Барический градиент и барическая ступень

Атмосферное давление

Всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки, то есть действует на эти стенки с какой-то силой давления, направленной нормально к этой стенке. Числовую величину этой силы, отнесенную к единице площади, в физике называют давлением. Это положение относится и к атмосферному воздуху, не ограниченному стенками вмещающего сосуда. Применительно к атмосферному воздуху это положение предполагает, что в каждой точке атмосферы имеется определенная величина давления воздуха или атмосферного давления. На уровне моря атмосферное давление близко к одному килограмму на квадратный сантиметр, но в метеорологии давление воздуха выражают в миллиметрах ртутного столба, в миллибарах или гектопаскалях. Старая единица измерения атмосферного давления – миллиметры ртутного столба означает, что давление атмосферы сравнивают с эквивалентным ему давлением столбика ртути и выражают в высоте этого столбика, измеренной в мм. Выбор этой единицы измерения был связан с устройством прибора для измерения давления - ртутного барометра. Установлено, что на уровне моря на широте 45⁰ среднее атмосферное давление близко к 760 мм рт. ст. Это значение принято за нормальное давление атмосферного воздуха.

С переходом к Международной системе единиц измерений СИ в метеорологии атмосферное давление стали выражать в абсолютных единицах - миллибарах (мб). Один мб - это давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в 1 см². Среднее атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт. ст. близко к 1013 мб, а 750 мм рт. ст. эквивалентно 1000 мб. Таким образом, для перехода от величины давления в мм рт. ст. к величине в мб нужно давление в мм рт. ст. умножить на 4/3, для обратного перехода нужно ввести множитель 3/4. Для расчетов в метеорологии используют также гектопаскаль (гПА). 1 гПА равен 10³ мб.

С высотой атмосферное давление быстро падает, при этом разность давлений на нижней и верхней границах рассматриваемого объема воздуха равна весу воздуха в этом объеме. Величину падения давления на единицу прироста высоты называют вертикальным барическим градиентом. Вертикальный барический градиент измеряется обычно в гПа / 100 м.

При нормальных условиях газы, входящие в состав атмосферы, мало отличаются по своему поведению от идеального газа. Поэтому для реальной атмосферы справедлива формула, представляющая собой уравнение состояния идеального газа:

Р = nкТ, (49)

где Р — давление газа; п — концентрация частиц; к — постоянная Больцмана; Т —температура.

Распределение давления в атмосфере по высоте Н описывается так называемой «барометрической формулой»:

Р_н = Р₀ ехр(-р_оgН/Р₀), (50)

где р₀ и Р_о — плотность и давление при Н = 0 (т. е. на уровне моря), причем Р_о — 101,3 кПа; g —- ускорение силы тяжести.

Если выражать высоту в километрах, то барометрическую фор­мулу удобно представить (принимая Т = 273 К) в следующем виде:

Р_Н=Р_оехр(-Н/7,99). (51)

Кроме барического градиента, важную роль для понимания процессов, происходящих в атмосфере, имеет барическая ступень- прирост высоты, при которой атмосферное давление меняется на единицу. Барическая ступень прямо пропорциональна температуре воздуха, причем при одном и том же давлении барическая ступень больше при более высокой температуре, чем при более низкой. Установлено, что при температуре 0⁰С и давлении 1000 мб, барическая ступень равна 8 м/мб. С приростом температуры, барическая ступень растет на 0,4% на каждый градус.

Из положения о барической ступени следует важный вывод: в теплом воздухе, где барическая ступень больше, давление падает с высотой медленнее, чем в холодном воздухе. Поэтому на определенной высоте давление в холодном и теплом воздухе становится неодинаковым, и теплые области в атмосфере являются областями высокого давления, а холодные - областями низкого давления.

Дата добавления: 2015-04-30