2.1. Атмосферное давление

Атмосферное давление – это сила, с которой давит на единицу площади земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы. Атмосферное давление в метеорологии принято измерять высотой ртутного столба в трубке барометра. Давление атмосферы удерживает столб ртути в трубке на определенной высоте. На уровне моря эта высота составляет около 760 мм. Для измерения давления в единицах силы в 1930 г. была введена международная единица давления – бар, равная 1 млн. дин на площадь 1 см². В практике использовалась тысячная часть бара – миллибар. С 1980 г. в качестве международной единицы для измерения атмосферного давления принят Паскаль – давление, вызываемое силой в 1 Н на площадь 1 м²:

1 Па = 1 Н/м²=10^-5 бар=0,01 мбар.

Для практических целей используется гектопаскаль: 1гПа = 100 Па = 1 мб = 0,75 мм рт. ст. Ускорение свободного падения на Земном шаре увеличивается от экватора к полюсам и уменьшается с высотой. Чтобы исключить зависимость измеренного атмосферного давления от этих факторов, его приводят к ускорению свободного падения на широте 45° и на уровне моря. Давление, соответствующее массе ртутного столба высотой 760 мм, имеющего температуру 0°С и находящегося на широте 45° и на уровне моря, называют нормальным атмосферным давлением. Оно округленно составляет 1013 гПа. Распределение давления характеризуется барическим градиентом dp/dz, где dp и dz – изменение давления и высоты. Величина обратная барическому градиенту h=dz/dp называется барической (или барометрической) ступенью. Это величина, обратная вертикальному барическому градиенту, представляет прирост высоты, при котором атмосферное давление падает на единицу. Для практического использования барическую ступень h, м/гПа, вычисляют по формуле:

h=8000(1+αt)/P,

где Р – давление, гПа; t – температура, °С, в той же точке, для которой вычисляется барическая ступень; α – температурный коэффициент расширения воздуха, равный 0,004 м/^оС.

Зная барическую ступень атмосферного давления, температуру воздуха и высоту над уровнем моря в одном из двух пунктов, лежащих на разной высоте, можно по разности давлений в этих пунктах определить разность их высот, а отсюда найти и высоту второго пункта над уровнем моря. Этот способ определения высоты пункта называется барометрическим нивелированием.

Пример

На станции, высота которой Н=200 м, давление равно Р_н =1000 гПа, а температура 10°С. Вычислить давление на уровне моря Р_ум. Для определения Р_ум сначала находим приближенное значение барической ступени h по величине атмосферного давления и температуры воздуха на станции:

h=8000(1+αt)/P=8000(1+0,04^.10)/1000=8,3 м/гПа.

Приближенно атмосферное давление на уровне моря можно определить по формуле:

Р_ум=Р_н+ΔР= Р_н+Н/h=1000+200/8,3= 1024 гПа,

где Р_н – атмосферное давление на уровне станции, гПа; ΔР – разница в давлении на уровне моря и на уровне станции, гПа; Н – высота станции над уровнем моря, м; h – барическая ступень, м/гПа.

Для уточнения значения атмосферного давления на уровне моря определяем среднее давление слоя воздуха между уровнями моря и станции

Р=(Р_ум+Р_н)/2=(1024+1000)/2=1012 гПа.

Определяем температуру слоя воздуха на уровне моря (t_ум), учитывая, что в среднем в тро-посфере температура увеличивается с уменьшением высоты с градиентом 0,6°С на 100 м.

t_ум= t_н+(0,6^.200/100)=11,2 ^оС,

где t_н – температура воздуха на станции, С.

Определяем среднюю температуру столба воздуха между станцией и уровнем моря,

t=(t_ум+t_н)/2=(10+11,2)/2=10,6 ^оС.

По средним значениям Р и t находим уточненное значение барической ступени и вычисляем окончательное значение давления на уровне моря

h=8000(1+0,004/10,6)/1012=8,2 м/гПа,

Р_ум=1000+200/8,2=1024,4 гПа.