| Атмосферное давление | |
|---|---|
 |
|
| Размерность | L−1MT−2 |
| Единицы измерения | |
| СИ | Па |
| СГС | дин·см-2 |
| Примечания | |
| скаляр |
Атмосфе́рное давле́ние — давление атмосферы, действующее на все находящиеся в ней предметы и на земную поверхность, равное модулю силы, действующей в атмосфере, на единицу площади поверхности по нормали к ней[1]. В покоящейся стационарной атмосфере давление равно отношению веса вышележащего столба воздуха к площади его поперечного сечения. Атмосферное давление является одним из термодинамических параметров состояния атмосферы, оно изменяется в зависимости от места и времени[2]. Давление — величина скалярная, имеющая размерность L−1MT−2, измеряется барометром.
Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (русское обозначение: Па; международное: Pa). Кроме того, в Российской Федерации в качестве внесистемных единиц давления допущены к использованию бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, метр водяного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр и атмосфера техническая[3]. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением (101 325 Па)[2].
История[править | править код]
Традиционно считалось, что всасывающие насосы работают из-за того, что «природа боится пустоты». Но голландец Исаак Бекман в тезисах своей докторской диссертации, защищенной им в 1618 году, утверждал: «Вода, поднимаемая всасыванием, не притягивается силою пустоты, но гонима в пустое место налегающим воздухом» (Aqua suctu sublata non attrahitur vi vacui, sed ab aere incumbentein locum vacuum impellitur).
В 1630 году генуэзский физик Балиани написал письмо Галилею о неудачной попытке устроить сифон для подъема воды на холм высотою примерно 21 метр. В другом письме Галилею (от 24 октября 1630 года) Балиани предположил, что подъем воды в трубе обусловлен давлением воздуха.
Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами — вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжёлым веществом — ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли, привели к тому, что в 1643 году он доказал, что воздух имеет вес[5]. Совместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя первый ртутный барометр — стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.
Изменчивость и влияние на погоду[править | править код]
На земной поверхности атмосферное давление изменяется время от времени и от места к месту. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 — 816 мм рт. ст.[6] (в центральной части смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба)[7].
На картах атмосферное давление изображается с помощью изобар — изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря[8].
Атмосферное давление — очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.
-
1 Па = 0,0075 мм рт. ст., или 1 мм рт. ст. = 133,3 Па
Стандартное давление[править | править код]
В химии стандартным атмосферным давлением с 1983 года по рекомендации IUPAC считается давление, равное 100 кПа[9].
Атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышестоящего столба воздуха с единичным сечением.
В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1,01325 бар (1013,25 мбар) или 101 325 Па в Международной системе единиц (СИ).
Барическая ступень[править | править код]
Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется «барической (барометрической) ступенью». Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например, для оценки давления по известной разности высот. Считая, что атмосфера не испытывает существенного вертикального ускорения (то есть находится в квазистатическом состоянии), из основного закона статики получаем, что барическая ступень 
равна:
При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа, нужно подняться на 8 метров.
С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, — вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.
Изменения давления с высотой[править | править код]
Изменение давления с высотой.
С высотой атмосферное давление уменьшается. Например, горная болезнь начинается на высоте около 2-3 км, а атмосферное давление на вершине Эвереста составляет примерно 1/4 от показателя на уровне моря.
В стационарных условиях атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается барометрической формулой[10].
Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой:
где: 
— давление, 
— ускорение свободного падения, 
— плотность воздуха, 
— толщина слоя. Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты (
) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Так как плотность газа зависит от его давления, основное уравнение статики справедливо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха , в котором плотность воздуха почти не изменяется. На практике оно применимо, когда изменение высоты достаточно мало по отношению к приблизительной толщине атмосферы.
Приведение к уровню моря[править | править код]
Многие метеостанции рассылают так называемые «синоптические телеграммы», в которых указывается давление, приведённое к уровню моря (см. КН-01, METAR). Это делается для того, чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, а также для нужд авиации. Приведённое давление используется также и на синоптических картах.
При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа:
То есть, зная давление и температуру на уровне 
, можно найти давление 
на уровне моря 
.
Вычисление давления на высоте по давлению на уровне моря 
и температуре воздуха 
:
где — давление Па на уровне моря [Па];
— молярная масса сухого воздуха, M = 0,029 кг/моль;
— ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;
— универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль·К;
— абсолютная температура воздуха, К, 
, где 
— температура Цельсия, выражаемая в градусах Цельсия (обозначение: °C);
— высота, м.
На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт. ст. На больших высотах эта закономерность нарушается[5].
Более простые расчёты (без учёта температуры) дают:
где — высота в километрах.
Измерения и расчёт показывают в полном согласии, что при подъёме над уровнем моря на каждый километр давление будет падать на 0,1 долю; то же самое относится и к спуску в глубокие шахты под уровень моря — при опускании на один километр давление будет возрастать на 0,1 своего значения.
Речь идёт об изменении на 0,1 от значения на предыдущей высоте. Это значит, что при подъёме на один километр давление уменьшается до 0,9 (точнее 0,87[прим 1]) от давления на уровне моря.
В ещё более грубом приближении, двукратному изменению давления соответствует изменение высоты на каждые пять километров.
В прогнозах погоды и сводках, распространяемых для населения через интернет и по радио, используется неприведённое давление, то есть, фактическое давление на уровне местности.
См. также[править | править код]
Видеоурок: атмосферное давление
- Фактическая погода
- Атмосфера
- Разгерметизация
Примечания[править | править код]
Источники[править | править код]
- ↑ Давление Архивная копия от 20 декабря 2016 на Wayback Machine // Метеорологический словарь
- ↑ 1 2 Атмосферное давление // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации Архивная копия от 2 ноября 2013 на Wayback Machine Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. N 879.
- ↑ Перышкин А. В. Измерение атмосферного давления. Опыт Отто Герике // Физика. 7 класс / Е. Н Тихонова. — 16-е изд. — М.: Дрофа, 2013. — С. 190. — 189 с.
- ↑ 1 2 Атмосферное давление. Класс!ная физика. Дата обращения: 9 июня 2015. Архивировано 16 марта 2015 года.
- ↑ Метеочувствительность: что это такое и как с ней бороться. РИА Новости. Дата обращения: 9 июня 2015. Архивировано 18 августа 2013 года.
- ↑ Смерч. pogoda.by. Дата обращения: 7 июня 2015. Архивировано 25 апреля 2015 года.
- ↑ Изобары (в физике) // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- ↑ Standard pressure (англ.). IUPAC. Дата обращения: 18 августа 2013. Архивировано 18 августа 2013 года.
- ↑ Барометрическая формула // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
Сноски[править | править код]
- ↑ Формула предполагает температуру одинаковой на всех высотах. На самом же деле температура атмосферы меняется с высотой по довольно сложному закону. Тем не менее формула даёт неплохие результаты, и на высотах до 50-100 километров ею можно пользоваться. Так, нетрудно определить, что на высоте Эльбруса — около 5,6 км — давление упадёт примерно вдвое, а на высоте 22 км (рекордная высота подъёма стратостата с людьми) давление упадёт до 50 мм рт. ст.
Литература[править | править код]
- Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — 2 изд. — М., 1958.
- Бургесс Э. К границам пространства, пер. с англ.. — М.: Изд. иностранной литературы, 1957. — 223 с.
Ссылки[править | править код]
Медиафайлы по теме Атмосферное давление на Викискладе- Атмосферное давление // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- График изменения атмосферного давления при изменении высоты
Медиафайлы по теме Атмосферное давление на ВикискладеFrom Wikipedia, the free encyclopedia
“Air pressure” redirects here. For the pressure of air in other systems, see Pressure.
Atmospheric pressure, also known as barometric pressure (after the barometer), is the pressure within the atmosphere of Earth. The standard atmosphere (symbol: atm) is a unit of pressure defined as 101,325 Pa (1,013.25 hPa), which is equivalent to 1,013.25 millibars,[1] 760 mm Hg, 29.9212 inches Hg, or 14.696 psi.[2] The atm unit is roughly equivalent to the mean sea-level atmospheric pressure on Earth; that is, the Earth’s atmospheric pressure at sea level is approximately 1 atm.
In most circumstances, atmospheric pressure is closely approximated by the hydrostatic pressure caused by the weight of air above the measurement point. As elevation increases, there is less overlying atmospheric mass, so atmospheric pressure decreases with increasing elevation. Because the atmosphere is thin relative to the Earth’s radius—especially the dense atmospheric layer at low altitudes—the Earth’s gravitational acceleration as a function of altitude can be approximated as constant and contributes little to this fall-off. Pressure measures force per unit area, with SI units of pascals (1 pascal = 1 newton per square metre, 1 N/m2). On average, a column of air with a cross-sectional area of 1 square centimetre (cm2), measured from the mean (average) sea level to the top of Earth’s atmosphere, has a mass of about 1.03 kilogram and exerts a force or “weight” of about 10.1 newtons, resulting in a pressure of 10.1 N/cm2 or 101 kN/m2 (101 kilopascals, kPa). A column of air with a cross-sectional area of 1 in2 would have a weight of about 14.7 lbf, resulting in a pressure of 14.7 lbf/in2.
Mechanism[edit]
Atmospheric pressure is caused by the gravitational attraction of the planet on the atmospheric gases above the surface and is a function of the mass of the planet, the radius of the surface, and the amount and composition of the gases and their vertical distribution in the atmosphere.[3][4] It is modified by the planetary rotation and local effects such as wind velocity, density variations due to temperature and variations in composition.[5]
Mean sea-level pressure[edit]
Map showing atmospheric pressure in mbar or hPa
15-year average mean sea-level pressure for June, July, and August (top) and December, January, and February (bottom). ERA-15 re-analysis.
The mean sea-level pressure (MSLP) is the atmospheric pressure at mean sea level (PMSL). This is the atmospheric pressure normally given in weather reports on radio, television, and newspapers or on the Internet. When barometers in the home are set to match the local weather reports, they display pressure adjusted to sea level, not the actual local atmospheric pressure.
The altimeter setting in aviation is an atmospheric pressure adjustment.
Average sea-level pressure is 1,013.25 hPa (29.921 inHg; 760.00 mmHg). In aviation weather reports (METAR), QNH is transmitted around the world in hectopascals or millibars (1 hectopascal = 1 millibar), except in the United States, Canada, and Japan where it is reported in inches of mercury (to two decimal places). The United States and Canada also report sea-level pressure SLP, which is adjusted to sea level by a different method, in the remarks section, not in the internationally transmitted part of the code, in hectopascals or millibars.[6] However, in Canada’s public weather reports, sea level pressure is instead reported in kilopascals.[7]
In the US weather code remarks, three digits are all that are transmitted; decimal points and the one or two most significant digits are omitted: 1,013.2 hPa (14.695 psi) is transmitted as 132; 1,000 hPa (100 kPa) is transmitted as 000; 998.7 hPa is transmitted as 987; etc. The highest sea-level pressure on Earth occurs in Siberia, where the Siberian High often attains a sea-level pressure above 1,050 hPa (15.2 psi; 31 inHg), with record highs close to 1,085 hPa (15.74 psi; 32.0 inHg). The lowest measurable sea-level pressure is found at the centres of tropical cyclones and tornadoes, with a record low of 870 hPa (12.6 psi; 26 inHg).
Surface pressure [edit]
Surface pressure is the atmospheric pressure at a location on Earth’s surface (terrain and oceans). It is directly proportional to the mass of air over that location.
For numerical reasons, atmospheric models such as general circulation models (GCMs) usually predict the nondimensional logarithm of surface pressure.
The average value of surface pressure on Earth is 985 hPa.[8] This is in contrast to mean sea-level pressure, which involves the extrapolation of pressure to sea level for locations above or below sea level. The average pressure at mean sea level (MSL) in the International Standard Atmosphere (ISA) is 1,013.25 hPa, or 1 atmosphere (atm), or 29.92 inches of mercury.
Pressure (P), mass (m), and acceleration due to gravity (g) are related by P = F/A = (m*g)/A, where A is the surface area. Atmospheric pressure is thus proportional to the weight per unit area of the atmospheric mass above that location.
Altitude variation[edit]
Variation in atmospheric pressure with altitude, computed for 15 °C and 0% relative humidity.
This plastic bottle was sealed at approximately 4,300 metres (14,000 ft) altitude, and was crushed by the increase in atmospheric pressure, recorded at 2,700 metres (9,000 ft) and 300 metres (1,000 ft), as it was brought down towards sea level.
Pressure on Earth varies with the altitude of the surface, so air pressure on mountains is usually lower than air pressure at sea level. Pressure varies smoothly from the Earth’s surface to the top of the mesosphere. Although the pressure changes with the weather, NASA has averaged the conditions for all parts of the earth year-round. As altitude increases, atmospheric pressure decreases. One can calculate the atmospheric pressure at a given altitude.[9] Temperature and humidity also affect the atmospheric pressure. Pressure is proportional to temperature and inversely proportional to humidity. And it is necessary to know both of these to compute an accurate figure. The graph on the rightabove was developed for a temperature of 15 °C and a relative humidity of 0%.
At low altitudes above sea level, the pressure decreases by about 1.2 kPa (12 hPa) for every 100 metres. For higher altitudes within the troposphere, the following equation (the barometric formula) relates atmospheric pressure p to altitude h:
. The values in these equations are:
| Parameter | Description | Value |
|---|---|---|
| h | Height above mean sea level | m |
| p0 | Sea level standard atmospheric pressure | 101,325 Pa |
| L | Temperature lapse rate, = g/cp for dry air | ~ 0.00976 K/m |
| cp | Constant-pressure specific heat | 1,004.68506 J/(kg·K) |
| T0 | Sea level standard temperature | 288.16 K |
| g | Earth-surface gravitational acceleration | 9.80665 m/s2 |
| M | Molar mass of dry air | 0.02896968 kg/mol |
| R0 | Universal gas constant | 8.314462618 J/(mol·K) |
Local variation[edit]
Hurricane Wilma on 19 October 2005. The pressure in the eye of the storm was 882 hPa (12.79 psi) at the time the image was taken.
Atmospheric pressure varies widely on Earth, and these changes are important in studying weather and climate. Atmospheric pressure shows a diurnal or semidiurnal (twice-daily) cycle caused by global atmospheric tides. This effect is strongest in tropical zones, with an amplitude of a few hectopascals, and almost zero in polar areas. These variations have two superimposed cycles, a circadian (24 h) cycle, and a semi-circadian (12 h) cycle.
Records[edit]
The highest adjusted-to-sea level barometric pressure ever recorded on Earth (above 750 meters) was 1,084.8 hPa (32.03 inHg) measured in Tosontsengel, Mongolia on 19 December 2001.[10] The highest adjusted-to-sea level barometric pressure ever recorded (below 750 meters) was at Agata in Evenk Autonomous Okrug, Russia (66°53′ N, 93°28′ E, elevation: 261 m, 856 ft) on 31 December 1968 of 1,083.8 hPa (32.005 inHg).[11] The discrimination is due to the problematic assumptions (assuming a standard lapse rate) associated with reduction of sea level from high elevations.[10]
The Dead Sea, the lowest place on Earth at 430 metres (1,410 ft) below sea level, has a correspondingly high typical atmospheric pressure of 1,065 hPa.[12] A below-sea-level surface pressure record of 1,081.8 hPa (31.95 inHg) was set on 21 February 1961.[13]
The lowest non-tornadic atmospheric pressure ever measured was 870 hPa (0.858 atm; 25.69 inHg), set on 12 October 1979, during Typhoon Tip in the western Pacific Ocean. The measurement was based on an instrumental observation made from a reconnaissance aircraft.[14]
Measurement based on the depth of water[edit]
One atmosphere (101.325 kPa or 14.7 psi) is also the pressure caused by the weight of a column of freshwater of approximately 10.3 m (33.8 ft). Thus, a diver 10.3 m underwater experiences a pressure of about 2 atmospheres (1 atm of air plus 1 atm of water). Conversely, 10.3 m is the maximum height to which water can be raised using suction under standard atmospheric conditions.
Low pressures, such as natural gas lines, are sometimes specified in inches of water, typically written as w.c. (water column) gauge or w.g. (inches water) gauge. A typical gas-using residential appliance in the US is rated for a maximum of 1⁄2 psi (3.4 kPa; 34 mbar), which is approximately 14 w.g. Similar metric units with a wide variety of names and notation based on millimetres, centimetres or metres are now less commonly used.
Boiling point of liquids[edit]
Pure water boils at 100 °C (212 °F) at earth’s standard atmospheric pressure. The boiling point is the temperature at which the vapour pressure is equal to the atmospheric pressure around the liquid.[15] Because of this, the boiling point of liquids is lower at lower pressure and higher at higher pressure. Cooking at high elevations, therefore, requires adjustments to recipes[16] or pressure cooking. A rough approximation of elevation can be obtained by measuring the temperature at which water boils; in the mid-19th century, this method was used by explorers.[17] Conversely, if one wishes to evaporate a liquid at a lower temperature, for example in distillation, the atmospheric pressure may be lowered by using a vacuum pump, as in a rotary evaporator.
Measurement and maps[edit]
An important application of the knowledge that atmospheric pressure varies directly with altitude was in determining the height of hills and mountains, thanks to reliable pressure measurement devices. In 1774, Maskelyne was confirming Newton’s theory of gravitation at and on Schiehallion mountain in Scotland, and he needed to measure elevations on the mountain’s sides accurately. William Roy, using barometric pressure, was able to confirm Maskelyne’s height determinations, the agreement being to be within one meter (3.28 feet). This method became and continues to be useful for survey work and map making.[18]
See also[edit]
- Atmospheric density – Mass per unit volume of earths atmosphere
- Atmosphere of Earth – Gas layer surrounding Earth
- Barometric formula – Formula used to model how air pressure varies with altitude
- Barotrauma – Injury caused by pressure – physical damage to body tissues caused by a difference in pressure between an air space inside or beside the body and the surrounding gas or liquid.
- Cabin pressurization – Process to maintain internal air pressure in aircraft
- Cavitation – Low-pressure voids formed in liquids
- Collapsing can – an aluminium can is crushed by the atmospheric pressure surrounding it
- Effects of high altitude on humans – Environmental effects on physiology
- High-pressure area – In meteorology, an anticyclone
- International Standard Atmosphere – Atmospheric model, a tabulation of typical variations of principal thermodynamic variables of the atmosphere (pressure, density, temperature, etc.) with altitude, at middle latitudes.
- Low-pressure area – Area with air pressures lower than adjacent areas
- Meteorology – Interdisciplinary scientific study of the atmosphere focusing on weather forecasting
- NRLMSISE-00, an empirical, global reference atmospheric model of the Earth from ground to space
- Plenum chamber – Chamber containing a fluid under pressure
- Pressure – Force distributed over an area
- Pressure measurement – Analysis of force applied by a fluid on a surface
- Standard atmosphere (unit) – Unit of pressure defined as 101325 Pa
- Horse latitudes – Latitudes 30–35 degrees north and south of the Equator
References[edit]
- ^ “Statement (2001)”. BIPM. Retrieved 2022-03-19.
- ^ International Civil Aviation Organization. Manual of the ICAO Standard Atmosphere, Doc 7488-CD, Third Edition, 1993. ISBN 92-9194-004-6.
- ^ “atmospheric pressure (encyclopedic entry)”. National Geographic. Archived from the original on 28 February 2018. Retrieved 28 February 2018.
- ^ “Q & A: Pressure – Gravity Matters?”. Department of Physics. University of Illinois Urbana-Champaign. Archived from the original on 28 February 2018. Retrieved 28 February 2018.
- ^ Jacob, Daniel J. (1999). Introduction to Atmospheric Chemistry. Princeton University Press. ISBN 9780691001852. Archived from the original on 2021-10-01. Retrieved 2020-10-15.
- ^ Sample METAR of CYVR Archived 2019-05-25 at the Wayback Machine Nav Canada
- ^ Montreal Current Weather, CBC Montreal, Canada, archived from the original on 2014-03-30, retrieved 2014-03-30
- ^ Jacob, Daniel J. Introduction to Atmospheric Chemistry Archived 2020-07-25 at the Wayback Machine. Princeton University Press, 1999.
- ^ A quick derivation relating altitude to air pressure Archived 2011-09-28 at the Wayback Machine by Portland State Aerospace Society, 2004, accessed 05032011
- ^ a b World: Highest Sea Level Air Pressure Above 750 m, Wmo.asu.edu, 2001-12-19, archived from the original on 2012-10-17, retrieved 2013-04-15
- ^ World: Highest Sea Level Air Pressure Below 750 m, Wmo.asu.edu, 1968-12-31, archived from the original on 2013-05-14, retrieved 2013-04-15
- ^ Kramer, MR; Springer C; Berkman N; Glazer M; Bublil M; Bar-Yishay E; Godfrey S (March 1998). “Rehabilitation of hypoxemic patients with COPD at low altitude at the Dead Sea, the lowest place on earth” (PDF). Chest. 113 (3): 571–575. doi:10.1378/chest.113.3.571. PMID 9515826. Archived from the original (PDF) on 2013-10-29.
- ^ Court, Arnold (1969). “Improbable Pressure Extreme: 1070 Mb”. Bulletin of the American Meteorological Society. 50 (4): 248–50. JSTOR 26252600.
- ^ Chris Landsea (2010-04-21). “Subject: E1), Which is the most intense tropical cyclone on record?”. Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory. Archived from the original on 6 December 2010. Retrieved 2010-11-23.
- ^ Vapour Pressure, Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, archived from the original on 2017-09-14, retrieved 2012-10-17
- ^ High Altitude Cooking, Crisco.com, 2010-09-30, archived from the original on 2012-09-07, retrieved 2012-10-17
- ^ Berberan-Santos, M. N.; Bodunov, E. N.; Pogliani, L. (1997). “On the barometric formula”. American Journal of Physics. 65 (5): 404–412. Bibcode:1997AmJPh..65..404B. doi:10.1119/1.18555.
- ^ Hewitt, Rachel, Map of a Nation – a Biography of the Ordnance Survey ISBN 1-84708-098-7
External links[edit]
- 1976 Standard Atmosphere from NASA
- Source code and equations for the 1976 Standard Atmosphere
- A mathematical model of the 1976 U.S. Standard Atmosphere
- Calculator using multiple units and properties for the 1976 Standard Atmosphere
- Calculator giving standard air pressure at a specified altitude, or altitude at which a pressure would be standard
- Current map of global mean sea-level pressure
- Calculate pressure from altitude and vice versa
Experiments[edit]
- Movies on atmospheric pressure experiments from Georgia State University’s HyperPhysics website – requires QuickTime
- Test showing a can being crushed after boiling water inside it, then moving it into a tub of ice-cold water.
Содержание:
Атмосферное давление и его измерение:
Нашу планету Земля окружает мощная газовая оболочка, которую называют атмосферой ( от греческих слов атмос – пар и сфера — шар).
Исследования околоземного пространства с помощью искусственных спутников Земли показали, что её атмосфера простирается на тысячу и более километров в высоту. Резкой границы она не имеет. Её верхние пласты очень разрежены и постепенно переходят в безвоздушное межпланетное пространство (вакуум). С уменьшением высоты плотность воздуха возрастает. Почти 80 % всей массы воздушной оболочки Земли сосредоточены в пределах 15 км над Землей. Опытами установлено, что при температуре 0 0С масса 1 м3 воздуха на уровне моря равна 1,29 кг. На воздушные слои действует сила тяжести, поэтому верхние слои давят на средние, а средние — на нижние. Наибольшее давление, обусловленное весом всей атмосферы, испытывает поверхность Земли, а также все находящиеся на ней тела.
Давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней тела, а также на земную поверхность, называют атмосферным давлением.
Выясним, насколько велико это давление.
Формула гидростатического давления 
При этом высота столба ртути в трубке составляла приблизительно 760 мм.
Результаты этого опыта Торричелли объяснил так: «До сих пор существовала мысль, будто сила, которая не даёт возможности ртути, вопреки её естественному свойству, падать вниз, содержится внутри верхней части трубки, т. е. – или в пустоте, или в разрежённом веществе. Однако я утверждаю, что эта сила — внешняя и что сила берётся снаружи. На поверхность жидкости, находящейся в сосуде, действуют своей тяжестью 50 миль воздуха. Что же странного, если ртуть… поднимается настолько, чтобы уравновесить тяжесть внешнего воздуха».
Итак, атмосферное давление согласно закону Паскаля равно давлению столба ртути в трубке: ратм = р ртути
Если бы эти давления не были равны, то ртуть не находилась бы в равновесии: при увеличении давления ртути она выливалась бы из трубки в сосуд, а при уменьшении — поднималась бы по трубке вверх.
Итак, давление атмосферы можно измерить высотой соответствующего ртутного столба. Его высоту обычно измеряют в миллиметрах.
Если, например, говорят, что в некотором месте атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., то это означает, что воздух в этом месте создаёт такое же давление, что и вертикальный столб ртути высотой 760 мм.
Чтобы определить это давление в паскалях, воспользуемся формулой гидростатичного давления: 
. Подставляя в эту формулу значения
= 13 595,10 
(плотность ртути при 0°С),
= 9,81 
и 
= 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути), получим такое значение нормального атмосферного давления: р =101 325 Па.
Давление атмосферы, которое равно давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре О 0С, называют нормальным атмосферним давлением.
Единицами атмосферного давления являются 1 мм рт. ст., один паскаль (1 Па) и один гектопаскаль (1 гПа), между ними существуют такие соотношения:
Об опытах Торричелли узнал французский учёный Блез Паскаль. Он повторил их с разными жидкостями (маслом, вином и водой). Столб воды, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути.
Однако Паскаль считал, что для окончательного доказательства факта существования атмосферного давления нужен ещё один решающий опыт. Для этого он выполнил опыт Торричелли сначала у подножия горы, а потом — на её вершине. Результаты удивили всех присутствующих. Давление воздуха на вершине горы было почти на 100 мм рт. ст. меньше, чем у подножия. Этим было доказано, что ртуть в трубке в самом деле поддерживается атмосферным давлением.
Если измерить атмосферное давление на разных высотах, то получим такие результаты.
Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, можно заметить, что она изменяется: то увеличивается, то уменьшается. Существованием атмосферного давления можно объяснить много явлений. На рисунке 114 изображена стеклянная трубка, внутри которой имеется поршень, плотно прилегающий к её стенкам. Конец трубки опущен в воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода. Между поршнем и водой вследствие поднятия поршня образуется безвоздушное пространство, в котором нет давления атмосферы. В это пространство под давлением внешнего воздуха и входит за поршнем вода. Данное явление используют в работе шприца, водяного насоса.
Опыт 1. Возьмём цилиндрический сосуд, закрытый пробкой, через которую пропущена трубку с краном Выкачаем из неё воздух, закроем кран, трубку опустим в воду и откроем кран. Поскольку атмосферное давление больше давления в сосуде, то под его действием вода будет бить фонтаном внутри сосуда (рис. 115).
Опыт 2. Нальём в стакан воды и накроем его листом бумаги, немного большим диаметра стакана. Держа стакан за нижнюю часть, прижмём бумагу к краям стакана ладонью и перевернём его кверху дном, убрав затем руку от бумаги (рис. 116).
Удивительно, но вода будет удерживаться в стакане и листок останется на месте — почему? Дело в том, что давление атмосферы на бумагу больше, чем давление столба воды в стакане.
Наблюдение. Влияние атмосферного давления весьма заметно проявляется во время ходьбы по вязкой почве (засасывающее действие трясины). При подъёме ноги под ней образуется разрежённое пространство, и вследствие присасывания нога тянет за собой тяжёлую трясину (как поршень — жидкость в насосе).
Благодаря давлению атмосферного воздуха работают присоски для крепления предметов на гладких плоских поверхностях. Если вытеснить воздух под присоской, то она прижмётся силой давления атмосферы, и чтобы её оторвать, нужно приложить довольно большое усилие (рис. 117).
Результаты простых вычислений показывают, что сила давления атмосферы на поверхность обычной тетради равна 3000 Н. Почему же вы так легко можете поднять тетрадь? Дело в том, что силы давления воздуха зверху и снизу тетради уравновешиваются, и при подъёме вам приходится преодолевать лишь вес самой тетради.
Для измерения атмосферного давления используют ртутный барометр, барометр-анероид и барограф.
Если трубку, подобную той, что использовал в своём опыте Торричелли, снабдить шкалой, то получим простейший прибор для измерения атмосферного давления — ртутный барометр (от греческих слов барос – вес, тяжесть; метрео — измеряю) (рис. 118).
Барометр-анероид (от греческих слов: барос, метрео, анероид) изображён на рисунке 119. Основная часть прибора — круглые гофрированные металлические коробочки, соединённые между собой. Внутри коробок создано разряжение (давление в коробках ниже атмосферного). С увеличением атмосферного давления коробки сжимаются и тянут прикреплённую к ним пружину. Перемещение конца пружины через специальные устройства передаётся стрелке, а её указатель движется вдоль шкалы. Против штрихов шкалы нанесены значения атмосферного давления. Например, если стрелка останавливается напротив отметки 750, то это значит, что атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. При уменьшении давления стенки коробочек расходятся, растяжение пружины уменьшается, и стрелка движется в сторону уменьшения значений давления.
Барометр-анероид — это один из основных приборов, который используют метеорологи для составления прогнозов погоды на ближайшие дни, так как её изменение зависит от изменения атмосферного давления.
Для автоматической и непрерывной записи изменений атмосферного давления используют барограф (от греческих слов барос; графо — пишу). Кроме металлических гофрированных коробочек в этом приборе есть механизм для движения бумажной ленты, на которой нанесены сетка значений давления и дни недели (рис. 120). По таким лентам можно выяснить, как изменялось атмосферное давление в течение любой недели.
Кстати:
Вывод о существовании атмосферного давления независимо от Э. Торричелли сделал немецкий физик Отто фон Герике (1602-1686). Откачивая воздух из тонкостенного металлического шара, от увидел, что шар сплющился. Анализируя причины сплющивания шара, он понял, что оно произошло под действием давления окружающей среды.
Открыв атмосферное давление. Герике построил перед фасадом своего дома в г. Магдебурге водяной барометр, в котором на поверхности жидкости плавала фигурка человека, указывающая на деления, нанесённые на стекле. • В 1654 г Герике, желая убедить всех в существовании атмосферного давления, выполнил знаменитый опыт с «магде-бургскими полушариями». На демонстрации опыта присутствовали члены Регенсбургского рейхстага и император Фердинанд III. В их присутствии из полости между двумя составленными вместе металлическими полушариями выкачали воздух. При этом силы атмосферного давления так крепко прижали эти полушария одно к другому, что их не смогли разъединить восемь пар лошадей (рис. 121).
В природе существует более 400 растений-барометров. Цветочный барометр можно найти и на огороде. Это маленькая ветвистая трава-мокрец. По её мелким белым цветкам можно предсказывать погоду в течение всего лета: если утром венчики не раскрываются – днем будет дождь.
- Заказать решение задач по физике
Атмосферное давление и опыт Торричелли
Атмосфера Земли — это смесь различных газов, удерживающихся возле планеты благодаря действию силы тяжести на их молекулы, которые одновременно и беспрерывно двигаются, создавая давление. Это давление называют атмосферным.
Доказать существование атмосферного давления можно при помощи простых опытов.
Какие последствия действия атмосферного давления
Если взять трубку с поршнем, опустить ее одним концом в сосуд с водой и поднимать поршень вверх, то вода будет подниматься вслед за поршнем (рис. 102). Это возможно только тогда, когда давление воды в сосуде будет больше, чем под поршнем. За счет весового давления вода не сможет подниматься, так как уровень воды под поршнем выше, чем в сосуде, а поэтому и его давление больше. Вода должна вылиться обратно в сосуд. Следовательно, на жидкость в сосуде действует дополнительное давление, значение которого больше давления жидкости столба воды под поршнем. Это давление создают молекулы атмосферного воздуха. Действуя на свободную поверхность воды, атмосферное давление согласно закону Паскаля передается во всех направлениях одинаково.
Так как под поршнем воздуха нет, то вода будет заходить в трубку под действием неуравновешенного давления.
Каково значение атмосферного давления
Значение атмосферного давления достаточно большое. Убедиться в этом можно на многих опытах.
Возьмем два полых полушария, имеющие хорошо отшлифованные поверхности сечений. В одной из них есть специальный штуцер с краном, через который можно откачивать воздух.
Подвесим к штативу одно из полушарий, присоединим к нему снизу другое и начнем откачивать насосом через кран воздух из полости. Нижнее полушарие крепко прижмется к верхнему. Это возможно только тогда, когда давление в полости шара будет меньше давления снаружи.
В результате действия воздушного насоса, который откачивает воздух, давление в полости полушарий уменьшится, а наружное давление останется без изменений. Поэтому нижнее полушарие плотно прижмется к верхнему. ЮЗ
О значении силы при некотором уменьшении давления в шаре можно судить по массе груза, который может удерживаться, если его подвесить к нижнему полушарию. Если же открыть кран и в полость шара зайдет воздух, то нижнее полушарие вместе с грузом отпадет.
Как начали исследовать атмосферное давление
Подобный опыт провел и описал в 1654 г. немецкий физик, бургомистр города Магдебург а Отто Герике.
Отто Герике (1602-1686) – немецкий физик, который экспериментально изучал атмосферное давление. С помощью «магдебургских полушарий» он продемонстрировал действие атмосферного давления. Изучал также электрические явления, объяснил природу трения. Сконструировал первую электрическую машину.
Это событие осталось в истории науки благодаря образной гравюре того времени (рис. 103).
В современном производстве используют множество приспособлений, основанных на действии атмосферного давления. Для расчетов результатов их работы нужно знать значение атмосферного давления.
Способ измерения атмосферного давления впервые предложил итальянский ученый Эванджелиста Торричелли.
Эванджелиста Торричелли (1608-1647) – итальянский ученый. Первым измерил атмосферное давление с помощью сконструированного им ртутного барометра. Доказал, что высота ртутного столба барометра равна примерно 
высоты водяного столба.
Он установил, что если закрытую с одной стороны трубку заполнить полностью ртутью, перевернуть ее и опустить в сосуд с ртутью, то выльется только часть этой ртути (рис. 104). Высота столба ртути в его опытах была примерно 760 мм. Результаты опыта дали возможность сделать вывод, что давление ртутного столба уравновешивается атмосферным давлением, которое действует на свободную поверхность ртути в сосуде. Атмосферное давление при таких условиях называют нормальным. С того времени в науку была введена единица измерения атмосферного давления – миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).
Как рассчитать атмосферное давление
Выразим значение давления столба ртути высотой 760 мм (нормальное) в системных единицах измерения давления паскалях. Из предыдущих параграфов известно, что давление жидкости рассчитывается по формуле:
Учитывая, что плотность ртути 
получаем
- Манометры в физике
- Барометры в физике
- Жидкостные насосы в физике
- Выталкивающая сила в физике
- Движение жидкостей и газов
- Гидравлические машины в физике
- Весовое давление жидкостей в физике
- Сообщающиеся ссуды в физике
Атмосферное давление и его измерение
- Опыт Торричелли
- Эксперименты Отто фон Герике
- Как взвесить воздух в школьной лаборатории?
- Измерение атмосферного давления с помощью барометров
- Атмосферное давление на различных высотах
- Задачи
п.1. Опыт Торричелли
История открытия атмосферного давления тесно связана с объяснением действия насосов.
Простейшие насосы были известны еще со времен Аристотеля, который утверждал, что вода поднимается за поршнем потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции в 1638 г. оказалось, что вода поднимается чуть выше 10 м в трубе высотой 12 м и останавливается, сколько бы её ни качали, не заполняя оставшуюся в трубе «пустоту».
Галилео Галилей, к которому обратись за помощью, предложил разобраться с этой проблемой своему ученику – Эванджелиста Торричелли. После серии опытов Торричелли пришел к выводу: вес водяного столба в трубе насоса поддерживается давлением воздуха, действующего на свободную поверхность воды в резервуаре.
Поскольку речь шла о столбе жидкости, возникла замечательная идея: плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды, следовательно, ртутный столб таким же весом будет в 13,6 раз короче и можно перейти от громоздких опытов на стройплощадке к лабораторным исследованиям.
 |
Для опыта понадобились: 1) стеклянная трубка длиной 1 м, запаянная с одного конца; 2) колба с ртутью; 3) широкая чашка. Описание опыта Торричелли: |
Заметим, что такое неосторожное обращение с опаснейшим веществом вызывает сегодня недоумение. Однако техника безопасности при работе с ртутью была в те времена не на высоте. Вероятно, именно из-за этих опытов Торричелли прожил всего 39 лет.
На основании полученных результатов Торричелли пришел к следующему выводу:
Давление столба ртути уравновешивает атмосферное давление на поверхность ртути в чашке: (p_text{ртути}=p_text{атм}). Поэтому, измеряя высоту ртутного столба, мы узнаем атмосферное давление.
| «Мы живем на дне воздушного океана».
Эванджелиста Торричелли (1608-1647), |
 |
Идеи о том, что планету окружает атмосфера, воздух имеет вес и оказывает давление на поверхность Земли, были достаточно смелыми, и понадобилось некоторое время, чтобы их приняли современники.
п.2. Эксперименты Отто фон Герике
В 1654 году Отто фон Герике провел в Магдебурге масштабный эксперимент для демонстрации силы давления воздуха и изобретенного им воздушного насоса.
Вот как сам Герике описывал этот опыт:
«Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургского локтя. К одному полушарию приделали кран, через который можно было выкачивать воздух с помощью воздушного насоса. К полушариям прикрепили кольца и продели в них канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел соединить полушария, чтобы образовался шар, и вложить между полушариями кожаное кольцо, пропитанное смесью воска со скипидаром, – оно не пропускало воздух внутрь полушарий.
Когда воздух из полушарий выкачали, давление наружного воздуха прижало их друг к другу так сильно, что 16 лошадей не могли разнять их. Но стоило поворотом крана открыть доступ воздуху внутрь полушарий – и их можно было разнять руками».
Опыт с магдебургскими полушариями стал убедительным доказательством существования, как атмосферы, так и вакуума – безвоздушной «пустоты» внутри полушарий.
В 1657 году Герике построил водяной барометр, с помощью которого в 1660 году предсказал надвигающуюся бурю за 2 часа до её появления. В 1663 году изобрел электростатический генератор, изучал свойства электричества, описал отталкивание одноименно заряженных предметов. Будучи сторонником гелиоцентрической системы, занимался также астрономией.
Герике был выдающимся ученым, инженером, мыслителем и общественным деятелем своей эпохи. Как ученый, он особо подчеркивал важность эксперимента для формирования научного знания.
| «Философы, которые держатся исключительно за свои умозрения и аргументы, оставляя в стороне опыт, никогда не могут прийти к достоверным и справедливым выводам относительно явлений внешнего мира, и мы видим немало примеров, что человеческий разум, когда он не обращает внимания на результаты, добытые опытом, оказывается от истины дальше, чем Земля от Солнца».
Отто фон Герике (1602-1686), |
 |
п.3. Как взвесить воздух в школьной лаборатории?
Опыты Торричелли и Герике являются доказательством того, что воздух имеет вес.
В школьной лаборатории, используя несложное оборудование, можно также взвесить воздух. Для этого понадобятся:
1) прочная стеклянная колба; 2) пробка с трубкой и зажимом; 3) насос; 4) весы
Вывод: Отклонение стрелки весов равно массе откачанного воздуха.
п.4. Измерение атмосферного давления с помощью барометров
Еще в XVII веке, измеряя атмосферное давление по высоте ртутного или водного столба, исследователи заметили, что оно не остается постоянным: перед хорошей погодой давление растет, а перед ненастьем – падает. Значит, по изменению атмосферного давления можно достаточно уверенно предсказывать погоду. В эпоху освоения новых океанов и континентов такое умение было бесценным для моряков и путешественников.
Так появились барометры – приборы для измерения атмосферного давления.
Жидкостные барометры
 |
Самые простые барометры – жидкостные, в которых давление измеряется высотой столба жидкости: $$ p_text{атм}=rho gh $$ Ртутный барометр с трубкой длиной 1 м и миллиметровой шкалой был предложен Торричелли. Носить такой прибор с собой затруднительно из-за его размеров, к тому же ртуть ядовита, а вероятность вытекания высока. Водные барометры в различных городах строили Герике, Паскаль и многие другие ученые; основным элементом этих приборов была труба длиной 11-12 м. Это были капитальные сооружения, пользоваться которыми можно было только на месте постройки. |
Барометры-анероиды
Электронные барометры
 |
В наше время широко применяются электронные барометры. В них может быть вмонтирована традиционная гофрированная коробка с дальнейшей обработкой деформаций с помощью микропроцессора. Выпускаются также электронные барометры без коробки с электронным датчиком давления.  Модуль измерения атмосферного давления на основе датчика BMP-280 от BOSCH (цена менее $2) Результаты измерений выводятся на экран прибора в мм рт.ст. или в гектопаскалях (показания красным цветом на приборе, представленном на рисунке – 1013,9 гПа). |
п.5. Атмосферное давление на различных высотах
Воздух имеет массу, следовательно, он имеет вес и оказывает давление на поверхность под ним. Плотность воздуха очень сильно зависит от его температуры и влажности, а также от высоты над уровнем моря.
Как известно, расстояние между молекулами газа в несколько раз больше размера молекул, поэтому газы хорошо сжимаются (см. §16 данного справочника). В результате слои атмосферы у поверхности Земли, сжатые всеми слоями, расположенными выше, имеют большую плотность. Чем больше плотность газа, тем чаще молекулы сталкиваются между собой и различными поверхностями, т.е. тем большее давление газ создаёт.
Получается, что давление атмосферы наибольшее у поверхности Земли и постепенно уменьшается с высотой.
Атмосферное давление на различных высотах над уровнем моря
У поверхности Земли на уровне моря плотность сухого воздуха при 15°С равна 1,2250 кг/м3.
Масса одного кубометра такого воздуха (m=1,2250 text{кг}), а его вес (P=mgapprox 12 text{Н}).
Давление столба воздуха высотой 1 м: (papprox 12 text{Па}).
Давление столба воздуха высотой 1 км без учета изменения плотности: (p_1approx 12 text{кПа}).
Давление столба воздуха всей атмосферы, измеренное на поверхности Земли: $$ p_text{атм}=101,3 text{кПа} $$
Можем оценить высоту этого столба, не учитывая изменение давления с высотой $$ h=frac{p_text{атм}}{rho g}=frac{101 300}{1,2250cdot 9,8}approx 8400 (text{м})=8,4 (text{км}) $$
Если мы поднимемся на 1 км вверх, давление уменьшится на $$ p_1approx 12 text{кПа}approx 90 text{мм рт.ст.} $$
Эта величина неточная, но она может использоваться для быстрой оценки уменьшения давления с ростом высоты.
С другой стороны, зная более точную зависимость давления от высоты, можно построить прибор, который будет измерять давление, а показывать высоту. Такие приборы называют высотомерами (альтиметрами). Их используют в авиации, космонавтике и для высокогорных экспедиций.
п.6. Задачи
Задача 1. Скольким паскалям равно атмосферное давление в 730 мм рт.ст.? Выразите это давление в гектопаскалях. Какую погоду можно прогнозировать при таком давлении: ясную или пасмурную?
Дано:
(h=730 text{мм}=0,73 text{м})
(rho=13600 text{кг/м}^3)
(g=9,8 text{м/с}^2)
__________________
(p-?)
begin{gather*} p=rho gh,\[7pt] p=13600cdot 9,8cdot 0,73=97294,4 (text{Па})approx (text{гПа}) end{gather*} Это – пониженное давление. Можно прогнозировать пасмурную погоду.
Ответ: 973 гПа; прогноз – пасмурная погода
Задача 2. В эксперименте Отто фон Герике использовались медные полушария диаметром 35 см. Определите, сколько лошадей могут разорвать эти полушария, если один конец закрепить неподвижно на стене, а лошади будут тянуть другой конец с силой тяги (800 text{Н}) каждая. Площадь поверхности шара радиусом (R) рассчитывается по формуле (S=4pi R^2). Давление атмосферы примите равным 760 мм рт.ст. Давление внутри шаров примите равным двум третям атмосферного (удавалось выкачать треть воздуха).
Сколько лошадей понадобится, если лошади будут тянуть с обеих сторон?
Дано:
(D=35 text{см}=0,35 text{м})
(F_0=800 text{Н})
(p=760 text{мм рт.ст.}=101300 text{Па})
(p_text{вн}=frac 23 p)
__________________
(N-?, N’-?)
Площадь поверхности шара через диаметр $$ S=4pi R^2=4picdotleft(frac D2right)^2=pi D^2 $$ Сила давления на шар, составленный из полушарий $$ F=(p-p_text{вн})S=left(p-frac 23 pright)S=frac 13pcdot pi D^2 $$ Если один конец закреплен, то понадобится (N=frac{F}{F_0}) лошадей $$ N=frac{pcdot pi D^2}{3F_0} $$ Получаем $$ N=frac{101300cdot picdot 0,35^2}{3cdot 800}approx 16 $$ Если лошади будут тянуть в оба конца, то их понадобится в 2 раза больше $$ N’=2N=32 $$ Таким образом, используя по 8 лошадей с каждой стороны, даже при несовершенных насосах и изоляции швов в XVII веке, Герике ничем не рисковал.
Ответ: 16; 32
Задача 3. Определите глубину шахты, если на ее дне барометр показывает давление 109 кПа, а на поверхности Земли – 104 кПа. Примите плотность воздуха равной 1,3 кг/м3, g≈10 м/с2.
Дано:
(p=109cdot 10^3 text{Па})
(p_0=104cdot 10^3 text{Па})
(rho=1,3 text{кг/м}^3)
(gapprox 10 text{м/с}^2)
__________________
(h-?)
Давление на дне равно сумме давления на поверхности и давления столба воздуха $$ p=p_0+rho gh $$ Высота столба воздуха begin{gather*} h=frac{p-p_0}{rho g} end{gather*} Получаем: $$ h=frac{(109-104)cdot 10^3}{1,3cdot 10}approx 385 (text{м}) $$ Ответ: 385 м
Задача 4. Какова высота небоскреба, если у его входа барометр показывает 760 мм рт.ст., а на крыше – 740 мм рт.ст. Примите плотность воздуха равной 1,29 кг/м3.
Дано:
(h_1=760 text{мм}=0,76 text{м})
(h_2=740 text{мм}=0,74 text{м})
(rho_text{рт}=13600 text{кг/м}^3)
(rho=1,29 text{кг/м}^3)
__________________
(H-?)
Давление на входе $$ p_1=rho_text{рт}gh_1, $$ давление на крыше $$ p_2=rho_text{рт}gh_2. $$ Давление на входе равно сумме давления на крыше и давления столба воздуха высотой (H). $$ p_1=p_2+rho gH $$ Высота небоскреба begin{gather*} H=frac{p_1-p_2}{rho g}=frac{rho_text{рт}gh_1-rho_text{рт}gh_2}{rho g}\[7pt] H=frac{rho_text{рт}}{rho}(h_1-h_2) end{gather*} Получаем $$ H=frac{13600}{1,29}(0,76-0,74)approx 211 (text{м}) $$ Ответ: 211 м
Задача 5*. В трубке, запаянной с верхнего конца, удерживается столбик ртути высотой 20 см. Атмосферное давление – 760 мм рт.ст. Каково давление воздуха в верхней части трубки? Выразите ответ в мм рт.ст. и гектопаскалях.
Примите g=9,8 м/c2
Дано:
(h=20 text{см}=0,2 text{м})
(h_0=760 text{мм}=76 text{см})
(rho=13600 text{кг/м}^3)
(g=9,8 text{м/с}^2)
__________________
(p-?)
Если бы в верхней части не было воздуха, то высота столбика ртути определялась бы атмосферным давлением и равнялась бы 760 мм = 76 см.
В данном случае давление атмосферы уравновешивается суммой давления столбика ртути и давления воздуха вверху $$ p_text{атм}=rho gh+p $$ Давление воздуха вверху $$ p=p_text{атм}-rho gh=rho gh_0-rho gh=rho g(h_0-h) $$ В миллиметрах ртутного столба $$ p=h_0-h=760-200=560 text{мм рт.ст.} $$ В гектопаскалях $$ p=13600cdot 9,8cdot 0,56=74636,8 (text{Па})approx 746 (text{гПа}) $$ Ответ: 560 мм рт.ст.; 746 гПа
С атмосферным давлением каждый хорошо знаком, как минимум, благодаря урокам физики и прогнозам погоды. Однако с научной точки зрения понятие давления, а также особенности его возникновения выглядят намного сложнее. Кроме того, интерес вызывают нюансы влияния давления на человека.
Что такое атмосферное давление?
Атмосферное давление – это давление газовой оболочки нашей планеты, атмосферы, которое действует на все имеющиеся в ней предметы, а также земную поверхность. Давление соответствует силе, которая действует в атмосфере на единицу площади.
Если говорить более простым языком, то это сила, с которой повсюду окружающий нас воздух воздействует на поверхность земли и объекты. Отслеживая изменения атмосферного давления, можно в совокупности с другими факторами прогнозировать погодные условия.
Почему и вследствие чего создается атмосферное давление?
Специалисты, изучающие атмосферу Земли и различные метеорологические явления, тщательно следят за тем, как перемещаются воздушные массы. Это основной фактор, влияющий на климатические условия той или иной местности. Эти наблюдения дали возможность понять, почему возникает атмосферное давление.
Всему виной гравитация. Путем множества экспериментов доказано, что воздух отнюдь не невесомый. Он состоит из различных газов, которые имеют определенный вес. Таким образом, на воздух действует сила притяжения Земли, которая и способствует образованию давления.
Интересный факт: весь воздух на планете (или вся атмосфера Земли) весит 51 х 1014 тонн.
Вокруг земного шара масса воздуха неодинаковая. Соответственно колеблется и уровень атмосферного давления. На участках с большей массой воздуха наблюдается более высокое давление. Если же воздуха меньше (его также называют разреженным в таких случаях), то и давление ниже.
Почему меняется вес атмосферы? Секрет этого явления таится в нагревании воздушных масс. Дело в том, что нагревание воздуха происходит вовсе не от солнечных лучей, а за счет земной поверхности.
Вблизи нее воздух нагревается и, становясь легче, поднимается вверх. В это время охлажденные потоки тяжелеют и опускаются вниз. Этот процесс происходит беспрерывно. Каждый воздушный поток имеет свое давление, а его разность вызывает ветер.
Как влияет состав атмосферы на давление?
В состав атмосферы входит огромное количество газов. Преимущественно это азот и кислород (98%). Также имеется углекислый газ, неон, аргон и др. Атмосфера начинается с пограничного слоя толщиной 1-2 км и заканчивается экзосферой на высоте около 10 000 км, где плавно переходит в межпланетное пространство.
Состав атмосферы влияет на давление за счет плотности. Каждый компонент имеет свою плотность. Чем больше высота, тем тоньше слой атмосферы и ниже его плотность. Соответственно снижается и давление.
Измерение атмосферного давления
В Международной системе единиц атмосферное давление измеряется в паскалях (Па). Также в России используются такие единицы, как бар, миллиметры ртутного столба и их производные. Их применение обусловлено приборами, при помощи которых измеряется давление – ртутными барометрами. 1 мм ртутного столба соответствует около 133 Па.
Барометры бывают двух типов:
- жидкостные;
- механические (барометр-анероид).
Жидкостные барометры заполняются ртутью. Изобретение данного прибора – это заслуга итальянского ученого Эванджелисты Торричелли. В 1644 году он проводил эксперимент с емкостью, ртутью и колбой, которая открытым отверстием опускалась в жидкость.
При изменении давления ртуть то поднималась, то опускалась в колбе. Современные ртутные барометры со шкалами считаются наиболее точными, но не очень удобными, поэтому их используют на метеорологических станциях.
Более распространены барометры-анероиды. В конструкции такого прибора предусмотрена металлическая коробка с разреженным воздухом внутри. Когда давление понижается, коробка расширяется. При возрастающем давлении коробка сжимается и действует на прикрепленную пружину. Пружина приводит в движение стрелку, которая отображает на шкале уровень давления.
Интересный факт: существует эталон единицы давления (как и других единиц физических величин). Первичный эталон, отображающий абсолютное давление максимально точно, находится во Всероссийском НИИ метрологии имени Менделеева (Санкт-Петербург).
Норма атмосферного давления для человека
Нормальное атмосферное давление – это 760 мм ртутного столба или 101 325 Па при температуре 0℃ на уровне моря (45º широты). При этом на каждый квадратный сантиметр поверхности земли атмосфера воздействует с силой в 1,033 кг. Ртутный столб высотой 760 мм уравновешивает массу этого воздушного столба.
Показатель в 760 мм тоже был определен Торричелли в ходе эксперимента. Также он заметил, что когда колба наполняется ртутью, вверху остается пустота. Впоследствии это явление получило название «торричеллиевой пустоты». Тогда ученый еще не знал, что в ходе своего эксперимента создал вакуум – то есть пространство, свободное от каких-либо веществ.
При стандартном давлении в 760 мм ртутного столба человек ощущает себя наиболее комфортно. Если учесть предыдущие данные, то на человека воздух давит с силой около 16 тонн. Почему тогда мы не ощущаем этого давления?
Дело в том, что внутри организма тоже имеется давление. Не только люди, но и представители животного мира приспособились к атмосферному давлению. Каждый орган формировался и развивался под влиянием данной силы. Когда атмосфера воздействует на тело, эта сила распределяется равномерно по всей поверхности. Таким образом, давление уравновешивается, и мы его не чувствуем.
Норму атмосферного давления не стоит путать с климатической нормой. Каждый регион имеет свои стандарты для определенного времени года. Например, жителям Владивостока повезло, поскольку там среднегодовой показатель атмосферного давления почти равен норме – 761 мм ртутного столба.
А в населенных пунктах, расположенных в горной местности (например, в Тибете), давление гораздо ниже – 413 мм ртутного столба. Это связано с высотой около 5000 м.
Повышение и понижение давления
Когда давление превышает отметку в 760 мм. рт. ст., его называют повышенным, а когда показатель меньше нормы – пониженным.
В течение 24 часов происходит несколько перепадов атмосферного давления. Утром и вечером оно повышается, а после 12 часов дня и ночи – понижается. Это происходит в связи с тем, что меняется температура воздуха и, соответственно, его потоки перемещаются.
В зимний период над материковой частью Земли отмечается самое высокое атмосферное давление, потому что воздух имеет низкую температуру и отличается высокой плотностью. Летом наблюдается противоположная ситуация – отмечается минимальное давление.
В более глобальных масштабах уровень давления тоже зависит от температуры. Земная поверхность нагревается неодинаково: планета имеет геоидную (а не идеально круглую) форму и вращается вокруг Солнца. Одни зоны нагреваются сильнее, другие – слабее. Из-за этого и атмосферное давление распределяется по поверхности планеты зонально.
Ученые выделяют 3 пояса, где преобладает низкое давление и 4 пояса с преобладающими максимумами. Зона экватора прогревается больше всего, поэтому легкий теплый воздух поднимается вверх, а у поверхности образовывается низкое давление.
Вблизи полюсов все наоборот: холодный воздух опускается, поэтому здесь отмечается высокое давление. Если посмотреть на схему распределения давления по поверхности планеты, можно заметить, что пояса минимумов и максимумов чередуются.
Кроме того, нужно помнить и о неравномерном нагревании обоих полушарий Земли в течение года. Это приводит к определенному смещению поясов низкого и высокого давления. Летом они сдвигаются в северном направлении, а зимой – в южном.
Влияние на человека
Атмосферное давление оказывает серьезное воздействие на организм человека. Это вполне естественно, если учитывать все вышесказанное относительно силы, с которой воздух давит на наше тело и оказываемого противодействия.
Существует понятие метеорологической зависимости, подтвержденное наукой и медициной. Метеопатами считаются люди, организм которых реагирует даже на минимальные отклонения давления от нормы. К ним также относятся люди с некоторыми хроническими заболеваниями (в частности сердечнососудистой, нервной системы и др.).
В целом организм человека умеет приспосабливаться к изменению климатических условий. Например, при путешествии в страну с совершенно другими погодными условиями может потребоваться несколько дней на акклиматизацию.
Значительные отклонения от нормы будут ощутимы для абсолютно любого человека. Сюда относится как повышенное, так и пониженное давление.
В обычной жизни повышение атмосферного давления до критического уровня, при котором ухудшается самочувствие человека, не происходит (за исключением вышеупомянутых метеозависимых и хронически больных). Ощутить его эффект можно, например, при погружении на большую глубину.
Пониженное атмосферное давление более опасно. Его воздействие можно легко ощутить на большой высоте. Существует понятие высотной болезни, при которой увеличивается количество углекислого газа. Объем кислорода при этом, наоборот, понижается, поэтому ткани организма ощущают кислородное голодание. Сосуды быстро реагируют на это, провоцируя резкое возрастание давления в организме.
Циклон
Циклон – это огромная масса воздуха, которая вращается в виде вихря вокруг вертикальной оси диаметром до нескольких тысяч километров. В центре данного вихря наблюдается пониженное давление.
В Северном полушарии атмосферный вихрь циклона вращается против часовой стрелки, в Южном – по часовой. Циклоны возникают регулярно, так как их образование напрямую связано с вращением Земли. Не бывает циклонов рядом с экватором.
Циклоны бывают двух типов:
- Тропические. Возникают в тропических широтах, отличаются относительно небольшими размерами. Однако им свойственна огромная, разрушительная сила ветра.
- Внетропические. Формируются в полярных и умеренных широтах. Достигают нескольких тысяч километров в диаметре.
Интересный факт: в тропических циклонах нередко наблюдается «глаз бури» – это область размером около 20 км в самом центре вихря, в которой сохраняется ясная и безветренная погода.
Главные отличительные особенности циклона – колоссальная энергия, которая проявляется в виде сильных ветров, бурь, гроз, шквалов, осадков. Мощным тропическим циклонам присваивают уникальные имена или названия, например, «Катрина» (2005), «Нина» (1975), «Дориан» (2019).
Антициклон
Антициклон – это не только противоположность циклона. Данное явление имеет другой механизм возникновения. Ветер в обоих полушариях Земли движется в обратном направлении по сравнению с циклоном.
Антициклон представляет собой область высокого давления. Ей свойственны замкнутые изобары – это линии, которыми отмечаются места с одинаковым атмосферным давлением.
Антициклон приносит стабильные погодные условия, соответствующие времени года. Летом это безветренная жаркая погода, зимой – морозная. Характеризуется малым количеством облаков или полным их отсутствием.
Формируются антициклоны на определенных участках. Например, чаще всего они возникают над большими массивами льда: в Антарктиде, Гренландии, Арктике. Также встречаются в тропиках.
Антициклоны тоже несут в себе опасность и неприятные последствия. Они могут способствовать возникновению пожаров, продолжительных засух. При долгом отсутствии ветра в крупных городах накапливаются вредные вещества, газы, что особенно остро ощущают люди с заболеваниями дыхательных путей.
Интересный факт: существуют блокирующие циклоны, которые формируются над определенной зоной и никуда не движутся. При этом они не пропускают прочие воздушные массы. Обычно они длятся не дольше 5 суток, но регулярно в Европейской части России антициклоны держатся около месяца. Последний раз это было в 2015 году. Результат – жара, засуха, лесные пожары.
Как с высотой изменяется атмосферное давление? Формула, график
Атмосферное давление напрямую зависит от высоты. Чем выше, тем давление ниже и наоборот. Если подняться на 12 м выше уровня моря, столбик ртути в барометре снизится на 1 мм.
Давление чаще отображают в гектопаскалях вместо мм рт. ст.: 1 мм = 133,3 Па = 1, 333 гПа. Показать взаимоотношение высоты и давления можно при помощи несложной формулы:
∆h/∆P=12 м/мм рт. ст или ∆h/∆P=9 м/гПа,
где ∆h — изменение высоты,
∆P — изменение давления.
Таким образом, при подъеме на 9 метров, уровень давления снижается на 1 гПа. Этот показатель называется барической ступенью. Норма атмосферного давления – 1013 гПа (можно округлить до 1000).
Как с помощью этих данных рассчитать изменение давление на другой высоте? К примеру, при подъеме на 90 м давление снизится на 10 гПа. В таком случае выходит, что при подъеме на 900 м давление упадет до 0.
Но с высотой меняется и плотность воздуха, поэтому, когда речь идет о большей дистанции (начиная с 1,5-2 км), все расчеты надо проводить с учетом данного показателя.
График изменения атмосферного давления с высотой наглядно отображает все вышесказанное. Он приобретает вид кривой линии, а не прямой. Из-за того, что плотность атмосферы неодинаковая, с увеличением высоты давление начинает снижаться все медленнее. Однако оно никогда не достигнет нуля, поскольку повсюду есть какое-то вещество – во Вселенной нет вакуума.
Атмосферное давление в горах
В горах давление будет в любом случае ниже. Как себя при этом чувствует человек, зависит от высоты, а также дополнительных условий. Например, при нормальной влажности подъем на 3000 м может вызвать слабость, снижение работоспособности. Это объясняется недостатком кислорода.
Во влажном климате аналогичные ощущения возникают уже на высоте 1000 м. Дело в том, что молекулы воды вытесняют молекулы кислорода – во влажном воздухе его меньше. А в сухом климате можно практически без проблем подняться на 5000 м.
Разная высота и ее влияние:
- 5 км – ощущение недостатка кислорода.
- 6 км – максимальная высота, на которой располагаются постоянные поселения.
- 8,9 км – высота Эвереста. Вода закипает при температуре +68℃. Недолго находиться на таком уровне могут подготовленные люди.
- 13,5 км – безопасно находиться можно лишь при наличии чистого кислорода. Максимально допустимая высота, на которой можно пребывать без специальной защиты.
- 20 км – высота, недопустимая для человека. Только при условии нахождения в герметичной кабине.
Интересное видео про атмосферное давление
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
