Атмосферное давление фото

Атмосферное давление. Урок 13

Земля путём силы гравитации притягивает к себе молекулы воздуха. Они имеют вес, а значит создают давление как внутри самой атмосферы, так и на её границе с различными телами на земной поверхности. Атмосферное давление – это сила, с которой воздух давит на земную поверхность и на все находящиеся на ней предметы.

Атмосферное давление изменяется с высотой и зависит от погодных условий: температуры воздуха и перемещения воздушных масс в вертикальном направлении (конвекции). Вблизи земной поверхности оно приблизительно равно 105 Па (в интернациональной системе (СИ) давление измеряется в Паскалях – русское Па, международное – Pa).

За нормальное атмосферное давление принято давление ртутного столба высотой 76 см сечением в 1 см2 на уровне моря на широте 45° при температуре 0°С. Оно равно 760 мм рт. ст.(101325 Па, но реально берётся 100 000 Па) – это 1 атмосфера (атм.).

Нормальное, повышенное и пониженное атмосферное давление фото

<!— Реклама —>


Атмосферное давление по-традиции измеряют в миллиметрах ртутного столба, современные аналоги этой меры – миллибары и гектопаскали. Один Паскаль – это давление силой в 1 Ньютон (Н), приходящееся на площадь 1 м2.

Интересно, что среднее давление атмосферы на поверхности Марса в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли.

Как заметить атмосферное давление?

Хотя молекулы газа не имеют запаха и цвета, они постоянно взаимодействуют с рецепторами нашей кожи, сдавливают со всех сторон все предметы, заполняют пустоты, а их быстрое перемещение в горизонтальном направлении, называемое ветром, может сбить нас с ног. Доказать, что атмосферное давление существует, можно при помощи простых опытов.

Опыт 1 – «Непроливайка»

В стакан налить воды до краёв. Прикрыть его листком плотной бумаги и, придерживая бумагу ладонью, быстро перевернуть стакан кверху дном. Убрать ладонь. Вода из стакана не выльется, так как на бумагу снизу давит атмосфера.

Объяснение: фраза «на нас давит столб атмосферного воздуха», иногда употребляемая, в том числе и в школьных учебниках, некорректна. Она произносится по ассоциации с силой давления, действующей со стороны твёрдого тела. Эта сила действует на тела, расположенные ниже, и не действует на тела сбоку или, тем более, сверху данного тела. Иное дело давление жидкости или газа.

По закону Паскаля давление передаётся не только в точки на дне сосуда, но также и в точки на стенках и крышке. Силы гидростатического и атмосферного давлений действуют перпендикулярно произвольно ориентированной поверхности тела, контактирующей со средой, и могут иметь любое направление.

Воздух, давящий на бумагу снизу наполненного стакана – это доказательство несостоятельности такой ассоциации. Интересно, что если стакан наполнить водой только наполовину, то оставшийся воздух будет давить с такой же силой, как и наружный, и бумага не удержит воду (и воздух) в стакане.

Опыт 2 – «Сухим из воды»

Положить на плоскую тарелку монету или металлическую пуговицу и налить воды. Монета окажется под водой. Наша задача – выловить монету голыми руками, не замочив их.

Зажгите внутри сухого стакана бумагу и, когда воздух нагреется, опрокиньте стакан на тарелку рядом с монетой так, чтобы монета не очутилась под стаканом. Ждать придётся недолго. Бумага в стакане сразу погаснет, и воздух начнёт остывать. По мере его остывания вода будет втягиваться стаканом и вскоре вся соберётся там, обнажив дно тарелки.

Объяснение: когда воздух в стакане нагрелся, он расширился, как и все нагретые тела, избыток его нового объёма вышел из стакана. Когда же оставшийся воздух начал остывать, его стало недостаточно, чтобы в холодном состоянии оказывать прежнее давление, уравновешивать наружное давление атмосферы. Теперь вода под стаканом испытывает на каждый сантиметр своей поверхности меньшее давление, чем в открытой части тарелки. Неудивительно, что она вгоняется под стакан, втискиваемая туда избытком давления наружного воздуха. Вода вдавливается воздухом!

По этой же теме посмотрите эксперимент программы «Галилео».

Почему мы не чувствуем атмосферное давление?

Зная, что 1 м3 воздуха при температуре 0° на уровне моря весит 1,3 кг, легко подсчитать, что на крышу дома, имеющую площадь, например 100 м², атмосфера давит с силой 107 Н, что соответствует весу тела массой 1000 т. Однако крыша дома не проваливается.

Площадь спины лежащего на пляже человека заведомо больше 0,2 м2; следовательно, атмосфера давит на спину человека с силой, большей чем 20 000 Н, что соответствует камешку массой 2 т. Однако человек вообще не ощущает никакого давления сверху.

Опыт «Сухим из воды» демонстрирует нам ещё и доказательство внутреннего давления, уравновешивающего наружное давление атмосферы.

Мы не чувствуем давления воздуха, потому что давление атмосферы равномерно распределяется со всех сторон и потому что внутри нас есть такое же давление воздуха и жидкости, а адаптационные способности организма постоянно уравновешивают внутреннее давление, подстраивая его под изменение атмосферного. Но адаптации проходят только в небольшом интервале. 

Если люди живут длительное время на большой высоте, то их организм приспосабливается как к меньшему количеству кислорода, так и к более низкому давлению. Самые высокогорные поселения мира:

  • Ла-Ринконада (Перу) – 5100 м;
  • Эль-Альто (Боливия) – 4150 м;
  • Потоси (Боливия) – 4090 м;
  • Лхаса (Т ибет) – 3650 м;
  • Намче-базар (Непал) – 3450 м;
  • в России это Куруш (Дагестан) – 2600 м.
деревня Ла Ринконада-Ананея, 5400 msnm, фото
Посёлок золотоискателей Ла Ринконада-Ананея, 5100 м.
Автор: IJISCAY

А вот рыбы, живущие на глубине океана, привыкли к более высокому давлению, и быстро перестроиться их организм не способен. Их тело адаптировалось к нему, и внутреннее давление его намного выше 1 атм. Поэтому когда их достают из глубины, они взрываются из-за высокого внутреннего давления. То же произошло бы и с человеком в безвоздушном пространстве (в космосе).

Фильм по теме «Атмосферное давление и самочувствие человека».

Из истории открытия знаний о весе, давлении воздуха и изобретении барометра

О том, как измерить атмосферное давление, догадался итальянский математик и физик, выпускник иезуитского колледжа Э. Торричелли. Вместе с В. Вивиани – юным учеником Галилея – он провёл опыты по его измерению. Торричелли тоже был одним из последних учеников Галилея, и основываясь на его догадках доказал, что воздух имеет вес и оказывает давление.

Атмосферное давление первым измерил Эванжелиста Торричелли фото
Эванжелиста Торричелли и его барометр.
Автор: Saperaud~commonswiki

Торричелли впервые открыто выступил против догм Аристотеля. Рассуждая о насосе, он заявил, что

«прежде всего вода поднимается вслед за поршнем вовсе не потому, что «природа боится пустоты», просто воду гонит в насос давление, которое оказывает воздух на поверхность реки. В трубе же насоса, под поршнем, воздуха нет, поэтому вода входит в неё до тех пор, пока вес водяного столба в трубе насоса не уравновесит наружное давление воздуха».

Но доказал он это немного позже. Предложенный им опыт был осуществлён в 1643 г. В этом опыте использовалась запаянная с одного конца стеклянная трубка длиной около 1 м. Её наполняли ртутью и, закрыв пальцем (чтобы ртуть не выливалась раньше времени), перевернув, опускали в широкую чашку со ртутью.

Часть ртути из трубки выливалась, и в её верхней части образовывался вакуум (первая настоящая пустота, обнаруженная на Земле – Торричеллиева пустота). При этом высота столба ртути в трубке оказалась равной примерно 760 мм (если отсчитывать её от уровня ртути в чашке). Воздух давил на ртуть чашки и не давал вылиться из трубки.

Учёный также догадался, что давление атмосферы связано с изменением погоды. Наблюдая за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли заметил, что атмосферное давление непостоянно и зависит от «теплоты или холода». Столбик в трубке то опускался, то поднимался, указывая на нужное деление шкалы. Вот почему в качестве одной из единиц давления взят миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Тяжесть по-гречески «барос», и прибор Торричелли стали называть барометром.

Атмосферное давление и барометр Торричелли фото
Принцип действия барометра Торричелли

О давлении и весе воздуха почти одновременно с Торричелли догадался и другой известный учёный того времени – Декарт. Он объяснил, почему из продырявленного на дне флакона при закрытой крышке духи не вытекают, а при открытой вытекают, именно разностью в давлении воздуха на разные площади поверхности. Когда крышка флакона закрыта, поверхностное натяжение воды на небольшом отверстии способно удерживать жидкость во флаконе. При открытой крышке оно преодолевается силой давления воздуха и духи начинают вытекать. Декарт выдвинул гипотезу, что с высотой воздух становится реже, а значит, должно уменьшаться и его давление.

Уже после опытов Торричелли Декарт поручил талантливому французскому математику и физику Блезу Паскалю проверить его догадку – верно ли, что давление с высотой убывает. Для этого он должен был подняться в горы с трубкой Торричелли. Опустившийся вниз столбик ртути на высоте горы Пюи де Дом подтвердили гипотезы Торричелли и Декарта.

Паскаль сделал вывод:

«законы давления жидкостей, известные ещё со времён славного Архимеда и развитые голландцем Симеоном Стевином, во многом справедливы и для воздуха». 

Давление воздуха не замечается человеком, потому что по законам давления в жидкостях и газах оно направлено и в стороны, и вниз.

Как измеряют атмосферное давление?

Барометр Торричелли используют до сих пор. Этот простой прибор помогает определить примерную высоту над уровнем моря. Альпинисты берут его с собой высоко в горы. Барометр – обязательный прибор кабины каждого летательного аппарата, будь то самолёт или спутник Земли. В наши дни его «братья» спускаются и на дно морей. Из высотомеров они превратились в глубиномеры.

За три с лишним века барометры изменились: стали автоматическими, самозаписывающими, научились управлять другими механизмами.

Ртутный барометр измеряет атмосферное давление с наибольшей точностью

Атмосферное давление: ртаринные ртутные барометры фото
Старые ртутные барометры.
Автор: GianniG46

На метеорологических станциях давление атмосферного воздуха измеряют всё те же ртутные барометры, так как они обладают наибольшей точностью. Они работают по тому же принципу, что и изобретение Торричелли.

При измерении величины давления вводят поправки на температуру, так как при повышении температур, ртуть и шкала барометра расширяются. На практике пользуются готовой таблицей поправок, которая сразу же даёт нужную величину.

Мембранные барометры

Для измерения атмосферного давления применяют также мембранные манометры. Простейший мембранный манометр показан схематически на рис 1.

Мембранный барометр фото
Рис. 1. Мембранный барометр

Тонкая упругая пластинка-мембрана 1 герметически закрывает коробку 2, из которой откачана часть воздуха. С мембраной соединён указатель 3, поворачивающийся около О на угол, зависящий от степени прогиба мембраны, которая в свою очередь зависит от разности измеряемой силы давления воздуха вне коробки и внутри коробки.

Такие манометры называют барометрами-анероидами. Их градуируют и выверяют по ртутному барометру. Они менее точны, зато более удобны в обращении, поскольку не содержат ртути. При определении давления анероидом вносятся три поправки (на шкалу, на температуру и дополнительная на прибор), указанные в сертификате прибора. Анероид может давать надежные показания только в том случае, если он время от времени подвергается тщательной проверке.

Барометр-анероид фото
Барометр-анероид.
Изображение Wolfgang Eckert с сайта Pixabay

Анероид может быть градуирован непосредственно на высоту атмосферы. Такие анероиды называют альтиметрами; или высотомерами, они используются в авиалайнерах и позволяют пилоту контролировать высоту полёта.

Высотомер Булова Б-11 фото
Высотомер Булова Б-11, с самолёта-истребителя.
Автор: Дозиметр

Для непрерывной регистрации изменения атмосферного давления применяется самопишущий прибор — барограф . Приёмной частью барографа является несколько соединённых между собой малых анероидных коробок.

Другие приборы

Гипсотермометр (гипсометртермобарометрбаротермометр) — прибор для измерения атмосферного давления по температуре кипящей жидкости (обычно воды). Он более точен, чем анероид.

Состоит из кипятильника и термометра со шкалой, разделённой на 0°,01. Этот прибор обычно применяется в экспедиционных условиях для барометрического нивелирования.

Штормгласс – это химический или кристаллический барометр, состоящий из стеклянной колбы или ампулы, заполненных спиртовым раствором, в котором в определённых пропорциях растворены камфора, нашатырь и калийная селитра.

<!— Реклама —>


Этим химическим барометром активно пользовался во время своих морских путешествий английский гидрограф и метеоролог, вице-адмирал Роберт Фицрой, который тщательно описал поведение барометра, это описание используется до сих пор. Поэтому штормгласс также называют «Барометром Фицроя». В 1831–1836 гг. Фицрой возглавлял океанографическую экспедицию на корабле «Бигль», в которой участвовал Чарльз Дарвин.

Весной и осенью резкое падение показателей барометра предвещает ветреную погоду. Летом, в сильную жару, оно предупреждает о грозе. Зимой, особенно после продолжительных морозов, быстрое падение ртутного столба говорит о предстоящей перемене направления ветра, сопровождающейся оттепелью и дождём. Напротив, повышение ртутного столба во время продолжительных морозов предвещает снегопад.

Закономерности в изменении атмосферного давления и способ использования этих знаний

Почти вся масса атмосферы Земли сосредоточена в слое высотой примерно до 50 км. По достижении высоты 50 км ускорение свободного падения уменьшается всего лишь на 1,5% по сравнению с ускорением на уровне моря; поэтому можно принять, что в пределах всего 50-километрового слоя атмосферы ускорение свободного падения остается равным g = 9,8 м/с2.

Представляя атмосферный воздух в виде сплошной среды, мы, конечно, не должны забывать, что в действительности это газ. Давление — статистическая величина, выражаемая через усреднённый по многим молекулам квадрат скорости их хаотического движения. Сила давления на любую реальную или мысленно выделенную площадку в газе обусловлена хаотической бомбардировкой этой площадки множеством молекул.

Давление понижается с высотой и повышается при спуске в глубокие шахты. Причина – в разрежении  воздуха (уменьшении плотности) с подъёмом и уплотнении со спуском, ведь он притягивается землёй и около неё сосредоточена основная его масса. В нижней тропосфере давление с высотой уменьшается примерно на 1 мм на каждые 10,5 м. Это позволяет с помощью барометра-высотомера определять высоту места.

Атмосферное давление изменяется с высотой фото
Как изменяется атмосферное давление с высотой?

На самом деле эта закономерность соблюдается только до высоты  в 1 км. Расстояние в метрах, на которое надо подняться или опуститься, чтобы атмосферное давление изменилось на 1 мб, называется барической ступенью. Барическая ступень на высоте от 0 до 1 км составляет 10,5 м, от 1 до 2 км – 11,9 м, на высоте 2-3 км барическая ступень равна 13,5 км. Величина барической ступени зависит от температуры. В тёплом воздухе она больше. Более точно барометрическая формула описана тут: https://ru.wikipedia.org/wiki/

На практике же часто пользуются особыми таблицами, которые позволяют более или менее приблизительно получать данные о высотах. Но для решения задач, не требующих высокой точности, можно пользоваться и средним значением. Можно оценить давление по разности высот, высчитать высоту по разности давления.

Задача 1

Альпинисты поднимаются на гору, высота которой 5100 м. У подножия горы давление составляет 720 мм рт. ст. Какое давление будет на вершине?

Решение:

При подъёме на 10,5 м давление снижается на 1 мм рт. ст.

1) Узнаем, на сколько мм. рт. ст. снизится давление при подъёме на эту гору. 5100:10,5=486 (на 486 мм рт. ст.)

2) Узнаем, каким будет давление на вершине. 720-486=234 (мм рт. ст.)

Ответ: На вершине будет давление в 234 мм рт. ст.

Задача 2

Определите, на какой высоте летит самолёт, если за бортом давление 450 мм рт. ст., а у поверхности Земли 750 мм рт. ст.

1) Определяем разность в давлении. 750-450=300 мм рт. ст. – столько раз по 10,5 метров поднялся самолёт.

2) Узнаем, на сколько метров поднялся самолёт. 10,5  Х  300 = 3150 (м)

Ответ: самолёт на высоте 3150 м.

Задача 3

У подножия холма барометр показывает давление – 761 мм рт. ст., а на вершине – 761 мм рт. ст. Чему равна высота холма?

Задача решается по тому же принципу, что и предыдущая.

1) 761-750=11 (мм рт. ст.)

2) 11 Х 10,5 = 115,5 (м)

Ответ: высота холма равна 115,5 м.

Атмосферное давление постоянно изменяется

Плотность воздуха зависит от температуры, температура же и является главной причиной изменения давления воздуха. Давление тёплого воздуха меньше, чем холодного. Это объясняется тем, что при нагревании воздух, как и все предметы, расширяется, его объём увеличивается и он перетекает в верхние слои на место менее нагретого воздуха, что приводит к уменьшению давления около земной поверхности.

На климатических и синоптических картах точки с одинаковыми показателями давления, приведённые к уровню моря, соединяют изолиниями, называемыми изобарами. Изобары бывают замкнутыми и незамкнутыми. Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре (Н) называется барическим минимумом, или циклоном. Система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре (В) называется барическим максимумом, или антициклоном. Незамкнутые системы изобар – барический гребень, ложбина и седловина.

Атмосферное давление в январе фото

Все барические области делят на две группы: постоянные и сезонные (сохраняют характерные особенности давлений в течение определенного периода года).

Пояса давления на Земле

Давление на Земле распределяется зонально. В обобщённом виде эту зональность представляют в виде поясов:

  • на экваторе расположен пояс низкого давления – экваториальная депрессия;
  • к югу и северу от экватора до 30-40° широты – пояс повышенного давления;
  • на 60-70° с. и ю. ш. – пояса пониженного давления;
  • приполярные районы – пониженное давление.
Пояса атмосферного давления на Земле фото
Пояса атмосферного давления на Земле

На самом деле реальная картина распределения давления на поверхности земли гораздо сложнее.

Постоянные барические области

Карта давления в январе фото

Постоянным остаётся экваториальный пояс пониженного давления, только смещая ось вслед за Солнцем. В июле она перемещается в Северное полушарие на 15-20° с. ш., в декабре – в Южное, на 5° ю. ш. Зимой над океаном и над сушей возникает сплошной пояс повышенного давления. Летом повышенное давление сохраняется над океанами, а над сушей образуется термическая депрессия и понижение давления. Постоянны и барические максимумы Антарктиды и Гренландии.

Над незамерзающими океанами и тёплыми течениями умеренной зоны и зимой и летом ярко выражены барические минимумы:

  • Исландский;
  • Алеутский.

Сезонные барические области

30-40° широты

Только зимой тут действительно наблюдается пояс высокого давления. Летом над материком оно становится низким, а над океанами, прогревающимися медленно, давление остаётся высоким и даже повышается. Другими словами барические максимумы в течение всего года здесь сохраняются только над океанами:

  • Северо-Атлантический;
  • Северо-Тихоокеанский;
  • Южно-Атлантический;
  • Южно-тихоокеанский;
  • Южно-Индийский.

Умеренные и субполярные

В умеренных и субполярных широтах северного полушария, где чередуются океаны и материки, давление над сушей и водой различное, особенно зимой. Над сушей летом – минимум, а зимой – максимум. Летом же во всём поясе давление пониженное. Зимой над охлаждёнными материками давление высокое, здесь возникают сезонные барические максимумы:

  • Азиатский, с центром над Монголией;
  • Северо-Американский (Канадский).

Суточное колебание давления атмосферы

Наблюдается и суточное колебание давления. Ночью наблюдается один максимум, а днём – один минимум. Дважды за сутки, утром и вечером, оно повышается и столько же раз понижается, после полуночи и после полудня.

Изменение давления в течение суток связано с температурой воздуха и зависит от её изменений. Годовые изменения зависят от нагревания материков и океанов в летний период и их охлаждения в зимнее время. Летом область пониженного давления создается на суше, а область повышенного давления над океаном.

Минимальная величина атмосферного давления – 641,3 мм рт.ст или 854 мб  – была зарегистрирована над Тихим океаном в урагане «Ненси», а максимальная – 815,85 мм рт.ст. или 1087 мб – в Туруханске зимой. Максимальное давление в России зарегистрировано в Красноярском крае в 1968 г – 870 мм рт. ст.

Все барические системы оказывают большое влияние на воздушные течения, погоду и климат на значительных территориях. О вызываемых ими ветрах мы поговорим в следующий раз.

Тест для закрепления изученного материала

Тест по теме: «Атмосферное давление»

1. С помощью какого прибора измеряют атмосферное давление?

а) термометра;

б) барометра;

в) тонометра;

г) гигрометра.

 
 
 
 

2. По мере увеличения высоты атмосферное давление:

а) понижается;

б) повышается;

в) сначала понижается, а затем повышается;

г) не изменяется.

 
 
 
 

3. Приблизительно на какой высоте летит самолёт, если атмосферное давление за бортом равно 360 мм рт. ст.?

а) 400 м;

б) 4000 м;

в) 3600 м;

г) 10000 м.

 
 
 
 

4. Какое атмосферное давление будет на высоте 2000 м, если на высоте 0 м оно равно 760 мм рт. ст.?

5. Примерно на какой высоте летит самолёт, если у поверхности Земли атмосферное давление было равно 750и мм рт. ст, а за бортом самолёта – 450 мм?

а) 3000;

б) 1200;

в) 300 м;

г) 30 м.

 
 
 
 

6. Нормальное давление воздуха на уровне моря при температуре 0°С на параллели в 45° составляет:

а) 750 мм рт. ст.;

б) 760 мм рт. ст.;

в) 770 мм рт. ст.

 
 
 

7. Определите пониженное атмосферное давление:

а) 750 мм рт. ст.;

б) 765 мм рт. ст.;

в) 748 мм рт. ст.;

г) 770 мм рт. ст.;

д) 752 мм рт. ст.

 
 
 
 
 

8. Какое давление можно считать нормальным для высоты в 500 м над уровнем моря?

9. Определите атмосферное давление у подножия холма высотой 60 м, если на его вершине барометр показывает давление 758 мм рт. ст.

10. При повышении температуры воздуха атмосферное давление:

а) повышается;

б) понижается;

в) не изменяется;

г) в разных широтах наблюдается разная зависимость.

 
 
 
 


Источники:

  1. Томилин А. Н., Теребинская Н. В. Для чего ничего? Очерки. /Л., «Дет. лит.», 1975.
  2. Я. И. Перельман. Занимательные задачи и опыты. — М.: «Детская литература», 1972.
  3. Физическая география: Справ. пособие для подгот. отд. вузов/Г. В. Володина, И. В. Душина, С. Г. Любушкина и др.; Под ред. К. В. Пашканга — М.: Высш. шк., 1991.
  4. Тарасов Л. В. Атмосфера нашей планеты. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012.
  5. Савцов Т. М. Общее землеведение: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений — М.: Издательский центр «Академия», 2003
  6. Дронов В. П. Землеведение. 5-6 кл.: Учебник/В. П. Дронов, Л. Е. Савельева. 5-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2015.
  7. География 5-6 классы: учеб. для общеобразоват. учреждений / А. И. Алексеев, Е. К. Липкина, В. В. Николина и др.; Под ред А. И. Алексеева. — М.: Просвещение, 2012.

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.