Атмосферное давление — это сила, с которой на нас воздействует окружающий воздух, т. е. атмосфера. В статье будут приведены опыты, в ходе которых мы убедимся, что давление воздуха действительно существует. Узнаем, кто его впервые измерил, что возникает при неравномерном распределении атмосферного давления и многое другое.
Проявления атмосферного давления
Если воздух давит на все окружающее, значит, он что-то весит. Неужели это правда, почему же тогда он кажется нам невесомым? Проведем опыты, которые свидетельствуют о том, что атмосферное давление существует на самом деле.
Наполним шприц водой до середины, а потом потянем поршень вверх. Вода будет следовать за поршнем. Причина этому — атмосферное давление, но когда люди еще не знали о его существовании, они говорили, что природа просто не терпит пустоты. Сейчас мы знаем, что когда поршень поднимается, создается область пониженного давления, и атмосфера выдавливает воду внутрь шприца.
Опыт с пластиковой карточкой и банкой
Наполним стеклянную баночку доверху водой, накроем сверху кусочком пластика, например, карточкой. Перевернем банку и увидим, что карточка держится и не падает. Силу давления воды компенсирует сила давления атмосферы. Сверху на воду ничего не давит, а снизу давит атмосфера, в результате карточка удерживается. Если между пластиком и банкой зайдет воздух, то карта отпадет и вода выльется.
Прибор Торричелли
Впервые измерил атмосферное давление итальянский ученый Торричелли. Он сделал это с помощью так называемого ртутного барометра. Сначала Торричелли наполнил ртутью стеклянную трубку до верха, взял большую чашу с ртутью, перевернул трубку, погрузил ее в чашу и открыл нижний конец. Ртуть начала опускаться, но не вышла вся, а опустилась до определенной высоты.
Оказалось, что этот уровень — 760 мм. Следовательно, давление атмосферы способно удержать столб ртути в 760 мм. Если давление повышается, то оно может удержать столб большей высоты, если понижается — меньше. Раз так, то о его величине можно судить по высоте столба. Оттого на практике давление атмосферы и газов часто измеряют именно в миллиметрах ртутного столба. Установим связь между миллиметрами ртутного столба и привычными единицами паскаль.
Как связаны миллиметры ртутного столба и паскали
Атмосферное давление поднимает ртуть на 760 мм. Это значит, что ртутный столбик высотой 760 мм давит с силой, равной нормальному уровню атмосферного давления. 1 мм ртутного столба — это давление, производимое столбом ртути высотой 1 мм. Представим себе, что высота столба ртути равна 1 мм. Рассчитаем гидростатическое давление, соответствующее этой высоте.
P=1 мм рт.ст. Гидростатическое давление вычисляется по формуле: ρ*g*h. ρ — это плотность ртути, g — ускорение свободного падения, h — высота столба жидкости. ρ=13,6*103 кг/м3, g=9,8 Н/кг, h=1*10-3 м. Подставим эти данные в формулу. После преобразования останется 13,6*9,8=133,3 Н/м2. Н/м2 — это и есть паскаль (Па). Если переводить атмосферное давление в гектопаскали, то 1 мм рт. ст. соответствует 1,333 гПа.
Ртутный столбик и погода
Торричелли наблюдал за показаниями ртутного барометра в течение долгого времени. Он заметил интересную вещь. Когда столбик ртути понижается, то есть когда становится низким атмосферное давление, через некоторое время наступает непогода. Когда ртутный столбик повышается, через какое-то время непогода сменяется хорошей погодой. То есть измерение атмосферного давления позволяет делать прогноз погоды.
Сейчас метеорологические службы круглосуточно, каждые 3 часа, измеряют атмосферное давление. В книге Жюля Верна «Пятнадцатилетний капитан» описано наблюдение за барометром и погодой. Главный герой книги обнаружил, что если ртутный столбик падает быстро, то погода портится резко, но ненадолго, если уровень ртути снижается медленно, в течение нескольких дней, то погода будет портиться постепенно, а держаться длительно.
Что возникает при неравномерном распределении атмосферного давления
Рассмотрим синоптическую карту. На ней расставлены значения атмосферного давления в разных местностях, городах, странах, континентах. Направление движения воздушных масс обозначено стрелками. Почему дует ветер? Атмосферное давление в одних местах больше, а в других меньше. Оттуда, где оно больше, ветер дует туда, где оно меньше. Мы видим это по направлению стрелок на карте.
Если посмотреть на всю планету, видно, что в разных частях она разная. Области высокого давления отмечены лиловым цветом, в них стрелки ветра закручены и движутся по часовой стрелке. Такая область высокого давления называется антициклоном. В нем, как правило, ясная погода.
А вот Испания и Португалия. Здесь мы наблюдаем два мощнейших антициклона. Закручивание воздушных потоков связано с вращением земного шара.
А вот здесь две мощных области пониженного атмосферного давления — всего 965 гектопаскалей. Это циклон, воздух в нем вращается против часовой стрелки.
Таким образом можно наблюдать распределение атмосферного давления по разным местам нашей планеты. В наше время метеорологи точно предсказывают изменение погоды, которое возникает при неравномерном распределении атмосферного давления.
Давление на уровне и над уровнем моря
Предположим, барометр показывает давление, равное 1006 гПа. Но если посмотреть на синоптическую карту данной местности, города, то может оказаться, что атмосферное давление там отличается. Почему так происходит? Дело в том, что на синоптических картах приведены значения атмосферного давления на уровне моря. Мы же можем находиться на определенной высоте над уровнем моря, поэтому давление, которое показывает барометр в помещении, меньше, чем на уровне моря.
Альтиметр
Как же измерить высоту своего местоположения? Существуют специальные приборы, похожие на барометр, но их шкала проградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты. Такие приборы есть у туристов, летчиков. Они называются альтиметры или параметрическими высотомерами. Когда летчик находится на земле, он выставляет стрелку альтиметра на ноль, потому что его высота над землей равна нулю. Если нужно, он выставляет стрелку на высоту над уровнем моря, в зависимости от того, важно ли ему знать, на какой высоте находится аэродром над уровнем моря, или нет. В случае дальних полетов это может быть полезно, особенно если аэродром в горах. Потом, глядя на стрелку альтиметра, летчик определяет высоту.
Почему с ростом высоты увеличивается атмосферное давление
После того как мы узнали, что при неравномерном распределении атмосферного давления возникает ветер, разберемся, почему давление уменьшается с ростом высоты. Воздух обладает весом, поэтому он, притягивается к земле, производит на нее давление. Если мы разместим барометр в определенном слое атмосферы, то на него будет давить тот слой атмосферы, который находится выше. Надо заметить, что у атмосферы нет четких границ.
Если мы разместим барометр на уровне моря, то давление будет равно сумме давления в этом слое воздуха и давлений в вышележащих слоях атмосферы. То есть с ростом высоты давление уменьшается. Возникает вопрос: нельзя ли считать атмосферное давление по формуле Р=ρ*g*h? Нет, потому что величина плотности воздуха непостоянна в разных слоях атмосферы. Внизу воздух находится под большим давлением, поэтому он более плотный, а наверху — менее плотный.
