Атмосферное давление

Атмосфе́рное давле́ние—давлениеатмосферы, действующее на все находящиеся в ней предметы и на земную поверхность, равное модулю силы, действующей в атмосфере, на единицу площади поверхности по нормали к ней. В покоящейся стационарной атмосфере давление равно отношениювесавышележащего столба воздуха к площади его поперечного сечения. Атмосферное давление является одним изтермодинамических параметровсостояния атмосферы, оно изменяется в зависимости от места и времени. Давление — величина скалярная, имеющаяразмерностьLMT, измеряетсябарометром.
Единицей измерения вМеждународной системе единиц (СИ)являетсяпаскаль(русское обозначение: Па; международное: Pa). Кроме того, вРоссийской Федерациив качестве внесистемных единиц давления допущены к использованиюбар,миллиметр ртутного столба,миллиметр водяного столба,метр водяного столба,килограмм-силана квадратный сантиметр иатмосфера техническая. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением (101 325Па).
Считалось, что всасывающиенасосыработают из-за того, что «природа боится пустоты». Но голландецИсаак Бекманв тезисах своей докторской диссертации, защищенной им в 1618 году, утверждал: «Вода, поднимаемая всасыванием, не притягивается силою пустоты, но гонима в пустое место налегающим воздухом» (Aqua suctu sublata non attrahitur vi vacui, sed ab aere incumbentein locum vacuum impellitur).
В 1630 году генуэзский физикБалианинаписал письмо Галилею о неудачной попытке устроить сифон для подъёма воды на холм высотою примерно 21 метр. В другом письме Галилею (от 24 октября 1630 года) Балиани предположил, что подъём воды в трубе обусловлен давлением воздуха.
Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затеягерцогаТосканскогоукрасить сады Флоренциифонтанами— вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжёлым веществом —ртутью, предпринятыеЭванджелистой Торричелли, привели к тому, что в1643 годуондоказал, что воздух имеет вес. Совместно сВ. ВивианиТорричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя первый ртутныйбарометр— стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.
На земной поверхности атмосферное давление изменяется время от времени и от места к месту. Особенно важны определяющиепогодунепериодические 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 науровне моряв пределах641 — 816 мм рт. ст.(в центральной частисмерчадавление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба).
Накартахатмосферное давление изображается с помощьюизобар—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.
В химиистандартным атмосферным давлениемс 1983 года по рекомендацииIUPACсчитается давление, равное 100 кПа.
Атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышестоящего столба воздуха с единичным сечением.
В системеСГС760 мм рт. ст. эквивалентно 1,01325бар(1013,25 мбар) или 101 325 Па вМеждународной системе единиц (СИ).
Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1гПа (гектопаскаль), называется «барической (барометрической) ступенью». Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например, для оценки давления по известной разности высот. Считая, что атмосфера не испытывает существенного вертикального ускорения (то есть находится в квазистатическом состоянии), изосновного закона статикиполучаем, что барическая ступеньh{\displaystyle h}равна:
При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8м/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 барическийградиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре0 °Cи давлении1000 гПаон равен12,5 гПа.
С высотой атмосферное давление уменьшается. Например,горная болезньначинается на высоте около 2—3 км, а атмосферное давление на вершинеЭверестасоставляет примерно 1/3 от давления науровне моря. Недостаточное давление является наиболее существенным фактором, ограничивающим активное посещение человеком экстремальных горных массивов, так как в отличие от ветра и температур в принципе не допускает колебаний в более благоприятные состояния.
В стационарных условиях атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описываетсябарометрической формулой.
Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой:
Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты (Δz>0{\displaystyle \Delta z>0}) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Так как плотность газа зависит от его давления, основное уравнение статики справедливо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздухаΔz{\displaystyle \Delta z}, в котором плотность воздуха почти не изменяется. На практике оно применимо, когда изменение высоты достаточно мало по отношению к приблизительной толщине атмосферы.
Многие метеостанции рассылают так называемые «синоптические телеграммы», в которых указывается давление,приведённоек уровню моря (см.КН-01,METAR). Это делается для того, чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, а также для нужд авиации. Приведённое давление используется также и на синоптических картах.
При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа:
То есть, зная давление и температуру на уровнеz2{\displaystyle z_{2}}, можно найти давлениеp1{\displaystyle p_{1}}на уровне моряz1=0{\displaystyle z_{1}=0}.
Вычисление давления на высотеh{\displaystyle h}по давлению на уровне моряP0{\displaystyle P_{0}}и температуре воздухаT{\displaystyle T}:
h{\displaystyle h}— высота, м.
На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на1 мм рт. ст.На больших высотах эта закономерность нарушается.
Более простые расчёты (без учёта температуры) дают:
Измерения и расчёт показывают в полном согласии, что при подъёме над уровнем моря на каждый километр давление будет падать на 0,1 долю; то же самое относится и к спуску в глубокие шахты под уровень моря — при опускании на один километр давление будет возрастать на 0,1 своего значения.
Речь идёт об изменении на 0,1 от значения на предыдущей высоте. Это значит, что при подъёме на один километр давление уменьшается до 0,9 (точнее 0,87) от давления на уровне моря.
В ещё более грубом приближении, двукратному изменению давления соответствует изменение высоты на каждые пять километров.
В прогнозах погоды и сводках, распространяемых для населения через интернет и по радио, используется неприведённое давление, то есть, фактическое давление на уровне местности.