Атмосферний тиск. Методи та одиниці виміру

Всякий газ створює тиск на обмежуючі його стінки, тобто діє на ці стінки з якоюсь силою тиску, спрямованої перпендикулярно (нормально) до стінки. Числову величину цієї сили тиску, віднесену до одиниці площі, і називають тиском. Тиск газу пояснюється рухами його молекул, тієї якої вони піддають стінки. При зростанні температури й при збереженні об’єму газу швидкості молекулярних рухів збільшуються й, отже, тиск росте. Якщо подумки виділити якийсь об’єм у середині атмосфери, то повітря у цьому об’ємі зазнає тиску ззовні на уявлювані стінки, що обмежують даний об’єм з боку навколишнього повітря. Зі своєї сторони повітря зсередини об’єму виявляє такий же тиск на навколишнє повітря. Виділений об’єм може бути як завгодно малим і в межі зводиться до точки. Таким чином, у кожній точці атмосфери є певна величина атмосферного тиску, або тиску повітря. Повітря в закритому (негерметично) приміщенні досить вільно вирівнює свій тиск із зовнішнім повітрям через пори й щілини в стінах, через вікна і т.п. Різниця між атмосферним тиском у приміщенні й під відкритим небом (на тому ж рівні), як правило, зовсім незначна. Повітря в приміщенні стиснуте тією самою мірою, що й повітря на тому ж рівні зовні. Тому на метеорологічних станціях немає потреби поміщати барометри під відкритим небом - їх установлюють усередині приміщення. Атмосферний тиск можна виразити, наприклад, у грамах або кілограмах ваги на один квадратний сантиметр або метр. На рівні моря воно близько до одного кілограму на квадратний сантиметр. У метеорології його виражають, однак, в інших одиницях. Прийнято виражати атмосферний тиск у міліметрах ртутного стовпа. Це значить, що тиск атмосфери порівнюють із еквівалентним йому тиском стовпа ртуті. Коли говорять, наприклад, що атмосферний тиск на земній поверхні в даному місці рівно 750 мм, це значить, що стовп ртуті висотою 750 мм давив би на земну поверхню так само, як давить повітря. Вираження тиску в міліметрах ртутного стовпа з'явилося в метеорології не випадково. Воно пов'язане з обладнанням основного приладу для виміру атмосферного тиску - ртутного барометра. У цьому приладі, відомому з елементарного курсу фізики, атмосферний тиск саме врівноважується тиском стовпа ртуті; по змінах висоти ртутного стовпа можна судити про зміни атмосферного тиску. Інший принцип виміру атмосферного тиску, широко застосовуваний в анероїдах, барографах, метеорографах, радіозондах, заснований на деформаціях пружної, порожній усередині металевої коробки при змінах зовнішнього тиску на неї. Прилади цього типу потрібно тарувати (градуювати) за показниками ртутного барометра. На рівні моря середній атмосферний тиск близький до 760 мм рт. ст. В окремих випадках тиск може мінятися на рівні моря в межах 150 мм рт. ст. З висотою атмосферний тиск швидко убуває. У даний час у метеорології тиск виражають в абсолютних одиницях - мілібарах (мб). Середній атмосферний тиск на рівні моря -760 мм рт. ст. - близько до 1013 мб, а 750 мм рт. ст. еквівалентні 1000 мб. Таким чином, для переходу від величини тиску в міліметрах ртутного стовпа до величини в мілібарах потрібно тиск у міліметрах ртутного стовпа помножити на 4/3; для зворотного переходу потрібно ввести множник 3/4. Зв'язок між двома зазначеними одиницями тиску визначається в такий спосіб. Маса стовпа ртуті висотою 760 мм із поперечним перерізом 1 см² при температурі 0°С і щільності ртуті 13,595 рівна 1033,2 г. Вага в динах, який має ця маса, можна одержати, помноживши це число на прискорення сили ваги g, на рівні моря й під широтою 45° дорівнює 980,6 см/сек². Звідси одержимо тиск на 1 см² рівний 1013250 дин/сек². Називаючи мілібаром тиск, рівний1000 дин/см², знайдемо, що тиск ртутного стовпа в 760 мм висотою дорівнює 1013,2 мб (при зазначених вище стандартних значеннях прискорення сили ваги й температури); тиск же 750,1 мм рт. ст. дорівнює 1000 мб.

Завдяки тому, що повітря, яке оточує земну кулю має масу, воно тисне як на поверхню землі, так і на всі предмети, які є на ній. При цьому тиск відповідає масі вертикального стовпа повітря, площа перерізу якого дорівнює одиниці, а протяжність - від поверхні землі до верхньої межі атмосфери. Це означає, що масу атмосфери можна виміряти барометром.

Нормальний тиск повітря (на рівні моря і при температурі 0°С) врівноважується тиском (масою) ртутного стовпа висотою 760 мм і площею поперечного перерізу 1 см².

Оскільки густота ртуті дорівнює 13,6 г/см³, то нормальний тиск становитиме 76 • 13,6, тобто 1033 г/см². У системі (СІ) - одиниця вимірювання тиску Паскаль (Па), Отже, 1 атмосфера = 760 мм рт. ст. = 1013,25 -10² Па/м² = 1013,25 гПа/м².

У міжнародній системі одиниць "СІ" тиск 1 Паскаль - це сила в 1 Ньютон, що діє на площу в 1 м² (1 Па = 1 Н/м²). Один Паскаль - це невеликий тиск, який приблизно дорівнює силі, з якою гиря вагою 10 мг діє на 1 см², тому в метеорології використовують величину в сто разів більшу за Паскаль і називають її гектопаскалем (Па = 100 Па). З іншими одиницями тиску Паскаль пов'язаний такими співвідношеннями:

1 Па = 10 дин/см² = 0,102 кг- с/м² = 10'⁵ бар - 7,50-10'³ мм ртутного стовпчика = 0,102 мм водяного стовпчика, або 1 гПа = 1 мбар = 7,50-10"¹ мм рт. ст. Елементарні розрахунки показують, що на кожний квадратний сантиметр поверхні Землі атмосфера тисне з силою приблизно 10 ньютон, тобто, як гиря масою 1 кілограм, а на кожний квадратний метр - 10 тонн. Оскільки площа поверхні людського тіла в середньому становить 1,6 м², то на кожного з нас постійно діє "тягар" 16 тон.

Оскільки з підняттям у висоту маса стовпа атмосфери, що знаходиться вище, зменшується, так як скорочується висота стовпа атмосфери, то атмосферний тиск із підняттям вгору теж змен­шується. Завдяки такому розподілу тиску по висотах за законами фізики рух повітря здійснюватиметься від шарів повітря з вищим тиском до шарів повітря з нижчим тиском. При цьому швидкість руху повітря пропорційна швидкості зменшення тиску повітря з висотою, яку називають баричним градієнтом. З цієї причини повітря повинно було б піти з поверхні Землі у світовий простір. Однак цього не відбувається через те, що маса атмосфери силою гравітації притягується до Землі з такою ж силою, з якою сила баричного градієнта "відриває" атмосферу від Землі.

1 гПа = 100 Па.

Атмосферний тиск є однієї з найважливіших метеорологічних величин. Зміна його в часі в даній місцевості тісно пов'язане з розвитком атмосферних процесів (наближенням і проходженням фронтів, циклонів, антициклонів); розходження по горизонталі є безпосередньою причиною руху повітря; закономірності зміни тиску з висотою використаються для рішення ряду практичних завдань, зокрема для визначення перевищення між двома рівнями.

Для розрахунку невеликих висот (до 1000 м) використається барометрична формула Бабине:

H = 16000 (1+0.00366 t₁+t₂/2) p₁-p₂/p₁+p₂

де Н - перевищення, у м; р ₁і р ₂ - тиск повітря на нижньому й верхньому рівнях, у гПа, мбар або мм рт. ст.; t₁і t₂ - температура повітря відповідно на нижньому й верхньому рівнях; 0,00366 - коефіцієнт розширення газу.

Ця формула дозволяє здійснювати барометричне нівелювання й може бути використана для складання топографічних карт у сильно пересіченій місцевості, коли звичайне нівелювання застосувати важко.

Нарешті, для вельми наближеної оцінки швидкості зміни тиску з висотою залежно від густини повітря на практиці зручно користуватися поняттям «баричний ступінь».

Баричним ступенем називається така висота, на яку потрібно піднятися з початкового рівня щоб тиск знизився на 1 гПа. Барична ступінь Н може бути обчислена по формулі:

h=8000/р (1+ 0.004 Т) м/гПа

де р- тиск (у гПа), Т - температура (у °С) у тій точці, для якої обчислюється барична ступінь.

Допустимо, що тиск становить 1000 гПа, температура 5°С. Тоді

H = 8000/1000 (1+0,004∙ 5) = 8,0 ∙ (1+0,02) = 8,2 м/гПа

Отже, при заданих вихідних умовах тиск зменшується на 1 гПа при підйомі приблизно на 8 м. Як видно з формули, барична ступінь трохи змінюється при зміні температури й тиску повітря (табл. 1.2). Наприклад, при тиску 800 гПа барична ступінь Н(м/гПа) при будь-якій позитивній температурі трохи більше 10 м, а при тім же тиску, але негативній температурі вона становить менш 10 м.

Знаючи баричну ступінь, атмосферний тиск і висоту над рівнем моря в одному із двох пунктів, що лежать на різній висоті, можна по різниці тисків у цих пунктах визначити різницю їхніх висот, а звідси знайти й висоту другого пункту над рівнем моря. Цей спосіб визначення висоти пункту називається барометричним нівелюванням.

Атмосферний тиск у різних точках земної поверхні в той самий момент неоднаковий, тому що він залежить від ступеня нагрівання або охолодження повітря над цими точками й ряду інших причин. Інформацію про тиск повітря дають метеорологічні станції. Оскільки вони розташовані на різних висотах, а тиск залежить від висоти місця, те його значення, обмірювані на різних станціях, не можна безпосередньо порівнювати між собою. Їх потрібно спочатку приводити до будь-якої однакової висоти. За таку висоту прийнятий рівень моря. Щоб одержати наочне подання про розподіл тиску по земній кулі, на географічну карту наносять тиск, обмірюваний у той самий час у різних пунктах і приведений до рівня моря. Потім пункти, у яких тиск однаково, з'єднують плавними лініями — ізобарами.

Таблиця 1.2 - Барична ступінь

Тиск, гПа	Н при температурі, °С
-40°С	0°С	+40°С
	6,7	8,0	9,3
	13,4	16,0	18,6
	67,2	80,0	92,8

 

Описаний засіб картування розподілу тиску по території дозволяє встановлювати розміщення областей зниженого й підвищеного тиску на земній кулі і спостерігати за їхнім переміщенням, що має важливе значення для прогнозів погоди.

Зміна тиску уздовж горизонталі, спрямованої перпендикулярно до ізобар у бік від високого тиску до низького, що доводиться на відстань в 100 км, називається горизонтальним баричним градієнтом. Ця величина звичайно становить близько 1-2 гПа/100 км. Горизонтальний баричний градієнт викликає горизонтальний рух повітря, тобто вітер.