Атмосферное давление
Атмосферное давление — это давление, с которым воздух действует на поверхность Земли и находящиеся на ней тела. Оно существует из-за веса воздуха, зависит от высоты над уровнем моря и измеряется приборами, главным образом барометрами.
Причина атмосферного давления
Воздух состоит из множества частиц, которые обладают массой. На каждую частицу действует сила тяжести, поэтому весь слой воздуха имеет вес. Этот вес создаёт давление на земную поверхность, здания, растения, людей и другие тела. Кроме того, верхние слои воздуха давят на нижние, поэтому давление воздуха у поверхности Земли особенно заметно.
Атмосферное давление — давление, которое атмосфера оказывает на поверхность Земли и тела, находящиеся в атмосфере. Давление определяется как отношение перпендикулярной поверхности силы к площади этой поверхности: \(p=\frac{F}{S}\).
Воздух давит не только сверху вниз. Частицы воздуха движутся во всех направлениях, поэтому давление действует на поверхность в любом направлении и всегда перпендикулярно этой поверхности. Например, воздух давит на стены комнаты не слабее, чем на пол. Мы обычно не ощущаем атмосферное давление, потому что давление внутри организма примерно уравновешивает давление снаружи.
При одинаковых условиях атмосферное давление у поверхности Земли создаётся весом столба воздуха, расположенного над данной площадью. Чем меньше высота этого столба, тем меньше давление.
Единицы и нормальное давление
В Международной системе единицей давления является паскаль: \(1\ \text{Па}=1\ \text{Н}/\text{м}^2\). В метеорологии часто используют гектопаскали: \(1\ \text{гПа}=100\ \text{Па}\). Также встречаются миллиметры ртутного столба — единица, связанная с устройством ртутного барометра.
Нормальным атмосферным давлением считают давление \(101325\ \text{Па}\) на уровне моря при температуре около \(0\ ^\circ\text{C}\). В реальных условиях давление может отличаться от нормального из-за погоды, температуры и движения воздушных масс. Поэтому показание около \(760\ \text{мм рт. ст.}\) — это ориентир, а не постоянное значение для любого места.
\(760\ \text{мм рт. ст.}=101325\ \text{Па}\approx 100\ \text{кПа}\). При переводе гектопаскалей в паскали число увеличивают в 100 раз.
Как измеряют атмосферное давление
Для измерения атмосферного давления используют барометры. В жидкостном ртутном барометре стеклянная трубка, запаянная сверху и заполненная ртутью, перевёрнута открытым концом в чашу с ртутью. Атмосфера давит на ртуть в чаше и поддерживает столб ртути в трубке. Высота столба показывает давление.
Здесь \(\rho\) — плотность ртути, \(g\) — ускорение свободного падения, \(h\) — высота столба ртути. При нормальном давлении \(h=760\ \text{мм}\). Чем сильнее давление воздуха на поверхность ртути, тем выше поднимается ртуть в трубке.
В металлическом барометре-анероиде нет жидкости. Давление воздуха немного изменяет форму упругой металлической коробочки. Это изменение передаётся стрелке. Такие приборы удобны для наблюдений за погодой и для определения примерной высоты.
Что произойдёт с высотой столба ртути в барометре, если атмосферное давление увеличится?
Изменение давления с высотой
При подъёме вверх над человеком остаётся меньший столб воздуха. Поэтому вес воздуха над единицей площади уменьшается, и атмосферное давление падает. В нижних слоях атмосферы это уменьшение особенно заметно. На больших высотах воздух разрежен, то есть в том же объёме содержится меньше частиц.
С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление обычно уменьшается. С уменьшением высоты давление обычно увеличивается. Точное изменение зависит также от температуры и состояния атмосферы.
Для грубых расчётов вблизи поверхности Земли используют правило: при подъёме примерно на 10–12 м давление уменьшается приблизительно на 1 мм рт. ст. Это приближение нельзя считать точным на больших высотах, поскольку плотность воздуха сама уменьшается.
Сначала сравните высоты точек. Точка выше — давление в ней меньше. Если требуется найти высоту по показаниям барометра, определите разность давлений и разделите её на примерное уменьшение давления на каждый метр.
Разобранный пример
У подножия горы барометр показывает \(760\ \text{мм рт. ст.}\), а на вершине — \(700\ \text{мм рт. ст.}\). Оцените высоту горы, считая, что при подъёме на каждые \(12\ \text{м}\) давление уменьшается на \(1\ \text{мм рт. ст.}\).
Показать решение Решение
Примерная высота горы — 720 м. Чем больше разность показаний барометра, тем больше перепад высот.
Практическое значение атмосферного давления
Изменения атмосферного давления используют в метеорологии для наблюдения за погодой. Быстрое падение давления часто связано с приближением циклона и ухудшением погоды, а рост давления — с установлением более устойчивой погоды. Однако по одному показанию барометра нельзя надёжно предсказать все погодные явления.
Барометр можно использовать и как высотомер. В самолётах, горах и при подъёме на воздушном шаре изменение давления помогает оценить высоту. Для точности учитывают температуру, влажность, местные условия и поправки прибора.
1. Не путайте атмосферное давление с давлением твёрдого тела: атмосферное создаётся весом воздуха, а не силой тела на опору. 2. Не утверждайте, что давление действует только вниз: воздух давит во всех направлениях. 3. Не забывайте переводить миллиметры ртутного столба в паскали, если ответ требуется в СИ. 4. При подъёме давление уменьшается, а не увеличивается. 5. Нормальное давление — это эталонное значение, а не давление в любой точке Земли.
Тема связана с общей страницей давлении, где вводится понятие давления и рассматриваются его единицы. Способы измерения подробнее разобраны в измерении давления, а устройство приборов — на страницах барометре и манометре.
Быстрая проверка
Главное
- Атмосферное давление создаётся весом воздуха и действует на поверхности во всех направлениях.
- Нормальное атмосферное давление: \(101325\ \text{Па}\approx1013\ \text{гПа}=760\ \text{мм рт. ст.}\)
- В ртутном барометре давление связано с высотой столба ртути формулой \(p=\rho gh\).
- При увеличении высоты атмосферное давление уменьшается, потому что уменьшается масса столба воздуха над точкой.
- Для приближённой оценки высоты можно использовать правило: подъём на 10–12 м соответствует уменьшению давления примерно на 1 мм рт. ст.