Вес воздуха. Атмосферное давление. Причина появления атмосферного давления

В книгах по метеорологии атмосфера Земли часто описывается как огромный воздушный океан, в котором мы все живем. Различные диаграммы изображают нашу планету в окружении огромного атмосферного моря высотой в несколько сотен километров, разделенным на несколько различных слоев. Но тот слой нашей атмосферы, который поддерживает всю жизнь, в действительности, чрезвычайно тонкий — толщиной всего чуть более 5 км. Часть же нашей атмосферы, которая может быть измерена с некоторой степенью точности, поднимается примерно до 40 километров. Кроме того, дать точный ответ о том, где атмосфера в конечном итоге заканчивается, почти невозможно; где-то между 400 и 500 км существует неопределенная область, где воздух постепенно разрежается и в конечном итоге растворяется в космическом вакууме.

Так что слой воздуха, окружающий нашу планету, в конце концов, не такой уж и большой. Как красноречиво выразился один известный ученый-метеоролог: «Земля не висит в море воздуха — она ​​висит в море космоса, и на ее поверхности есть чрезвычайно тонкий слой газа».

И этот газ — наша атмосфера.

Если человек поднимется на высокую гору, например, такую ​​как Мауна-Кеа на острове Гавайи, вершина которой достигает 4206 метров над уровнем моря, высока вероятность заболевания высотной болезнью (гипоксией). Перед восхождением на вершину посетители останавливаются в промежуточном лагере, расположенном на высоте 2804 м, где должны пройти акклиматизацию к высоте, прежде чем идти дальше на гору. «Ну, конечно, — можете сказать вы, — всем известно, что количество доступного кислорода на такой большой высоте значительно меньше по сравнению с тем, что есть на уровне моря».

Но, делая такое заявление, вы ошибаетесь!

Фактически, 21% атмосферы Земли состоит из живительного кислорода (78% — это азот, а оставшийся 1% — другие газы). И это соотношение в пропорциях практически одинаково как на уровне моря, так и высоко в горах.

Большая разница не в количестве присутствующего кислорода, а скорее, в его плотности и давлении.

Часто воздух сравнивают с океаном, используя термин «воздушный океан», и это верно, поскольку все мы буквально плывем в воздухе. А теперь представьте себе такое: высокое пластиковое ведро до краев заполнено водой. Теперь проделайте отверстие в верхней части ведра. Вода будет медленно стекать. Теперь сделайте еще одну дыру внизу около дна. Что произойдет? Из нижнего отверстия вода будет стремительно вытекать сильной струей. Причина в разнице давления. Давление, оказываемое весом воды внизу у дна ведра, больше, чем вверху, поэтому вода сильней «выдавливается» из отверстия снизу.

Точно так же давление всего воздуха над нами — это сила, которая заталкивает воздух в наши легкие тем самым поставляя кислород в кровоток. Как только это давление снижается (например, когда мы поднимаемся на высокую гору), в легкие поступает меньше воздуха, следовательно, меньше кислорода достигает нашего кровотока, что приводит к гипоксии; опять же, не из-за уменьшения количества доступного кислорода, а из-за уменьшения атмосферного давления.

Что такое атмосферное давление?

Атмосферное давление, также называемое барометрическим давлением, — это давление газовой оболочки нашей планеты, атмосферы, действующее на все объекты, находящиеся в ней, а также на земную поверхность. Давление соответствует силе, действующей в атмосфере на единицу площади. В покоящейся стационарной атмосфере давление равно отношению веса вышележащего столба воздуха к площади его поперечного сечения.

Проще говоря, это сила, с которой повсюду окружающий нас воздух воздействует на поверхность Земли и предметы.

Атмосферное давление выражается в нескольких различных системах единиц измерения: миллиметры (или дюймы) ртути, дины (dyn) на квадратный сантиметр, миллибары (mb), стандартная атмосфера или паскали (Па). Стандартное давление на уровне моря, по определению, равно 760 мм ртутного столба (29,92 дюйма), 1013,25 × 103 дин на см2, 1013,25 миллибар, одна стандартная атмосфера, или 101,325 килопаскалей. 1 мм ртутного столба соответствует примерно 133 Па.

Колебания давления в атмосфере и под водой

При погружении в толщу воды наблюдается быстрый рост давления – на 1 атмосферу на каждые 10 метров роста глубины. Это вынуждает глубоководные организмы приспосабливаться к такому воздействию. При нормальном давлении они существовать не могут и погибают.

Повышение давления под водой является одной из основных проблем глубоководных погружений. Особенно неблагоприятно резкое всплывание на поверхность, что может привести к опасной декомпрессии.

Пребывание на больших высотах также несёт потенциальную угрозу для здоровья, так как человеческий организм мало адаптирован к столь низким значениям. Из-за снижения парциального давления кислорода может возникнуть дефицит кислорода в организме – гипоксия. На высоте 8 км атмосферное давление в несколько раз меньше, чем на уровне моря, и составляет 270 мм. рт. ст.

У земной поверхности тоже могут быть значительные перепады атмосферного давления, но очень редко. Максимальный диапазон колебаний составляет от 640 до 816 мм рт. ст. Однако при определённых условиях (смерчи, торнадо) давление может падать ещё ниже.

Метеорологические процессы влияют на величину атмосферного давления, однако чаще всего его перепады невелики. Поэтому и влияние их на организм человека менее выражено.

Почему возникает атмосферное давление

В ходе многих экспериментов было доказано, что воздух отнюдь не невесом. На воздух действует сила притяжения Земли, которая способствует образованию давления.

Масса воздуха вокруг земного шара не одинакова. Поэтому колеблется и уровень атмосферного давления. В областях с большей массой воздуха наблюдается более высокое давление. Если воздуха меньше (в таких случаях его еще называют разреженным), то давление ниже.

Почему меняется вес атмосферы? Секрет этого явления заключается в нагревании воздушных масс. Дело в том, что воздух нагревается не непосредственно от солнечных лучей, а за счет нагрева от земной поверхности. Вблизи нее воздух нагревается, расширяется и, становясь легче, поднимается вверх. В это время охлаждаемые потоки становятся тяжелее и спускаются вниз. Этот процесс происходит постоянно. Воздух перемещается из районов высокого давления в области низкого давления. Результатом является ветер, который оказывает большое влияние на погоду и климат.

Измерение атмосферного давления

Чтобы измерить атмосферное давление, метеорологи используют барометр.

Различают барометры двух типов:

• жидкостные;
• механические (барометр-анероид).

Жидкостные барометры заполняются ртутью. Данный прибор изобрел итальянский ученый Эванджелиста Торричелли. В 1643 году он доказал, что атмосферу можно взвесить, используя столбик ртути. Этот прибор был самым первым барометром. Открытый конец стеклянной трубки помещают в открытую чашу с ртутью. Атмосферное давление вынуждает ртуть подниматься вверх по трубке. На уровне моря столбик ртути поднимется (в среднем) на высоту 760 миллиметров.

А почему бы не использовать воду вместо ртути? Дело в том, что ртуть в 13,6 раза плотнее воды. Атмосферное давление может удерживать на месте вертикальный столб воды примерно в 13,6 раза выше ртутного столба. И для того, чтобы сделать водяной барометр, потребуется стеклянная трубка длиной более 10 м!

Эванджелиста Торричелли — итальянский математик и физик, ученик Галилея. Известен как автор концепции атмосферного давления и продолжатель дела Галилея в области разработки новой механики.

С другой стороны, ртуть является самым тяжелым веществом, которое остается жидким при обычной температуре. Это позволяет сделать инструмент более удобным в использовании.

Чаще встречаются барометры-анероиды. Конструкция такого устройства включает в себя металлическую коробку с разреженным воздухом внутри. Когда давление падает, коробка расширяется. С увеличением давления коробка сжимается и воздействует на прикрепленную пружину. Пружина приводит в движение стрелку, которая показывает на шкале уровень давления.

Природные колебания атмосферного давления

Естественные колебания барометрического давления воздуха связаны с неравномерностью прогрева различных участков земного шара, с взаимодействием суши и океана и с вращением Земли. Воздух над более прогретыми участками становится более подвижным, а потому расширяется и растекается в стороны, что ведёт к снижению атмосферного давления. И, напротив, над менее прогретыми местами воздух менее подвижен, а потому склонен больше сжиматься и уплотняться. В соответствии с формулой: P = ρgh, где ρ – плотность, g – ускорение, а h – высота над уровнем моря, более плотный воздух на одной и той же высоте создаёт более высокое давление, что и фиксируется барометрами.

Во время грозы и сразу перед ней атмосферное давление, как правило, понижается, что может вызвать изменение самочувствия у метеочувствительных людей. Так же снижение давления может отмечаться сразу перед приходом холодного атмосферного фронта.

Увеличение и уменьшение давления

Когда давление превышает отметку 760 мм рт. ст., его называют повышенным, а когда уровень меньше нормы — пониженным.

В течение 24 часов происходит несколько изменений атмосферного давления. Утром и вечером оно поднимается, а после 12 часов дня и ночью уменьшается. Это происходит из-за того, что температура воздуха меняется и, соответственно, его потоки движутся.

Зимой самое высокое атмосферное давление отмечается над материковой частью Земли, потому что здесь воздух имеет низкую температуру и очень плотный. Летом наблюдается обратная ситуация — наблюдается минимальное давление.

В более глобальном масштабе давление также зависит от температуры. Поверхность земли нагревается неравномерно: планета имеет геоидную (а не идеально круглую) форму и вращается вокруг Солнца. Одни участки планеты нагреваются сильнее, другие – слабее. Из-за этого атмосферное давление распределяется зонально по поверхности планеты.

Существуют 3 пояса, где преобладает низкое давление, и 4 пояса с преобладающим высоким давлением. Экваториальная зона прогревается сильнее всего, поэтому легкий теплый воздух поднимается вверх и у поверхности образуется низкое давление.

У полюсов все наоборот: холодный воздух оседает вниз, поэтому здесь фиксируется высокое давление. Если вы посмотрите на схему распределения давления по поверхности планеты, то заметите, что пояса низких и высоких давлений чередуются.

Кроме того, нужно помнить о неравномерном нагреве обоих полушарий Земли на протяжении всего года. Это приводит к некоторому смещению поясов низкого и высокого давления. Летом они сдвигаются к северу, а зимой — к югу.

От чего зависит уровень атмосферного давления

По регионам земного шара атмосферное давление распределяется неравномерно, поскольку зависит от ряда взаимосвязанных факторов.

1. Высота – чем выше находится точка измерения над уровнем моря, тем меньшее давление со стороны атмосферы она испытывает.
   Объясняется это уменьшением веса воздушного столба: с набором высоты он становится короче, а воздух в нём – разреженным, а значит, более лёгким.

   На высоте 5 км атмосферное давление составляет лишь половину от нормального, на 15-ти км оно меньше в 8 раз, на 20-ти км – в 18 раз.

2. Температура – по мере нагрева плотность воздуха уменьшается, а при охлаждении – увеличивается. В течение суток температура меняется несколько раз, а вместе с ней и давление:
   утром и вечером оно повышается, а после полудня и полуночи – снижается.

   На морозе воздух холоднее и плотнее, чем в жару, а следовательно, и давление в зимний период будет больше по сравнению с летним.

   Температура у поверхности земли может колебаться в пределах -600 С — +600 С, а давление «скакать» от 640 до 790 рт.ст.

3. Перемещение континентальных и морских воздушных масс (муссоны, пассаты, тайфуны, цунами и т.п.), приводящее к образованию тёплых и холодных воздушных фронтов, а также зон с пониженным или повышенным давлением (циклонов и антициклонов).
4. Географическое положение – на Земле существуют пояса, характеризующиеся стабильно высоким или низким атмосферным давлением.
   В экваториальном поясе из-за высоких температур давление всегда пониженное, а в холодных полярных широтах – повышенное. В тропиках давление выше, чем в зонах с умеренным климатом.

Атмосферное давление подвержено сезонным колебаниям, но общую картину это не меняет. Показатели давления в целом носят устойчивый характер, а зоны повышенного и пониженного давления остаются неизменными.

Атмосферное давление, нормальное для человека

Нормальное атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст. или 101 325 Па при 0 ℃ на уровне моря (45° широты). В этом случае на каждый квадратный сантиметр земной поверхности атмосфера воздействует с силой 1,033 кг. Ртутный столбик высотой 760 мм уравновешивает массу этого столба воздуха.

Вышеупомянутый Торричелли в ходе эксперимента также заметил, что когда колба заполняется ртутью, в верхней ее части остается незаполненное пространство — пустота. Со временем это явление стали называть «торричеллиевой пустотой». Тогда ученый еще не знал, что в ходе своего эксперимента он создал вакуум — то есть пространство, свободное от каких-либо веществ.

При стандартном давлении 760 мм рт. ст. человек чувствует себя наиболее комфортно. Воздух давит на человека с силой около 16 тонн, но мы этого не замечаем. Почему же мы не чувствуем этого давления?

Дело в том, что внутри нашего тела тоже есть давление. Не только люди, но и представители животного мира приспособились к атмосферному давлению. Каждый орган формировался и развивался под влиянием этой силы. Когда атмосфера действует на тело, эта сила равномерно распределяется по всей поверхности. Таким образом, наше внутреннее давление уравновешивается со внешним, и мы его не чувствуем.

Нормальное атмосферное давление не следует путать с климатической нормой. В каждом регионе существуют свои стандарты для определенного времени года. К примеру, во Владивостоке среднегодовое атмосферное давление практически равно норме — 761 мм рт. ст.

А вот в населенных пунктах, расположенных в горных районах (например, в Тибете), обычно давление намного ниже — 413 мм рт. ст. Это сопряжено с высотой около 5000 м.

Устройство безжидкостного барометра

Мы узнали, как обозначается давление в безжидкостном барометре, а теперь нарисуем его схему.

Три коробочки придают устройству большую точность, но в принципе достаточно и одной. Она специально сделана гофрированной для того, чтобы обладать способностью менять свою толщину. Вспомните гофрированные, а поэтому гибкие шланги пылесосов. Нижняя часть коробочки прикреплена к основанию. К верхней ее части прикреплена пружина, которая пытается расправить коробочку так же, как алюминиевая линейка, если ее согнуть, пытается распрямиться. Атмосферное давление, наоборот, пытается сжать коробочку.

Когда давление увеличивается, толщина коробочки уменьшается, значит, рычаг поворачивает ось. Если к оси прикрепить стрелку, то она будет поворачиваться вправо, когда толщина уменьшается, и влево, когда толщина увеличивается.

Влияние атмосферного давления на человека

Долгое время медицина не признавала связи между погодными явлениями и здоровьем. Только за последние 50 лет благодаря всестороннему изучению влияния погодных условий на организм человека доказано — атмосферное давление и здоровье человека тесно связаны, и на любые погодные изменения люди реагируют осложнением в самочувствии. Ситуация, когда погодные условия влияют на физическое состояние человеческого организма, называется метеопатией.

Метеопаты — это люди, организм которых реагирует даже на минимальные отклонения атмосферного давления от нормы. Также к ним относятся люди с некоторыми хроническими заболеваниями (в частности, сердечно-сосудистыми, нервной системы и т. д.).

В год атмосферное давление колеблется в пределах 30 мм рт. ст. В течение дня значения могут колебаться от 1 до 3 мм рт.ст. Здоровый человек не ощущает этих изменений, но метеозависимые люди с любыми проблемами со здоровьем эти отклонения могут ощущать.

Гипертония и гипотония — вот два основных заболевания, для которых характерна метеорологическая зависимость.

Высокое атмосферное давление крайне небезопасно для гипертоников, людей с сердечной патологией. Всем, у кого имеется гипертония и чувствительность к переменам погоды придется столкнуться с такими симптомами: сердце бьется быстрее, на фоне чего растет артериальное давление (АД); кожа начинает краснеть; наблюдается слабость; в ушах появляется шум, перед глазами – мушки, в голове – пульсация.

Сильно ощущают перемены погоды люди с гипертонической болезнью в пожилом возрасте. Их организм ослаблен возрастными изменениями, накопленными болезнями, в результате возникает риск гипертонического криза, поражения сердца и сосудов.

Падение атмосферного давления в первую очередь влияет на здоровье людей с гипотонией и патологиями органов дыхания. В воздухе повышается процент углекислого газа, а кислорода – наоборот, уменьшается. Такие изменения погодных условий из-за недостатка кислорода у гипотоников вызывает недомогания: циркуляция крови замедляется и слабеет пульс, кровь хуже поступает к органам, падает АД; дыхание затрудняется; появляется сонливость и быстрая утомляемость, головокружение и тошнота; внутричерепное давление растет, на фоне этого возникают спазмы, превращающиеся в головные боли.

Зависимость самочувствия людей от атмосферного давления касается не только скачков артериального давления. У людей с психическими расстройствами усиливается проявление навязчивых состояний, страхов и различных фобий.

При болезнях суставов повышается вероятность болевых приступов в местах переломов и там, где существуют проблемы.

Значительные отклонения от нормы почувствует абсолютно любой человек, даже здоровый. Это относится как к высокому, так и к низкому давлению.

Влияние пониженного атмосферного давления на самочувствие человека, находящегося, например, в горах, проявляется в учащении дыхания и пульса, головных болях, приступах удушья и носовых кровотечениях. Симптомы проходят по мере привыкания человека к окружающим условиям. Часто возникает необходимость в медицинской помощи людям, имеющим признаки кислородного голодания.

Альпинисты при восхождении на горные вершины, во избежание смерти от недостатка кислорода, вынуждены брать с собой кислородные баллоны.

При повышенном давлении пульс у человека замедляется, а дыхательная функция угнетается. Кроме того, повышается свертываемость крови и происходит сокращение стенок кишечника. Влияние внешнего давления на самочувствие человека увеличивается пропорционально расстоянию, на которое человек спускается. Наиболее подвержены воздействию повышенного давления люди, выполняющие работы на глубине. Количество растворенных газов в крови достигает максимального значения, повышается работоспособность и концентрация. Однако, в то же время, большое количество кислорода оказывает токсическое действие и провоцирует возникновение заболеваний легких. Подъем рабочих с глубины осуществляется специальным образом в соответствии с принятыми методиками. В случае нарушения скорости подъема пузырьки газа закупоривают кровеносные сосуды, и может наступить смерть.

Метеозависимость что делать?

Движение ртути более чем на одно деление за 3 часа – повод для стресса у крепкого организма здорового человека. Такие колебания чувствует каждый из нас в виде головной боли, сонливости, усталости. Более трети людей страдает от метеозависимости в разной степени тяжести. В зоне высокой чувствительности население с заболеваниями сердечно-сосудистой, нервной и дыхательной системы, пожилые люди. Как помочь себе, если близится опасный циклон?

Прочтите также: Что может болеть в левом боку?

15 способов пережить метеоциклон

Здесь собрано не так много новых советов. Считается, что в совокупности они облегчают страдания и учат правильному образу жизни при метеоуязвимости:

1. Регулярно ходите к врачу. Консультируйтесь, обсуждайте, спрашивайте совета на случай ухудшения самочувствия. Имейте всегда под рукой прописанные препараты.
2. Купите барометр. Продуктивнее отслеживать погоду по движению ртутного столба, а не боли в колене. Так вы сумеете предвидеть надвигающийся циклон.
3. Следите за прогнозом погоды. Предупрежден – значит вооружен.
4. Накануне перемены погоды высыпайтесь и ложитесь раньше обычного.
5. Налаживайте режим сна. Обеспечьте себе полноценный 8-часовой сон, подъем и засыпание в одно время. Это оказывает мощный восстановляющий эффект.
6. График питания равносильно важен. Следите за сбалансированным рационом. Калий, магний и кальций – обязательные минералы. Запрет на переедание.
7. Пейте витамины курсом весной и осенью.
8. Свежий воздух, прогулки на улице – легкие и регулярные нагрузки укрепляют сердце.
9. Не перенапрягайтесь. Отложить бытовые дела не так опасно, как обессилить организм перед циклоном.
10. Копите благоприятные эмоции. Угнетенный эмоциональный фон подпитывает болезнь, потому улыбайтесь чаще.
11. Одежда из синтетических ниток и меха вредна статическим током.
12. Храните народные способы снятия симптомов списком на видном месте. Рецепт травяного чая или компресса трудно вспомнить, когда ломит виски.
13. Работники офисов в высотных зданиях страдают от перемены погоды чаще. Берите отгул по возможности, а лучше меняйте работу.
14. Длительный циклон – дискомфорт на несколько дней. Есть возможность уехать в спокойный регион? Вперед.
15. Профилактика минимум за день до циклона готовит и укрепляет организм. Не сдавайтесь!

Не забывайте принимать витамины для укрепления здоровья

Атмосферное давление – это явление, которое абсолютно не зависит от человека. Более того, наше тело подчиняется ему. Какое должно быть оптимальное давление для человека определяет регион жительства. Особо поддаются метеозависимости люди с хроническими заболеваниями.

Циклоны и антициклоны

В атмосфере существуют два основных типа систем давления: циклоны и антициклоны. Циклоны и антициклоны — это ветровые системы, имеющие противоположные характеристики.

Циклон – это совокупность ветров, циркулирующих в системе низкого давления. Он вращается против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. Обычно он ассоциируется с сырой и штормовой погодой.

Антициклон — то тип ветра, который циркулирует в системе высокого давления. Он вращается по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Обычно он ассоциируется с сухой и ясной погодой.

Для того, чтобы лучше понять, чем отличаются эти два явления, рассмотрим их более подробно.

Циклон — это область низкого давления, где воздушные массы поднимаются ввысь. Обычно это указывает на плохую погоду, например, на дождь или облака. Ветры в циклонах дуют против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии. В циклоне воздух у земли вытесняется к центру циклона с низким давлением, а затем поднимается вверх, расширяясь и охлаждаясь при движении. По мере охлаждения поднимающийся воздух становится более влажным, что приводит к облачности и высокой влажности внутри циклона. Основные последствия тропических циклонов включают проливной дождь, сильный ветер, сильные штормовые нагоны вблизи берега и торнадо. Разрушение от тропического циклона, такого как ураган или тропический шторм, в основном зависит от его интенсивности, размера и местоположения.

Циклоны бывают двух типов:

1. Тропические циклоны. Это циклоны, образующиеся над теплыми тропическими океанами, называются еще тропическими штормами или тропическими депрессиями. Отличаются относительно небольшими размерами. Однако им свойственна огромная, разрушительная сила ветра.

Основные бассейны тропических циклонов включают Северную Атлантику (включая Карибский бассейн), восточную часть Тихого океана, западную часть Тихого океана, северную часть Индийского океана, юго-Западную часть Индийского океана, южную часть Тихого океана и Австралийский регион. Обычно тропические циклоны развиваются в пределах между 5 и 30 градусов широты, так как для их образования требуется океанская вода с температурой 27 °С или около того.

Терминология, связанная с тропическими циклонами, весьма запутанная, потому что в разных частях мира люди называют эти опасные штормы разными именами. В Северной Атлантике и Карибском бассейне, а также в северо-восточной части Тихого океана их обычно называют «ураганами». В северо-западной части Тихого океана — самом активном бассейне тропических циклонов в мире – это “тайфуны”, в то время как в Индийском океане и Южной части Тихого океана они просто “тропические циклоны” или “циклоны». «Торнадо» – гораздо меньшие по размеру и более локализованные, чем тропические циклоны, но способные генерировать еще более высокие скорости ветра – иногда в просторечии называют “циклонами”, хотя это совершенно разные штормы.

Особенно сильные грозы, генерирующие большинство самых сильных торнадо в мире, образуют вращающиеся восходящие потоки, называемые мезоциклонами. В Соединенных Штатах ежегодно происходит около 1700 мезоциклонов, причем примерно 50 процентов из них превращаются в торнадо.

Циклоны относятся к числу наиболее опасных и разрушительных стихийных бедствий, которые могут произойти. Они были причиной 1,9 миллиона смертей во всем мире за последние два столетия. Согласно некоторым оценкам, ежегодно от этих штормов погибают до 10 000 человек. Наибольший ущерб циклоны, как правило, наносят прибрежным районам.

2. Внетропические или среднеширотные циклоны. Развиваются вдоль фронтальных границ в средних широтах. Эти циклоны, которые, в отличие от их тропических аналогов, развиваются там, где существуют резкие температурные градиенты между соседними воздушными массами, могут быть намного больше, чем ураганы, хотя их ветры, как правило, слабее. Достигают нескольких тысяч километров в диаметре.

3. Полярные циклоны, они же «Арктические ураганы» — иногда формируются над арктическими и антарктическими морями, обусловленные влиянием холодного воздуха, движущимся над несколько более теплыми океанскими водами. В Северном полушарии метеорологи иногда называют полярные циклоны “арктическими ураганами”, потому что их источник энергии – теплопередача от воды к воздуху и скрытое тепло, выделяемое при конденсации облаков, а также потому, что их спиральные облачные полосы несколько похожи на тропические циклоны. Полярные циклоны часто формируются быстро, иногда менее чем за 24 часа, и их трудно заранее спрогнозировать.

Антициклон представляет собой область высокого давления, где воздушные массы опускаются к земле. Обычно это указывает на хорошую погоду. Ветры в антициклоне дуют по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном полушарии. Воздушные массы в центре антициклона двигаются вниз, заменяясь нисходящим потоком воздуха с больших высот. По мере движения вниз воздух сжимается и нагревается, что снижает его влажность и приводит к уменьшению количества облаков внутри антициклона, сухой и безоблачной погоде.

Как известно, ветры дуют из системы высокого давления в систему низкого. В случае антициклона ветер дует и расходится от центра системы высокого давления. Однако он не течет прямо наружу. Благодаря вращению Земли воздух имеет тенденцию двигаться по спирали. В Северном полушарии воздушные потоки в области высокого давления движутся по часовой стрелке, а в Южном — против. Эта закономерность гарантирует, что ветры к востоку от антициклона в Северном полушарии принесут холодный воздух с севера, в то время как ветры к западу принесут теплый воздух с юга. В Южном полушарии эта картина обратная.

Антициклон приносит стабильные погодные условия, соответствующие времени года. Летом стоит безветренная жаркая погода, зимой — морозная. Для него характерно небольшое количество облаков или их полное отсутствие.

Антициклоны формируются на определенных участках. Например, чаще всего они встречаются над большими массивами льда: в Антарктиде, Гренландии и Арктике. Также иногда бывают и в тропиках.

Антициклоны также несут в себе опасность и неприятные последствия. Они могут способствовать возникновению пожаров, продолжительной засухе. При длительном отсутствии ветра в крупных городах накапливаются вредные вещества и газы, что особенно актуально для людей с респираторными заболеваниями.

Как с высотой изменяется атмосферное давление?

Атмосферное давление напрямую связано с высотой. Чем выше, тем ниже давление и наоборот. Если подняться на 12 м над уровнем моря, то столбик ртути в барометре уменьшится на 1 мм.

Вблизи поверхности Земли давление уменьшается с высотой со скоростью около 3,5 миллибар на каждые 30 метров. Однако в случае с холодным воздухом снижение давления может быть намного быстрее, потому что его плотность больше, чем у более теплого воздуха.

На уровне моря атмосферное давление составляет около 1000 мб (100 кПа). На вершине Эвереста (8848 метров) – давление падает примерно до 300 мб (30 кПа).

Давление на высоте 270 000 метров составляет 10-6 мб, что сравнимо с давлением в лучшем из когда-либо искусственно созданных человеком вакуумов. На высотах от 1500 до 3000 метров давление настолько низкое, что может вызвать горную болезнь и серьезные физиологические проблемы, если не будет предпринята тщательная акклиматизация.

Давление чаще всего отображают в гектопаскалях (1 гПа = 102 Па), а не в миллиметрах ртутного столба: 1 мм рт. ст.= 133,3 Па = 1,333 гПа. Связь между высотой и давлением несложно получить с помощью простой 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 (100 Па). Этот показатель называется барической ступенью. Стандартное атмосферное давление — 1013 гПа (можно округлить до 1000).

Как рассчитать изменение давления на другой высоте, используя эти данные? Например, при подъеме на 90 м давление снизится на 10 гПа. В этом случае получается, что при подъеме на 900 м давление упадет до 0.

Но, так как плотность воздуха также меняется с высотой, то когда речь идет о большем расстоянии (начиная с 1,5-2 км), все расчеты должны проводиться с учетом этого параметра.

График изменения атмосферного давления с высотой наглядно отображает все вышесказанное. Он имеет вид вид изогнутой линии, а не прямой. Из-за того, что плотность атмосферы не одинакова, с увеличением высоты давление начинает снижаться все медленнее. Однако оно никогда не достигнет нулевой отметки, потому что везде есть какое-то количество частиц вещества — во Вселенной нет абсолютного вакуума.

Норма атмосферного давления для Санкт-Петербурга, Москвы

Для человека комфортным считается атмосферное давление, находящееся в диапазоне 750-765 мм рт.ст., то есть в районе нормы.

Однако следует иметь в виду, что это не строгие рамки. Люди со временем адаптируются к местным географическим и климатическим условиям, поэтому для жителей горных районов нормой может быть и более низкий показатель.

На метеорологических картах России проведены линии-изобары, которые условно разделяют территорию на зоны с примерно равным атмосферным давлением.

В нижеприведённой таблице в качестве примера приведены данные о нормальном атмосферном давлении и его допустимом отклонении от нормы для некоторых городов.

Город	Среднегодовое давление, мм рт.ст.	Допустимый максимум, мм рт.ст.
Москва	747-748	755
Санкт-Петербург	753-755	762
Ростов-на-Дону	740-741	748
Екатеринбург	735-741	755

Как видим, самое высокое среднегодовое давление – в Санкт-Петербурге. Это и понятно: центральная часть города находится на отметке всего лишь 1-5 м над уровнем моря.

Атмосферное давление в горах

В горах атмосферное давление так или иначе будет ниже, чем у кромки моря. То, как человек при этом будет себя чувствовать, зависит от высоты и некоторых дополнительных условий. Например, при нормальной влажности восхождение на 3000 м может вызвать слабость и снижение дееспособности. Это происходит из-за недостатка кислорода.

Во влажном климате подобные ощущения возникают уже на высоте 1000 м. Дело в том, что молекулы воды вытесняют молекулы кислорода — во влажном воздухе кислорода меньше. А в сухом климате можно подняться на 5000 м почти без проблем.

Влияние различных высот на человека:

— 5 км — ощущается нехватка кислорода;

— 6 км — это наибольшая высота, на которой существуют постоянные поселения людей;

— 8,9 км — высота Эвереста. Вода на такой высоте кипит при температуре + 68 ℃. Опытные, подготовленные альпинисты могут недолго находиться на такой высоте;

— 13,5 км — безопасно здесь можно находиться только с запасом чистого кислорода. Это максимально допустимая высота, на которой можно находиться без специального снаряжения;

— 20 км — это высота, неприемлемая для человека. Безопасно, если только находиться в герметично закрытой кабине.

Атмосферное давление сегодня:

Вес воздуха. Атмосферное давление. Причина появления атмосферного давления

Вес воздуха. Атмосферное давление. Причина появления атмосферного давления

«В ней живем, движемся и существуем»

К. Фламмарион «Атмосфера»

Данная тема посвящена ответу на вопросы: Обладают ли газы весом? Что такое атмосферное давление и каковы причины его появления?

Все без исключения процессы не только живой, но и неживой природы, происходят при участии атмосферы. Она дает дыхание и жизнь всему живому; она с нами при нашем рождении и нашей смерти. Глубокая лазурь южного неба и зеленый блеск полярного сияния; тишина майского вечера и быстрый ураган; обжигающий самум и прохладный ветер, несущий дождь — все это родится в атмосфере и атмосферой.

Известно, что жидкость имеет вес

. Все ощущали вес, держа в руке ведро воды, бутылку масла или напитка.

Однако мы не чувствуем изменения веса футбольного мяча при его накачивании воздухом. Почему?

Для ответа на этот вопрос обратимся к таблице плотностей жидкостей и газов. Если сравнить плотность воды и плотность воздуха, то можно заметить, что плотность воздуха почти в 800 раз меньше плотности воды.

Так вот, расчеты показывают, что, например, в сильно накаченном мяче вес воздуха находится в пределах 0,1 Н, а его масса составляет около 10 г. Человек, при дыхании за сутки пропускает через себя порядка 20 — 30 кг воздуха, что не так уж и мало.

Покажем на опыте наличие у воздуха массы, а, следовательно, и веса. Для этого возьмем прочный стеклянный шар, заполненный воздухом, и уравновесим его на весах.

Теперь откачаем из шара насосом воздух и взвесим его повторно. Как видно из рисунка, он стал легче.

Добавляя на чашку весов с сосудом разновес, можно узнать массу откачанного воздуха и, соответственно, его вес.

Воздушный слой, окружающий нашу Землю, называют
атмосферой
(от греческого
атмос
— пар, воздух, и
сфера
— шар).
Она тоже имеет вес
. Молекулы земной атмосферы, если бы на них не действовала сила тяжести, двигаясь хаотично, давно покинули бы нашу планету. Но тяготение Земли стремится расположить их у поверхности, в результате чего молекулы газов «парят» в пространстве вокруг Земли, тем самым, создавая атмосферу нашей планеты. Расчеты показывают, что
плотность воздушной оболочки нашей планеты весьма не однородна и заметно убывает с высотой
.

Так, на высоте 5,5 км плотность воздуха уже в два раза меньше, чем у поверхности Земли. На высоте 40 км она равна 0,004 кг/м3, а на высоте в 400 км, где летают спутники, об атмосфере можно говорить лишь условно, так как ее плотность очень маленькая — около 3×10–12 кг/м3.

В атмосферу Земли входят такие газы, как азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы.

Известно, что всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки сосуда, так как молекулы газа непрерывно бомбардируют эти стенки. А вот производит ли давление атмосфера Земли? Если да, то чем оно обусловлено?

Атмосфера удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на слои, располагающиеся ниже. Поэтому
самый нижний слой оказывается наиболее сжатым
. Согласно
закону Паскаля
, давление одного слоя на другой передается по всем направлениям и действует на любое тело — на дома, растительный и животный мир, на людей. Это давление называется
атмосферным давлением.
Атмосферное давление можно рассчитать теоретически. Результаты этих расчетов буквально ошеломляют — атмосферное давление оказывается равным примерно 100 000 Н/м2 (Па)

. Таким образом, на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила в 10 Н, а на всю площадь поверхности тела (примем ее равной 1 квадратный метр) — сила в 100 000 Н. А это равно весу десятитонного КАМАЗа!

Как же люди живут под таким гигантским давлением?

Вспомним упомянутых ранее глубоководных рыб. Подобно им, люди просто не замечают этой гигантской сжимающей силы, так как она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха, который есть внутри любого человека, он даже растворен в нашей крови.

Можно ли обнаружить атмосферное давление?

Для ответа на это вопрос обратимся к опыту. Возьмем сосуд с водой, накроем его листом бумаги и, придерживая рукой лист, перевернем сосуд. А затем уберем руку. Вода не выливается, а лист не отрывается от сосуда. Значит,
сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие силы гидростатического давления налитой в сосуд воды.
Опустите иглу шприца в жидкость и поднимайте поршень вверх. Можно увидеть, что жидкость поднимается вслед за поршнем, противоположно направлению действия силы тяжести. Происходит это потому, что при подъеме поршня между ним и жидкостью образуется безвоздушное пространство

. В это пространство под давлением наружного воздуха и поднимается вслед за поршнем жидкость.

В 1654 году в Регенсбурге немецким ученым Отто фон Герике в присутствии короля германии Фердинанда III проводился опыт-спектакль, в котором участвовали почти все жители города и 16 лошадей. Из пространства между двумя одинаковыми медными полушариями был выкачен воздух. Восемь пар самых сильных лошадей не смогли разорвать полушария. В 1656 году Герике повторял свой эксперимент в Магдебурге, а в 1663 в Берлине с 24 лошадьми.

Более поздние расчеты показали, что для разрыва полушарий необходимо было впрячь 13 сильных ломовых лошадей с каждой стороны. При этом разрыв сопровождался сильным хлопком, подобным звуку выстрела.

Упражнения.

Задача 1.

Кубик с ребром, равным 50 мм и массой 900 г лежит на дне сосуда, в который налита вода на высоту 15 см. Определите вертикальную силу, которую надо приложить в центре верхней грани кубика, чтобы оторвать его от дна. Считайте, что вода не проникает под кубик. Атмосферное давление равно 101 кПа, а коэффициент
g
примите равным 10 Н/кг.

Основные выводы:

– Газы

обладают массой и весом.

– Земная атмосфера обладает весом

вследствие действия на нее притяжения Земли, и, следовательно, и производит давление, которое называется
атмосферным давлением
.

– Действие силы тяжести и хаотичное движение молекул воздуха приводит к тому, что плотность земной атмосферы неодинакова и сильно зависит от высоты

.