Тибете на высоте 5000 м существовали копи, где люди добывали золото. Однако человек и большинство животных не живут на больших высотах, т. к. все-таки они плохо переносят низкое давление.
Только птицы могут залетать туда. Так птица кондор водится в Андах на высотах до 7000 м, а может подниматься на высоту до 9000 м. Во время экспедиции на Эверест в 1924 г за людьми следовали горные галки до высшего пункта подъема 8200 м. Гриф и ястреб свободно поднимаются до высоты 6000 -7000 м. Орел поднимается до высоты 5000 м, остальные птицы держатся на высоте не более 4000 м.
Закрепление Ø Ø Ø 1. Э. Торричелли-создал ртутный барометр и впервые измерил а/ д 2. мм рт. ст. – единица измерения а/д 3. Барометр- прибор для измерения а/д 4. Ртутный барометр- имеет трубку и чашку с ртутью 5. Барометр- анероид- безжидкостный барометр 6. Метеорологические станции- станции, где постоянно ведется наблюдение за состоянием а/ д
С высотой атмосферное давление падает. Это связано с двумя причинами. Во-первых, чем выше мы находимся, тем меньше высота столба воздуха над нами, и, следовательно, меньший вес на нас давит. Во-вторых, с высотой плотность воздуха уменьшается, он становится более разреженным, то есть в нем меньше молекул газов, а следовательно он имеет меньшую массу и вес.
Почему плотность воздуха уменьшается с высотой? Земля притягивает тела, находящиеся в поле ее тяготения. Это же касается и молекул воздуха. Они бы все упали на поверхность Земли, но хаотичное быстрое их движение, отсутствие взаимодействия между собой, удаленность друг от друга заставляют их разлетаться и занимать все возможное пространство. Однако явление притяжения к Земле все же заставляет больше молекул воздуха находиться в нижних слоях атмосферы.
Однако уменьшение плотности воздуха с высотой имеет значение, если рассматривать всю атмосферу, составляющую около 10000 км высоты. На самом деле нижний слой атмосферы - тропосфера - содержит 80% массы воздуха и составляет всего 8-18 км высоты (высота меняется в зависимости от географической широты и сезона года). Здесь можно пренебречь изменением плотности воздуха с высотой, считая ее постоянной.
В таком случае на изменение атмосферного давления оказывает влияние только изменение высоты над уровнем моря. Тогда можно легко посчитать, как именно с высотой меняется атмосферное давление.
Плотность воздуха на уровне моря равна 1,29 кг/м 3 . Будем считать, что она остается почти неизменной на несколько километров вверх. Давление можно рассчитать по формуле p = ρgh. Здесь следует понимать, что h - это высота столба воздуха над тем местом, где измеряется давление. Самое большое значение h будет у поверхности Земли. С высотой оно будет уменьшаться.
Опыты показывают, что нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет приблизительно 101,3 кПа или 101300 Па. Найдем примерную высоту столба воздуха над уровнем моря. Понятно, что это будет не реальная высота, так как воздух вверху разрежен, а как бы высота воздуха, «спрессованного» до такой же плотности как у поверхности Земли. Но близ поверхности Земли нас это не волнует.
h = p / (ρg) = 101300 Па / (1,29 кг/м3 * 9,8 Н/кг) ≈ 8013 м
А теперь рассчитаем атмосферное давление при подъеме на 1 км вверх (на 1000 м). Здесь высота столба воздуха составит 7013 м, тогда
p = (1,29 * 9,8 * 7013) Па ≈ 88658 Па ≈ 89 кПа
То есть близ поверхности Земли на каждый километр вверх давление примерно уменьшается на 12 кПа (101 кПа – 89 кПа).
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.
Сообщая по радио о погоде, дикторы в конце обычно сообщают: атмосферное давление 760 мм ртутного столба (или 749, или 754 и т.д.). Но многие ли понимают, что это значит, и откуда синоптики берут эти данные? О том, как измеряют атмосферное давление, как оно изменяется и влияет на человека, вы узнаете из этой статьи.
Немного истории
Первым атмосферное давление измерил итальянский ученый Эванджелиста Торричелли в 1643 году. Развивая учения Галилея, Торричелли после долгих опытов, доказал, что воздух имеет вес, и давление атмосферы уравновешивается столбом воды в 32 фута, или 10,3 м. Он пошел в своих исследованиях ещё дальше и позже изобрел прибор для измерения атмосферного давления — барометр.
Атмосферное давление, что это?
Атмосферное давление — давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность. В каждой точке атмосферы атмосферное давление равно весу вышележащего столба воздуха с основанием, равным единице площади. С высотой атмосферное давление убывает. В соответствии с международной системой единиц (система СИ) основной единицей для измерения атмосферного давления является гектопаскаль (гПа), однако, в обслуживании ряда организаций разрешается применять старые единицы: миллибар (мб) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Нормальным атмосферным давлением (на уровне моря) принято значение 760 мм ртутного столба (мм рт. ст.) при температуре 0 °С.
Зачем его измеряют?
Измеряют атмосферное давление для того, чтобы с большей вероятностью предсказать возможное изменение погоды. Существует прямая связь между изменениями давления и изменениями погоды. Рост или понижение атмосферного давления с некоторой вероятностью может служить признаком изменения погоды.
Изменение атмосферного давления с высотой
Газы сильно сжимаемы и чем сильнее сжат газ, тем больше его плотность и тем большее давление он производит. Нижние слои воздуха сжаты всеми вышележащими слоями. Чем выше от поверхности Земли, тем воздух слабее сжат, тем меньше его плотность и, следовательно, тем меньшее давление он производит. Так, например, когда воздушный шар поднимается над Землей, 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. Так как все метеостанции, измеряющие атмосферное давление, расположены на разных высотах и полученные на них показатели чаще всего приводят к уровню моря. Делают это потому, что атмосферное давление довольно существенно убывает с высотой. Так на высоте 5 000 м оно уже примерно в два раза ниже. Поэтому для получения представления о реальном пространственном распределении атмосферного давления и для сравнимости его величины в различных местностях и на разных высотах, для составления синоптических карт давление приводят к единому уровню - к уровню моря.
В течение суток давление также меняется, но незначительно, т.е. имеет суточный ход. Ночью повышается, а днем в период максимальных температур понижается. Особенно правильный суточный ход оно имеет в тропических странах, где дневное колебание достигает 2,4 мм рт. ст., а ночное — 1,6 мм рт. ст. С увеличением широты амплитуда изменения АД уменьшается, но вместе с тем становятся более сильными непериодические изменения атмосферного давления.
Распределение атмосферного давления по земной поверхности обусловливает движение воздушных масс и атмосферных фронтов, определяет направление и скорость ветра.
Влияние атмосферного давления на самочувствие
На самочувствие человека, достаточно долго проживающего в определённой местности, обычное, т.е. характерное давление не должно вызывать особого ухудшения самочувствия.
Пребывание в условиях повышенного атмосферного давления почти ничем не отличается от обычных условий. Лишь при очень высоком давлении отмечается небольшое сокращение частоты пульса и снижение минимального кровяного давления. Более редким, но глубоким становится дыхание. Незначительно понижается слух и обоняние, голос становится приглушенным, появляется чувство слегка онемевшего кожного покрова, сухость слизистых и др. Однако все эти явления относительно легко переносятся.
Более неблагоприятные явления наблюдаются в период изменения атмосферного давления — повышения (компрессии) и особенно его снижения (декомпрессии) до нормального. Чем медленнее происходит изменение давления, тем лучше и без неблагоприятных последствий приспосабливается к нему организм человека.
При пониженном атмосферном давлении отмечается учащение и углубление дыхания, учащение сердечных сокращений (сила их более слабая), некоторое падение кровяного давления, наблюдаются также изменения в крови в виде увеличения количества красных кровяных телец. В основе неблагоприятного влияния пониженного атмосферного давления на организм лежит кислородное голодание. Оно обусловлено тем, что с понижением атмосферного давления понижается и парциальное давление кислорода, поэтому при нормальном функционировании органов дыхания и кровообращения в организм поступает меньшее количество кислорода.
Повлиять на погоду мы не в состоянии. Но вот помочь своему организму пережить этот тяжелый период совсем несложно. При прогнозе значительного ухудшения погодных условий, а следовательно и резких перепадов атмосферного давления, прежде всего следует не паниковать, успокоиться, максимально снизить физическую нагрузку, а для тех у кого адаптация протекает довольно сложно, необходимо посоветоваться с врачом о назначении соответствующих лекарственных средств.
