Давление атмосферы, единицы и методы его измерения

Известно, что воздух имеет вес. Один кубический метр воздуха при температуре 0° на уровне моря весит 1,3 кг. Этот вес воздуха обусловливает давление атмосферы. При обычных условиях это давление равно 10 333 кг на 1 м² земной поверхности (это давление, принятое за единицу, называют «одной атмосферой»).

Давление столба воздуха атмосферы равно давлению столба воды в 10 м высотой или столба ртути в 76 см (760 мм).

Давление атмосферы обычно выражалось высотой ртутного столба (в мм). Но в последние годы принята другая, более удобная мера, которая выражает величину атмосферного давления абсолютной системой единиц. По предложению норвежского геофизика Бьеркнеса сила давления в 1 млн. дин на 1 см² взята за стандартную единицу, получившую название «бар». Бар соответствует давлению ртутного столба в 750,1 мм. Бар, равный 1 млн. дн, делится на 1 тысячу частей, которые называются миллибарами (сокращенно мб). Таким образом, давление в 1 мм ртутного столба равно 1,333 мб, или 1 мб равен 0,75 мм ртутного столба. Выражение давления воздуха в миллибарах более удобно, и с 1931 г. оно введено у нас в СССР в практику службы погоды.

Для измерения давления атмосферы употребляется ртутный барометр, устройство которого известно из физики. При измерении величины давления вводят поправки на температуру, так как при повышении температуры ртуть и шкала барометра расширяются. На практике пользуются готовой таблицей поправок, которая сразу же дает нужную величину.

Вместо ртутного барометра в некоторых случаях (особенно в экспедициях) приходится пользоваться металлическим барометром, или анероидом (рис. 66). В качестве приемника у этого прибора служит цилиндрическая металлическая коробка с гофрированными дном и крышкой, внутри коробки воздух сильно разрежен. 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.

Существует еще способ определения давления, основанный на изменении температуры кипения воды в зависимости от давления. Для этого употребляется прибор — гипсотермометр (рис. 67). Он состоит из кипятильника и термометра со шкалой, разделенной на 0°,01. Этот прибор обычно применяется в экспедиционных условиях для барометрического нивелирования.

Для непрерывной регистрации изменения атмосферного давления применяется самопишущий прибор — барограф (рис. 68). Приемной частью барографа является несколько соединенных между собой малых анероидных коробок.

Изменение давления с высотой. На уровне моря давление воздуха в среднем равно 1013 мб (760 мм). Чем выше мы будем подниматься над уровнем моря, тем меньше будет столб воздуха над нами, а следовательно, и давление атмосферы. Уменьшение с высотой идет быстрее в нижних слоях и медленнее в верхних, потому что нижние слои больше уплотнены давлением вышележащих слоев воздуха. Можно сказать, что если высота места растет в арифметической прогрессии, то давление убывает в прогрессии геометрической. Так, например, на высоте 5500 м давление равно половине того давления, которое мы имеем на уровне моря, на высоте вдвое большей оно будет уже в четыре раза меньше, а на высоте втрое большей — в восемь раз меньше и т. д.

Для характеристики изменения давления с высотой пользуются величиной барометрической ступени. Барометрической ступенью называется высота, на которую надо подняться (или опуститься), чтобы давление воздуха изменилось на 1 мб. У поверхности Земли барометрическая ступень равна около 8 м. Зная, как изменяется давление с высотой, можно при помощи барометра определять абсолютные и относительные высоты местности.

Точные определения высот по давлению воздуха требуют сложных вычислений. На практике же часто пользуются особыми таблицами, которые позволяют более или менее приблизительно получать данные о высотах. Для примера приводим упрощенную таблицу.

Приведенная таблица пригодна только для тех случаев, когда температура 0°. Для более точных определений вносятся поправки на температуру.

Если на барометре или анероиде рядом со шкалой давления поместить шкалу высот (отвечающих давлению), то мы получим прибор для определения высоты местности над уровнем океана. Прибор, у которого шкала давления заменена шкалой высот, называют высотомером или альтиметром. Высотомеры особенно широко применяются в авиации.

Колебания атмосферного давления. Давление атмосферы подобно другим метеорологическим элементам не может оставаться постоянным. Достаточно, например, нагреться нижнему слою воздуха, чтобы это сказалось на давлении. Достаточно передвинуться холодным массам воздуха в область, занятую теплым воздухом, чтобы давление там увеличилось, и т. д.

Наблюдения показывают, что существуют колебания периодические (суточные и годовые) и непериодические.

Суточный и годовой ход атмосферного давления. Давление в течение суток два раза поднимается и два раза падает. Особенно правильно и резко эти колебания выражены в экваториальных и тропических странах. Здесь максимумы наблюдаются около 9—10 час. местного времени утром и вечером, а минимумы около 3—4 час. после полудня и после полуночи. Амплитуда колебаний в тропическом поясе достигает 3—4 мб в сутки. По направлению к полюсам амплитуда уменьшается, и на 60° северной и южной широты она выражается уже только в десятых долях миллибара.

Настоящие причины суточных колебаний давления атмосферы точно пока не выяснены. Однако есть основание полагать, что они связаны с суточным колебанием температуры воздуха.

Гораздо яснее выражен годовой ход давления атмосферы. На материках максимальное давление наблюдается в зимние месяцы, минимальное— летом. Наиболее резко они выражены в высоких широтах и слабее.всего в экваториальных странах. Здесь совершенно явная связь с температурами. Зимнее охлаждение и уплотнение нижних слоев атмосферы создает условия для повышенного давления, летнее прогревание приводит к явлениям обратного порядка. На побережьях и островах максимум давления чаще всего наблюдается летом, а минимум — поздней осенью.

Изобары. Чтобы судить о распределении давлений по земной поверхности, пользуются теми же способами, что и при изучении температур (изолиниями). Места с одинаковыми давлениями соединяют линиями, которые носят название изобар. При построении карт изобар необходимо, пользуясь барометрической ступенью, все давления приводить к уровню моря.

Типы барических систем. При взгляде на карту изобар легко заметить два основных типа распределения давлений. Первый тип — это области пониженного давления. Изобары этих областей имеют вид замкнутых кривых с понижением давления к центру (рис. 69). Такие области называют циклонами или барическими депрессиями (иногда просто минимумами). Второй тип — это области повышенного давления. Изобары этих областей также имеют вид замкнутых кривых, но с повышением давления к центру (рис. 70).

Области повышенного давления называют антициклонами (иногда просто максимумами).

В этих случаях, когда области циклонов или антициклонов вытянуты, приходится различать еще ложбины и отроги. Ложбина — это полоса пониженного давления, идущая от центра циклона к его периферии. Отрог — аналогичная полоса, идущая от центра антициклона. Только здесь полоса повышенного давления, нередко называемая на картах изобар еще гребнем антициклона.

Область между двумя антициклонами и двумя циклонами нередко называют седловиной.