Атмосферное давление и плотность воздуха
Давление, температура и плотность — важнейшие характеристики любого газа, в том числе и воздуха, составляющего атмосферу
атмосферное давление -Давление, производимое атмосферой на находящиеся в ней предметы и на земную поверхность. Атмосферное давление обусловлено давлением верхних слоев воздуха на нижележащие слои вследствие притяжения к Земле.
Атмосфера не имеет четкой границы, плотность ее изменяется с высотой. Поэтому рассчитать величину атмосферного давления по формуле для вычисления давления столба жидкости нельзя.
Атмосферное давление измеряют с помощью ртутного барометра, в котором давление столба ртути уравновешивается атмосферным давлением.
Атмосферное давление выражают в граммах на см2 или в килограммах на м2. На уровне моря давление воздуха составляет около 1 кг 33 г на 1 см2.
Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты подъема над Землей.
Это объясняется тем, что с увеличением высоты толщина сжимающего слоя атмосферы уменьшается.
плотность воздуха — масса газа атмосферы земли на единицу объема или удельная масса воздуха при естественных условиях. плотность воздуха — это количество воздуха, содержащегося в 1 м 3 объема. В физике существует понятие двух видов плотности — весовая (удельный вес) и массовая. В аэродинамике чаще всего пользуются массовой плотностью. Весовая плотность (удельный вес) воздуха — это вес воздуха в объеме 1 м 3 .
Установлено, что 1 м 3 воздуха при стандартных атмосферных условиях (барометрическое давление 760 мм рт. ст., t=+15°С) весит 1,225 кгс, следовательно, весовая плотность (удельный вес) 1 м 3 объема воздуха в этом случае равна =1,225 кгс/мg3.
Массовая плотность воздуха — это масса воздуха в объеме 1 м 3 . Обозначается греческой буквой р. Масса тела — величина постоянная. За единицу массы принята масса гири из иридистой платины, хранящейся в Международной палате мер и весов в Париже. Величина плотности воздуха является функцией от высоты производимых измерений, от его температуры и влажности. Обычно стандартной величиной считается значение 1,225 кг⁄м3, которая соответствует плотности сухого воздуха при 15°С на уровне моря.
Виды воды в атмосфере, показатели влажности.
Вода в атмосфере находится в виде пара, льда, снежинок и капель воды. Содержание водяного пара в воздухе — важная характеристика погоды и климата. Чем выше температура воздуха, тем больше в нем может быть пара. Так при плюс 20°С один кубический метр воздуха может содержать 17 граммов водяного пара, при минус 20°С — всего один грамм.
Влажность воздуха характеризуется несколькими показателями:
а) абсолютная влажность («absolut» по-латински значит «полный») — это количество водяного пара, содержащегося в воздухе. Показатель абсолютной влажности выражается либо в 1 г/м 3 , либо в единицах давления воздуха, которые показывают то давление, которое производил бы пар, если бы он один занимал объем всего воздуха, — так называемое парциальное давление.
б) относительная влажность показывает отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к наибольшему его количеству, которое может содержаться при данной температуре. Данные выражаются в процентах.
В зависимости от содержания водяного пара различают насыщенный и ненасыщенный воздух. Воздух, который больше не может вместить влагу, называется насыщенным. Из этого воздуха при малейшем охлаждении выпадают атмосферные осадки в виде росы или туманов. Это происходит потому, что вода при охлаждении переходит из газообразного состояния (водяной пар) в жидкое — процесс получил название конденсация (от латинского «сгущение»). Температура, при которой водяной пар насыщает воздух и начинается конденсация, называется точкой росы.
Воздух, находящийся над сухой и теплой поверхностью, обычно содержит водяного пара меньше, чем мог бы содержать при данной температуре. Такой воздух называется ненасыщенным. При его охлаждении не всегда выделяются атмосферные осадки.
Расчет влажности воздуха имеет большое значение не только для определения погоды, но и для проведения технических мероприятий, при хранении книг и музейных картин, лечении многих болезней, орошении полей.
Воздушные массы и фронты
Нижний слой атмосферы, соприкасаясь с разнообразной поверхностью, приобретает от нее некоторые свойства. Над разогретой поверхностью формируются теплые массы, над охлажденной — холодные. Кроме того, в нижний слой постоянно поступает то или иное количество водяных паров. Чем дольше воздушная масса находится над поверхностью, с которой испаряется влага, тем она влажнее. Воздушная масса — это огромный движущийся объем воздуха с определенными физическими свойствами: температурой, плотностью, влажностью и прозрачностью. В зависимости от того, где массы воздуха формируются, их подразделяют на арктические, умеренные, тропические и экваториальные.
Над ледяными просторами Арктики формируется арктическая масса — холодная, сухая, имеющая большую прозрачность и плотность.
В умеренные широты поступают арктические и тропические массы воздуха. Из них формируются умеренные воздушные массы (умеренный воздух). Если формирование этих масс происходит над океаном, то их называют морскими. Морская воздушная масса, теплая зимой и прохладная летом, отличается большой влажностью.
В субтропических и тропических широтах (в условиях повышенного атмосферного давления, большого поступления солнечной радиации) возникают тропические массы воздуха. В основном они с малой относительной влажностью, плотные, с высокой температурой. Если они возникают над океанами, их называют морскими, а над материками — континентальным и. Континентальная масса отличается от морской меньшей относительной влажностью, более высокими температурами и сильной запыленностью.
В экваториальном поясе (в условиях пониженного атмосферного давления и большой влажности) формируется экваториальная масса. Поскольку экваториальный пояс на больших пространствах покрыт лесами, которые испаряют влагу не меньше, чем океан, большого различия между морской и континентальными массами в этих районах не возникает.
Россия расположена в умеренном поясе, поэтому в западных районах преобладают умеренные морские массы, а в восточных над большей частью территории — континентальные.
Границы разделов воздушных масс, образовавшихся над природными поясами, называют атмосферными фронтам и.
Между умеренными и тропическими массами воздуха проходит фронт умеренных широт. Он также перемещается, на отдельных участках материка «размывается» ввиду того, что умеренный воздух по своим физическим свойствам мало чем отличается от тропического. Тропический воздух отделяется от экваториального тропическим фронтом.
Главным физическим свойством воздушной массы является температура. Поэтому при наблюдениях прежде всего подмечают, какая поступила масса воздуха: теплая или холодная. Теплой массой называют такую, которая, поступив в данный район, начинает охлаждаться. Холодной массой называют такую, которая, поступив в данный район, начинает прогреваться.
Климатообразующие процессы
Существуют три основных цикла атмосферных процессов, участвующих в формировании погоды и определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы – теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.
«теплооборот» описывает сложные процессы получения, передачи, переноса и потери тепла в системе «земля-атмосфера». Поток солнечной радиации, идущий от Солнца к Земле, частично отражается воздухом, облаками и примесями назад в мировое пространство. Эта энергия безвозвратно теряется для Земли. Другая часть проходит сквозь атмосферу. Атмосфера частично и в сравнительно небольшой степени поглощает солнечную радиацию, преобразуя ее в теплоту, частично рассеивает ее, изменяя спектральный состав.
Прямая солнечная радиация, прошедшая сквозь атмосферу, и рассеянная радиация, падая на земную поверхность, частично от нее отражаются, но в большей части поглощаются ею и нагре-вают верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которую в большей части поглощает атмосфера, и нагревается. Атмосфера в свою очередь излучает инфракрасную радиацию, большую часть которой поглощает земная поверхность..
Значительная часть солнечного тепла, поступающего на земную поверхность, затрачивается на испарение воды, т.е. переходит в скрытую форму. Потом, при конденсации водяного пара в атмосфере и, как правило, в районе, удаленном от места испарения, это тепло, выделяясь, нагревает воздух.
Важнейшим процессом в теплообороте является горизонтальный перенос тепла воздушными течениями, направленными из одних мест земли в другие.
Между земной поверхностью и атмосферой происходит постоянный оборот воды, или влагооборот. С поверхности океанов и морей, а также других водоемов, с влажной почвы и растительности в атмосферу испаряется вода. На испарение затрачивается большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды. Водяной пар – вода в газообразном состоянии – важная составная часть атмосферного воздуха.
При существующих в атмосфере условиях водяной пар может испытывать и обратное преоб-разование: он конденсируется (сгущается) и превращается в капельки воды или кристаллики льда, вследствие чего возникают облака и туманы. В процессе конденсации атмосфера получает большие количества скрытого тепла. Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Возвращающиеся на земную поверхность осадки в целом уравновешивают испарение.
Количество выпадающих осадков и их распределение по сезонам влияют на растительный покров и земледелие. От распределения и колебания количества осадков зависят также условия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические явления. Большая или меньшая высота снежного покрова определяет промерзание почвы и режим многолетней мерзлоты.
Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, от распределения давления зависит движение воздуха, т.е. воздушные течения.
Движение воздуха относительно земной поверхности ощущается нами как ветер. Следовательно, причиной появления ветров является неравномерное распределение давления . Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле называют общей циркуляцией атмосферы. Основными элементами общей циркуляции атмосферы являются циклоны и антициклоны, т.е. волны и вихри размером в несколько тысяч километров, постоянно возникающие и разрушающиеся в атмосфере.
С воздушными течениями в системе общей циркуляции атмосферы связаны основные изме-нения погоды: воздушные массы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой свойственные им характеристики. Системы воздушных течений общей циркуляции атмосферы, определяющие преобладание тех или иных воздушных масс в том или ином районе, являются также важнейшим фактором климатообразования.
Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океанические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.
Классификация климата
климат является одной из физико-географических характеристик местности, и, таким образом, он определяется прежде всего географическим положением последней, то есть широтой, распределением суши и моря, характером суши.
В формировании климата любой местности большую роль играет ее высота над уровнем моря, а климата морских побережий и островных стран – течения в океане.
Сочетание климатообразующих факторов в различных географических условиях создает разные типы климата. Классификаций климата имеется много. По классификации В. Кеппена по температурному режиму выделяют 6 классов климата:
А. Тропические – среднемесячные температуры больше 17° С в течение всего года.
Б. Субтропические – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 8-12 месяцев.
В. Умеренные – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 4-7 месяцев.
Г. Субарктические – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 1-3 месяцев.
Д. Полярные – среднемесячные температуры ни в одном месяце не превышают 9° С.
Е. Сухие – испарение превышает осадки.
Различают климаты холодный, умеренный и жаркий – по режиму температуры, кроме того, каждую из трех основных разновидностей климата можно в зависимости от режима осадков и влажности дополнительно характеризовать как морской (влажный, с ровным ходом температуры) или континентальный (сухой, с резкими колебаниями температуры).
Это упрощенная, приблизительная классификация земных климатов, не включающая многие важные климатические особенности, например, зону муссонов или высокогорные районы и т.п..
Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли
Содержание
В предыдущих уроках мы рассчитывали давление жидкости на дно и стенки сосуда по формуле $p=\rho gh$. Получится ли по этой формуле рассчитать атмосферное давление?
Для этого нам нужно будет знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха меняется в зависимости от высоты: в нижних слоях атмосферы она больше, чем в верхних.
В данном уроке мы рассмотрим опыт, который позволяет рассчитать величину атмосферного давления.
Опыт Торричелли
В XVII веке во Флоренции герцог Тосканский готовился к балу в своем замке и приготовил для своих гостей необычный сюрприз: фонтан, струи которого должны были зрелищно окружить террасу своими струями. Однако, несмотря на работу ручных насосов, вода поднималась только на высоту около 10 метров. Недоумевающие строители обратились за помощью к Галилею, который предложил разобраться в этом своему ученику Торричелли.
Эванджелиста Торричелли (рисунок 1) смог не только объяснить «упрямство фонтана» действием атмосферного давления, но пошел дальше и рассчитал это атмосферное давление.
Рисунок 1. Эванджелиста Торричелли (1608-1647) – итальянский физик и математик, ученик Галилея.
Рассмотрим известнейший опыт Торричелли. На рисунке 2 представлена стеклянная трубка длиной 1 м, один конец которой запаян. Трубку наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв открытый конец, ее переворачивают, опускают в чашу с ртутью и под ртутью открывают конец трубки.
Рисунок 2. Опыт Торричелли.
Мы видим, что часть ртути при этом выливается в чашу, а другая ее часть остается в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Заметим, что в трубке над ртутью воздуха нет, там безвоздушное пространство.
Теперь давайте рассмотрим объяснение данного опыта. Поверхность ртути в чаше испытывает атмосферное давление. Ртуть в чаше находится в равновесии, то есть давление в трубке на уровне $аа_1$(рисунок 3) равно атмосферному давлению $p_<атм>$. Если бы это было не так, и давление в трубке было бы больше атмосферного, то ртуть выливалась бы в чашу, а если меньше, то ртуть поднималась бы в трубке вверх.
Рисунок 3. Дополнительная иллюстрация опыта Торричелли.
Так как в верхней части трубки воздуха нет, то давление создается только весом столбы ртути. Из этого следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке, т.е.:
Соответственно, чтобы посчитать величину атмосферного давления, достаточно измерить высоту столба ртути. Из формулы $p=\rho gh$ мы видим, что величина атмосферного давления будет прямо пропорциональна высоте столба ртути в трубке: при уменьшении атмосферного давления мы увидим, что столб ртути понизился, а при увеличении атмосферного давления столб ртути в опыте Торричелли станет выше.
Поэтому на практике атмосферное давление часто измеряется высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давление 770 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, что и вертикальный столб ртути высотой 770 мм. Каждый из вас слышал прогноз погоды от гидрометцентра. В сводках погоды атмосферное давление также передают в мм рт. ст.. А в каких единицах мы обычно рассчитываем давление на занятиях, решая задачи? Давайте найдем соотношения между этими единицами и выясним, чему равен 1 мм рт. ст. в паскалях (Па).
Давление столба ртути pртути высотой 1 мм равно:
$p=13600\frac<кг> <м^3>\cdot 9,8\frac<Н> <кг>\cdot 0,001м≈133,3 Па$
Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
Среднее значение атмосферного давления равно 760 мм рт. ст., выразим это значение в паскалях и в гектопаскалях (также довольно широко используемая величина измерения):
760 мм рт. ст.≈101 300 Па≈1013 гПа.
Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простой прибор – ртутный барометр, служащий для измерения атмосферного давления (рисунок 4).
Рисунок 4. Простейший ртутный барометр.
После ежедневного наблюдения за высотой столба ртути в трубке, Торричелли сделал вывод, что периодически атмосферное давление меняется, и его изменения связаны с погодными условиями.
Другие опыты
В конце 1646 года семья Паскалей жила во французском городе Руане. Блез Паскаль повторил известный опыт, экспериментируя не только с ртутью, как Торричелли, но и с водой, маслом, красным вином. Интересно, что эти опыты он проводил на улицах Руана, собирая толпы любопытных граждан. Неудивительно, ведь вместо чаши и трубки длиной 1 метр ему понадобились бочки и трубки длиной более 15 метров.
Интересный эксперимент был проведён 19 сентября 1648 года. Блез Паскаль и его зять Флорен Перье проделали опыт, доказавший существование атмосферного давления. При помощи стеклянной трубки и чаши с ртутью предстояло измерить, на какую высоту поднимается в ней ртуть у подножия и на вершине горы Пюи-де-Дом высотой 1647 метров в Клермоне. На вершине столбик ртути остановился на более низкой отметке, так как там земная атмосфера была на 1647 метров меньше. Разница уровней ртути составила почти 8 см (рисунок 6).
Рисунок 6. Опыт Блеза Паскаля и Флорена Перье на горе Пюи-де-Дом.
Интересный факт: самый большой водяной барометр высотой более 12,5 метров был сконструирован в 1985 году Бертом Болле, хранителем музея барометров в Маартенсдейке (Нидерланды), где он и был установлен вплоть до закрытия музея (рисунок 7).
Рисунок 7. Водяной барометр в центральном зале музея барометров, 1995 год.