ЛЕКЦИЯ 3. Атмосферное давление
Физические свойства воздуха
Изменение давления с высотой, Изменение давления по горизонтали. Изобары.
Распределение давления у поверхности Земли
Ветер.
Физические свойства воздуха
На поверхность земли и на все предметы, находящиеся у ее поверхности, воздух создает давление. Следовательно, на всю поверхность тела человека, имеющего площадь 1,6—1,8 м², этот воздух соответственно оказывает давление порядка 16—18 тонн. Обычно мы этого не ощущаем, поскольку под таким же давлением газы растворены в жидкостях и тканях организма и изнутри уравновешивают внешнее давление на поверхность тела. Однако при изменении внешнего атмосферного давления в силу погодных условий для уравновешивания его изнутри требуется некоторое время, необходимое для увеличения или снижения количества газов, растворенных в организме. Меняющееся давление в придаточных полостях черепа способствует кровообращению в мозге. Изменения разности давлений между внешней средой и замкнутыми полостями тела сказываются на состоянии человека. В течение этого времени человек может ощущать некоторое чувство дискомфорта, поскольку при изменении атмосферного давления всего на несколько мм рт. ст. общее давление на поверхность тела изменяется на десятки килограммов. Особенно отчетливо ощущают эти изменения люди, страдающие хроническими заболеваниями костно-мышечного аппарата, сердечно-сосудистой системы и др. Понижение атмосферного давления действует на симпатическую нервную систему; подавляет настроение, снижает работоспособность, повышает восприимчивость к инфекционным заболеваниям. И наоборот, его повышение возбуждает в большей степени нервную систему.
Основные физические свойства воздуха: плотность, давление, температура.
Плотность есть отношение массы вещества к его объему. 1 м3 воды при температуре 4°С имеет массу 1 т, а 1 м3 воздуха при 0°С и нормальном давлении (760 мм рт. ст.) имеет массу 1,293 кг. Следовательно, при указанных условиях плотность воды составляет 1000 кг/м3, а плотность воздуха 1,293 кг/м3 Таким образом, плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды.
Плотность атмосферы быстро уменьшается с высотой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в слое до высоты 5,5 км.
Давление атмосферы — это сила, с которой давит на единицу земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы. Атмосферное давление долгое время выражали в миллиметрах (мм) ртутного столба, т. е. линейной мерой измеряли силу, что было неудобно при решении многих задач. В практике в качестве единицы давления используется 1/1000 доля бара— миллибар. На уровне моря высота ртутного столба в трубке обычно составляет около 760 мм. Величина 760 мм была впервые получена в 1644 г. Эванджелистом Торричелли (1608-1647) и Винченцо Вивиани (1622-1703) — учениками итальянского ученого Галилео Галилея.
1 мб (миллибар) = 1Гпа (гигапаскаль) = 0,75 мм рт. ст. (округленно 3/4 мм рт. ст.);
1 мм рт. ст. = 1,33 мб = 1,33 ГПа (округленно 4/3 мб).
Барической ступенью называется расстояние по вертикали, на которое надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб.
Температура. Чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. В случае постоянного давления плотность воздуха зависит от изменения температуры. С увеличением высоты полета давление уменьшается и температура понижается. Давление уменьшается быстрее, чем температура. Понижение температуры несколько замедляет уменьшение плотности. Плотность воздуха с высотой падает медленнее, чем давление.
Распределение давления у поверхности Земли
Давление на земном шаре может варьироваться в широких рамках. Так, максимальная величина атмосферного давления 815,85 мм рт. ст. (1087 мб) зарегистрирован зимой в Туруханске, минимальная - 641,3 мм рт. ст. (854 мб) - в урагане "Нэнси" над Тихим океаном.
Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Если давление воздуха больше 760 мм рт. ст., то оно считается повышенным, меньше - пониженным.
Атмосферное давление в течение суток дважды повышается (утром и вечером) и дважды понижается (после полудня и после полуночи). Эти изменения связаны с изменением температуры 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: 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.
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.
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.