6.3.5. Атмосферное давление

Всякий газ производит давление на то, что его ограничивает. Значение силы давления, отнесенное к единице площади, называют давлением. Давление газа обусловлено движением его молекул, поэтому при сохранении объема и увеличении температуры, когда эта скорость увеличивается, давление растет. В каждой точке атмосферы имеется определенное атмосферное давление.

Давление измеряют с помощью барометров. Известен ртутный барометр, в котором атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути. Именно поэтому долгое время была распространена единица “миллиметр ртутного столба». Т.к. это не единица СИ, сейчас ее использование официально не допускается. Другой принцип измерения основан на деформации упругой, пустой внутри металлической коробки, каковая деформация механически передается на регистрирующее устройство. Такой барометр называется анероидом. Анероиды градуируются по показаниям более точного ртутного барометра.

Измеряется давление в гектопаскалях, а у метеорологов принята единица миллибар, численно равная гектопаскалю. Такие единицы используются в силу того, что давление у поверхности численно оказывается равным примерно 1000 миллибар, что удобно на практике.

Давление меняется с высотой. Для описания этого изменения используется уравнение статики атмосферы:

dp = -ρgdz (6.12)

Здесь в левой части – приращение давления, dz – приращение высоты. Величина –dp/dz - это падение давления на единицу прироста высоты, т.е. вертикальный барический градиент. Интегрируя уравнение статики по высоте, получим т.н. барометрическую формулу:

(6.13)

Здесь p_1,2 – давление на разных высотах z_1,2, g – ускорение свободного падения, T_m – средняя температура между уровнями z₁ и z₂.

Барометрическая формула показывает, как меняется атмосферное давление с высотой в зависимости от температуры воздуха. Эта формула позволяет выполнять барометрическое нивелирование (зная давление на обоих уровнях и среднюю температуру, вычисляется разность высоты). По давлению на одном уровне и средней температуре находят давление на другом уровне. Это используется при приведении давления к уровню моря, что очень важно. Действительно, высокогорные метеостанции будут измерять давление выше поверхности, поэтому если просто построить поле по давлению всех станций, оно получится «неправильным». Предварительно отсчеты давления всех станций по барометрической формуле приводят к уровню моря, после чего уже возможно построение карт давления.

Еще одно важное применение формулы – определение средней температуры столба воздуха по разности уровней и разности давлений между ними. Эта величина важна в синоптической метеорологии для определения зон теплого воздуха. Для этого строятся карты относительной барической топографии. Так, используется карта поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб. Относительная высота одной изобарической поверхности над другой показывает среднюю температуру воздуха в слое – чем больше относительная высота, тем выше температура слоя.

На рис.6.6 показано, как убывает атмосферное давление с высотой в зависимости от температуры воздушного столба. Например, в теплом и холодном воздухе давление у поверхности одинаково. Но в теплом воздухе давление с высотой падает медленнее, поэтому на высотах давление становится неодинаковым: в теплом воздухе оно будет выше, чем в холодном. Таким образом, теплые области в высоких слоях являются областями повышенного давления, а холодные – пониженного.

Рис.6.6. Убывание атмосферного давления с высотой в зависимости от температуры воздушного столба (слева).

Рис.6.7. Изменение атмосферного давления с высотой (справа).

Среднее распределение давления по высоте показано на рисунке 6.7. Для Европы среднее многолетнее приземное давление на уровне моря равно 1014 мб, на высоте 5км – 538 мб, на высоте 10 км – 262 мб, на высоте 20 км – 56 мб. На высоте 50 км давление составляет 1 мб, т.е. в тысячу раз меньше, чем на уровне моря. Таким образом, с высотой давление убывает примерно в геометрической прогрессии с ростом высоты в арифметической прогрессии.

Отметим, что давление меняется не только с высотой, но что еще важнее – по горизонтали. Так, на карте давления на уровне моря всегда видны области повышенного и пониженного давления, говорящие метеорологу о многом. Это горизонтальное распределение меняется во времени, причем очень быстро. Ясно, что давление имеет и горизонтальный градиент, который в первом приближении характеризует ветер.