Атмосферное давление, единицы его измерения. Барическая ступень. Барический градиент

Вес атмосферы в миллион раз меньше веса земли (М_а=5,15·*10¹⁵ т). Своим весом воздух оказывает давление на земную поверхность и все предметы, находящиеся на ней, а также в воздухе (летящие и свободно плавающие). В любой точке атмосферы или земной поверхности давление воздуха или атмосферное давление, равно весу вышележащего столба воздуха с основанием равным единице площади.

Атмосферное давление впервые начали измерять ртутным барометром, который и по сей день остается наиболее точным прибором. Первый ртутный барометр был сконструирован в 1640 г. Эванжелиста Торричелли. Предварительно Галилео Галилей установил, что воздух имеет вес.

Показателем атмосферного давления служит высота ртутного столба, уравновешиваемого давлением воздуха, она измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Обычно измерения проводят с точностью 0,1 мм рт. ст. В настоящее время в физике принята система СИ. В ней единицей измерения давления служит паскаль (Па). 1 Па – это давление с силой 1 Н на 1 м². Но 1 Па – это слишком малая величина, поэтому основной единицей служит гектопаскаль гПа (1 гПа = 100 Па). Кроме этих единиц в литературе можно встретить величину миллибар (мбар или мб). 1 мбар = 100Па = 1гПа.

Соотношение этих трех величин выглядит следующим образом:

1 мбар = 1гПа = 3/4 мм рт.ст.

1 мм рт.ст. = 4/3 мбар = 4/3 гПа

Среднее давление воздуха на уровне моря составляет 760 мм рт. ст. (при температуре 0ºС, под широтой 45º Северного или Южного полушария), это соответствует 1013,25 гПа. Это давление воздуха принимается за нормальное давление воздуха.

С высотой давление убывает, т.к. мощность вышележащего слоя атмосферы становится все меньше. Изменения атмосферного давления в зависимости от высоты можно описать при помощи уравнения, которое получило название основного уравнения статики атмосферы:

dp=gρ·dz,

где dp – прирост давления, dz – прирост высоты (толщина слоя), g – ускорение свободного падения, ρ – плотность воздуха. Следует отметить, что при положительном приросте высоты (dz > 0) прирост давления отрицательный (dp < 0). При этом разность давления на верхней и нижней границе рассматриваемого объема воздуха равна силе тяжести, действующей на воздух в этом объеме.

Его можно представить и в другой форме:

,

где R – универсальная газовая постоянная, Т_m – средняя температура слоя воздуха.

 

Исходя из основного уравнения статики атмосферы dp=gρ·dz, была выведена барометрическая формула:

,

где р₁ и р₂ – давление на нижнем и верхнем уровнях, z₁ и z₂ – высота нижнего и верхнего уровней, R – универсальная газовая постоянная, Т_m – средняя температура слоя воздуха, g – ускорение свободного падения.

Эта формула показывает, как меняется атмосферное давление с высотой в зависимости от температуры воздуха. С помощью барометрической формулы можно решить три задачи:

1) зная давление на одном уровне и среднюю температуру столба воздуха, найти давление на другом уровне;

2) зная давление на обоих уровнях и среднюю температуру столба воздуха, найти разность уровней (барометрическое нивелирование);

3) зная разность уровней и значения давлений на них, найти среднюю температуру столба воздуха.

Для практического применения эту формулу приводят в рабочий вид: от натуральных логарифмов переходят к десятичным, температуру по шкале Кельвина переводят в градусы Цельсия, подставляют значения универсальной газовой постоянной и g – ускорения свободного падения, делают поправки на изменение давления в зависимости от широты и высоты над уровнем моря.

Приведение давления к уровню моря – вычисление с помощью барометрической формулы, по фактически наблюдаемому на станции атмосферному давлению и по температуре воздуха, того атмосферного давления, которое было бы на станции, если бы она находилась на уровне моря, т.е. если бы к фактическому давлению было прибавлено еще давление столба воздуха, простирающегося от уровня станции до уровня моря. Так как этого дополнительного столба воздуха в действительности (для станции на равнине) не существует, то для расчета условно принимают, что температура растет на 0,5º на каждые 100 м понижения. Давление на станциях, расположенных выше 800 м, к уровню моря не приводится. Приведение к уровню моря является очень важной операцией, так как на синоптические карты наносят значения давления на уровне моря.

Для небольшого перепада высот (менее 1000 м) можно применять упрощенную формулу Бабине:

,

где z – разность высот двух пунктов, t – температура воздуха (средняя), Р_н – давление в пункте, расположенном ниже, Р_в – давление в пункте, расположенном выше.

Быстрые подсчеты, связанные с изменением давления с высотой, можно делать при помощи барической ступени: – (dz /dp), это приращение высоты, в пределах которого давление падает на единицу. Барическая ступень прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна самому давлению. Чем больше высота и ниже давление, тем больше ступень (таблица 1). Чем больше температура, при одном и том же давлении, барическая ступень больше. например, при температуре 0ºС и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. С ростом температуры, она растет на 0,4% на каждый градус.

Таблица 1 – Зависимость величины барической ступени от

атмосферного давления (при температуре 0ºС)

Давление, гПа	Барическая ступень, м/гПа
	13,3

 

Величина обратная барической ступени, вертикальный барический градиент – падение давления на единицу прироста высоты: – (dp/ dz), единица измерения гПа/100 м.