Атмосферное давление и плотность воздуха

 

Всякий газ давит с определенной силой на ограничивающие его стенки перпендикулярно к ним. Числовую величину этой силы, отнесенную к единице площади, называют давлением.

Давление газа объясняется движением его молекул, той “бомбардировкой”, которой он подвергает ограничивающие его стенки.

При возрастании температуры и неизменном объеме газа сила молекулярных движений усиливается и давление растет.

В каждой точке атмосферы есть определенное атмосферное давление, то есть давление воздуха. На уровне моря это давление близко к 1 кг/ см². В метеорологии принято измерять атмосферное давление в мм ртутного столба. Это значит, что атмосферное давление сравнивается с эквивалентным ему давлением ртутного столба.

На уровне моря среднее атмосферное давление близко к 760 мм ртутного столба.

В метеорологии атмосферное давление измеряют также в миллибарах. 1 миллибар – это давление, при котором сила в 1000 дин давит на площадь кв.см. При этом 760 мм ртутного столба равны 1013 мб, то есть величину давления в мм ртутного столба нужно умножить на 4 и разделить на 3.

С увеличением высоты атмосферное давление убывает.

.

Рис. 2. Вертикальные изменения температуры в атмосфере по результатам наблюдений в Уайт-Сандсе (шт. Нью-Мексико, США) и Форт-Черчилле (Канада). Показаны температурные различия в термосфере на разных широтах.

Температура воздуха

Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно меняется. В разных местах Земли в одно и то же время она различна. У земной поверхности температура варьирует от + 60 ° С в тропических пустынях до - 90 ° в Антарктиде. С увеличением высоты температура воздуха меняется в разных слоях по разному. Сначала до высоты 10-15 км температура понижается, затем до высоты 50-60 км она повышается, с дальнейшим увеличением высоты она вновь падает.

Температура выражается в градусах международной шкалы - шкалы Цельсия. В некоторых странах используют шкалу Фаренгейта: 0 ° по шкале Цельсия соответствуют + 32 ° шкалы Фаренгейта, а + 100 ° С == 220 ° Ф.

Кроме того для выражения температуры используется абсолютная шкала – Кельвина. 0⁰ по этой шкале соответствует полному прекращению движения молекул, то есть самой низкой возможной температуре, что по шкале Цельсия соответствует – 273 °.

Плотность воздуха

 

Данная характеристика атмосферы непосредственно не измеряется. Она вычисляется. С помощью уравнения состояния газа, которое для сухого воздуха выглядит так:

Р

ρ = ---------

RT

Плотность влажного воздуха вычисляется по другой формуле:

Р – е

ρ = -------------

Rd ^. Т, где

 

Р – давление;

е – давление водяного пара;

R – газовая постоянная сухого воздуха;

Rd - газовая постоянная влажного воздуха;

Т - температура воздуха.

 

При давлении атмосферного воздуха 760 мм ртутного столба плотность сухого воздуха составляет 1293 г/м куб., если же воздух влажный, то его плотность при том же давлении будет равна 1273 г/м куб.

В результате совместного влияния атмосферного давления и температуры воздуха плотность с увеличением высоты понижается, но не так сильно, как давление. Например, для Европы плотность воздуха у земной поверхности равна 1250 г/м куб., на высоте 10 км – 411 г/ м куб., а на высоте 20 км – только 87 г/м куб.

Основное уравнение статики атмосферы

Dр = - gр Dz, где

 

Dр – бесконечно малое изменение р;

Р – давление;

g – сила тяжести;

z – высота столба воздуха;

Dz – бесконечно малое изменение z;

ρ – плотность воздуха.

 

Из уравнения следует, что с увеличением высоты давление падает.

dp

Величина -------- называется вертикальным барическим градиентом и отражает падение Dz

давления на единицу прироста высоты:

 

1 dp

---- ^. ----- - g = 0

р dz

 

Адиабатические изменения состояния атмосферы

 

Температура атмосферного воздуха может изменяться адиабатически, то есть без теплового обмена с окружающей средой.

Если некоторая масса воздуха в атмосфере адиабатически расширяется, то давление в ней падает, а вместе с ним падает и температура.

При адиабатическом сжатии массы воздуха давление и плотность в ней растут. Эти изменения температуры, не связанные с теплообменом, происходят вследствие преобразования внутренней энергии газа (энергия положения и движущихся молекул) в работу или работы во внутреннюю энергию.

При расширении массы воздуха происходит работа против внешних сил давления, так называемая работа расширения, на которую затрачивается внутренняя энергия воздуха. Так как внутренняя энергия газа пропорциональна его абсолютной температуре, температура воздуха при расширении падает.

При сжатии массы воздуха производится работа сжатия и внутренняя энергия этого воздуха возрастает, то есть скорость молекулярных движений увеличивается и температура воздуха растет.

 

Уравнение сухого адиабатического процесса (уравнение Пуассона) описывает адиабатические изменения температуры в сухом воздухе:

AR

Т Р ------

------ = ----- Ср

Т Р, где

 

Т и Т - температура массы воздуха в начале и конце процесса;

Р и Р - давление массы воздуха в начале и конце процесса;

А – термический эквивалент работы;

R – газовая постоянная;

Сv – внутренняя энергия газа;

Ср – преобразованная внутренняя энергия газа.

 

Смысл уравнения Пуассона заключается в том, что если давление в массе сухого или ненасыщенного воздуха меняется от Ро в начале до Р в конце процесса, то и температура в этой массе воздуха меняется от нулевой в начале и до определенной в конце процесса.

 

Восходящий воздух адиабатически охлаждается, нисходящий, напротив, нагревается. Подъем воздуха при этом может происходить разными способами: в виде восходящих токов конвекции; над поверхностью фронта; при подъеме воздуха по горному склону. При адиабатическом подъеме сухого или ненасыщенного воздуха температура на каждые 100 м падает на 1 °. Эту величину (1 ° на 100 м) называют сухоадиабатическом градиентом.

 

Влажноадиабатические изменения происходят не по уравнению Пуассона. Температура падает тем медленнее, чем больше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения. Так как это зависит от температуры и давления, то на каждые 100 м подъема насыщенный воздух при 0⁰ охлаждается на 0, 66⁰; при температуре +20⁰ – на 0, 44⁰, при температуре –20⁰ – на 0, 88⁰. Падение температуры в насыщенном воздухе при подъеме на единицы (100 м) называется влажноадиабитическим градиентом.