Изменчивость атмосферного давления.

Понятие атмосферного давления.

Лекция 6.Атмосферное давление и плотность воздуха.

 

План лекции:

1. Понятие атмосферного давления.

2. Изменчивость атмосферного давления.

3. Суточные и годовые колебания давления.

4. Формы барического рельефа.

5. Зональность в распределении атмосферного давления.

 

Рекомендованная литература:

Основные теоретические положения:

Среди всех метеорологических величин основной величиной, определяющей погодный режим и состояние водной поверхности, является давление воздуха. Давление измеряется весом (пропорционально массе) вышележащего столба воздуха на единицу горизонтальной поверхности. В метеорологии давление измеряют в гектопаскалях (гПа), иногда в миллибарах (мб), иногда в миллиметрах ртутного столба (мм.рт.ст.). Соотношения между этими единицами следующие:

1 гПа = 100 Па = 10² Н/м²,

1 мб = 1 гПа,

1 мм.рт.ст. = 1,333224 гПа.

Атмосфера оказывает давление на поверхность, находящуюся в ней и действует во всех направлениях одинаково. Атмосферное давление на уровне моря на планете изменяется в пределах от 940 гПа до 1050 гПа и редко выходит за эти пределы. Нормальное (наиболее часто наблюдающееся давление на уровне моря составляет 1013,2 гПа. )

Распределение давления атмосферы по поверхности Земли неравномерно. Это обусловлено тем, что вес и, следовательно, давление воздуха зависят от его плотности и от широты места, так как с широтой изменяется сила тяжести.

Плотность воздуха, т. е. его количество в единице объема, зависит от температуры, влажности и давления. Эта зависимость определяется известными из физики газовыми законами Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, основным уравнением газового состояния Клапейрона и состоит в следующем:

чем выше температура воздуха, тем меньше его плотность, так как с повышением температуры воздух, как и все тела, расширяется и в единице объеме его весовое количество уменьшается;

чем больше влажность воздуха, тем меньше его плотность, так как молекулярная масса водяного пара составляет всего 0,622 молекулярной массы воздуха;

чем больше давление, под которым находится тот или иной объем воздуха, тем больше его плотность, что вполне понятно, так как под давлением все газы легко сжимаются, а при уменьшении давления быстро расширяются.

 

Атмосферное давление равно весу вышележащих слоев воздуха в данном месте. Изменение давления с высотой в условиях равновесия, т.е. когда воздух находится в покое, характеризуется основным уравнением статики атмосферы, а именно:

∆p = - ρġ∆z или = -ρġ

где g – ускорение свободного падения или ускорение силы тяжести, зависящее от широты места и высоты; на экваторе сила тяжести меньше, на полюсах больше; на уровне моря на широте 45° ġ = 980,616 см/с².

ρ – плотность воздуха.

- изменение давления ∆p в элементарном слое ∆z, равное весу столбика воздуха высотой ∆z и площадью 1 см².

Атмосферное давление, как известно, в значительной степени зависит от температуры воздуха. Температурное поле атмосферы испытывает значительные колебания в пространстве (по горизонтали и вертикали) и времени. Причин таких колебаний множество. Основными из них являются неравномерный приток тепла от Солнца, неравномерность в распределении материков и океанов по поверхности Земли, воздушные и океанские течения и т. д. Следовательно, вслед за температурой атмосферное давление будет испытывать аналогичные колебания. Распределение атмосферного давления называют барическим полем. Как всякое скалярное поле его наиболее наглядно представляют в пространстве поверхностями равных значений – изобарическими поверхностями, а на плоскости– линиями равных значений – изобарами.

Поскольку, атмосферное давление, как известно, в значительной степени зависит от температуры воздуха, температурное поле атмосферы испытывает значительные колебания в пространстве (по горизонтали и вертикали) и времени. Причин таких колебаний множество. Основными из них являются неравномерный приток тепла от Солнца, неравномерность в распределении материков и океанов по поверхности Земли, воздушные и океанские течения и т. д. Следовательно, вслед за температурой атмосферное давление будет испытывать аналогичные колебания. Распределение атмосферного давления называют барическим полем. Как всякое скалярное поле его наиболее наглядно представляют в пространстве поверхностями равных значений – изобарическими поверхностями, а на плоскости– линиями равных значений – изобарами.

 

 

 

Учитывая сложный характер распределения атмосферного давления, легко представить, что вся толща атмосферы Земли пронизана семейством изобарических поверхностей. Эти поверхности пересекаются с уровенными поверхностями под очень малыми углами. Линии пересечения изобарических поверхностей с уровенными (например, с уровнем моря) образуют на последних изобары, т. е. линии равного давления. На синоптических картах изобары проводят через 5 или 4 гПа. Изобарические поверхности наклонены относительно уровенных поверхностей (в том числе и к уровню моря). Вследствие этого в разных своих точках изобарическая поверхность в каждый момент находится на различных высотах над уровнем моря.

Изменчивость барического поля во времени для практических целей характеризуют величиной барической тенденции – величиной изменения давления АР за последние 3 ч перед сроком наблюдения, т. е.

 

∆P = Ph - Ph,

где Рh и Рhо – значения атмосферного давления в 3 и 0 часов соответственно. Барическая тенденция имеет знак, величину и характеристику. Последняя показывает скорость и характер изменения давления.

Пространственную изменчивость барического поля наиболее удобно характеризовать барическими градиентами.

Барические градиенты. Изменчивость барического поля в трехмерном пространстве характеризуется пространственным барическим градиентом – вектором, показывающим степень изменения атмосферного давления в этом пространстве (рис. 5). По числовой величине барический градиент равен производной от давления по нормали к изобарической поверхности, т. е. изменению давления на единицу расстояния в том направлении, в котором давление убывает наиболее быстро, т. е. –.

На практике имеют дело не с пространственным барическим градиентом , а с его проекциями на вертикальную ось – вертикальным барическим градиентом G_z=–и горизонтальную (уровенную) поверхность – горизонтальным барическим градиентом G_r=-–(см. рис. 5).

Давление меняется с высотой гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении, и вертикальный барический градиент G_z в десятки тысяч раз больше горизонтального G_r. Единицами измерения вертикального градиента являются гПа/100 м, а горизонтального – гПа/град (иногда вместо одного градуса меридиана–111 км – берут 100 км).

Среднегодовая величина горизонтального барического градиента составляет 1–2 гПа/111 км. Но даже эта незначительная величина его вызывает среднее ускорение частиц воздуха 0,08 см/с², что соответствует скорости ветра 3–5 м/с через 2 ч после начала движения. В реальных условиях величина горизонтального барического градиента может значительно превышать среднее значение, особенно в циклонах – фронтальных и тропических.

Величина, обратная барическому градиенту. Называется барической ступенью. Это высота, на которую достаточно подняться (опуститься) для того, чтобы давление уменьшилось (увеличилось) на 1 гПа. Барической ступенью пользуются для приведения давления к уровню моря в случае небольших высот и вычисляют по формуле

 

n = (1 + άt)

При тех же условиях она составляет 8 м/гПа. Барический градиент и барическая ступень не являются константами. Они зависят от температуры и давления. Барический градиент с высотой становится все меньше, а барическая ступень все больше. При прочих равных условиях в холодном воздухе давление падает быстрее, чем в теплом, в сухом быстрее, чем во влажном.

Поскольку давление очень сильно зависит от высоты места (рис.), оно при метеорологических наблюдениях приводится к единому уровню, за который принимается условный уровень моря. Делается это на метеорологических станциях очень точно, по барометрическим формулам. Учитывается влажность воздуха и зависимость ускорения свободного падения g от широты φ и высоты z. На судне это можно сделать лишь приблизительно. За уровень моря принимается уровень моря в данном месте. Используется барическая ступень и принимается равной 8 м/гПа или 10 м/мм.рт.ст.