Атмосферное давление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт военно-технического образования и безопасности

Кафедра «Защита в чрезвычайных ситуациях»

Контрольная работа

по дисциплине: «Климатология и метеорология»

«Атмосферное давление»

Выполнил

Ефимова М.А.

Екатеринбург

Содержание

1. Атмосфера

2. Атмосферное давление

3. История

4. Вес и давление воздуха

5. Единицы измерения давления воздуха

6. Стандартное давление

7. Плотность воздуха

8. Изменение давления воздуха и его плотности с высотой

9. Барическая ступень

10. Барический градиент

11. Барометрическая формула Лапласа

12. Изменчивость давления и его влияние на погоду

13. Приведение давления к уровню моря

14. Приборы для измерения атмосферного давления

Список используемой литературы

1. Атмосфера

Атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами. Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом. Кроме N₂ (~78 %), O₂ (~21 %) и Ar (~1 %) воздух содержит 0,03 % СО₂ и очень мало остальных газов. Воздух, как известно, сжимаем, поэтому его плотность в нижних слоях атмосферы максимальна и убывает с высотой, постепенно сходя на нет(переходит в космическое пространство) без резкой границы:

* 50 % всей атмосферы сосредоточено в нижних 5 км;

* 75 % всей атмосферы сосредоточено в нижних 10 км;

* 90 % всей атмосферы сосредоточено в нижних 20 км.

Но присутствие воздуха обнаруживается до очень больших высот.

2. Атмосферное давление

Атмосфемрное давлемние -- давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением. (Международная стандартная атмосфера -- МСА, 101.325 Па).

3. История

Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами -- вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжёлым веществом -- ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли, привели к тому, что в 1643 году он доказал, что воздух имеет вес. Совместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя трубку Торричелли (первый ртутный барометр) -- стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.

4. Вес и давление воздуха

В течение многих веков, вплоть до XVII столетия, люди думали, что воздух не обладает весом. Только в середине XVII века итальянскому ученому Торичелли удалось доказать, что на самом деле воздух имеет вес.

В результате произведенных впоследствии многочисленных измерений было установлено, что вес 1 м³ сухого воздуха при температуре 0°, давлении 760 мм ртутного столба, на уровне моря и широте 45° равен 1,293 кг. При таком весе атмосфера производит огромное давление на поверхность земли. Подсчитано, что на весь земной шар атмосфера давит с силой, в 50 раз превышающей вес воды оз. Байкал и Каспийского моря вместе взятых. Для наглядного доказательства того, что воздух имеет вес и что вследствие этого он оказывает давление, обычно производят «опыт Торичелли», впервые поставленный Торичелли в 1643 г.

5. Единицы измерения давления воздуха

Величину атмосферного давления выражают высотой ртутного столба в миллиметрах (мм). Чтобы исключить зависимость высоты ртутного столба от изменения температуры и силы тяжести, приводят высоту ртутного столба к температуре 0°, к широте 45° и к уровню моря. За нормальное атмосферное давление принимают такое, которое равно весу ртутного столба высотой 760 мм при температуре 0° на широте 45° и на уровне моря на площади в 1 см².

Основным прибором для измерения давления служит ртутный барометр. Остальные приборы для измерения давления (анероиды, барографы, метеорографы) градуируют по ртутному барометру. В СИ давление измеряется в Паскалях (1 Па = 1 Н/м²); кроме этого до недавнего времени применялась единица - миллибар; 1 мбар = 100 Па. В обиходе используется единица 1 мм рт. ст.

1 мб = 100 Па = 1 гПа = 102 Па.

1 гПа = ѕ мм рт.ст. (0,75 мм рт.ст.); 1мм рт. ст. = 133, 322 Па =1,33 гПа (гектопаскаль).

Нормальное давление составляет 760 мм рт. ст. или 1000 гПа.

На гидрометеорологических станциях такой перевод осуществляется с помощью заранее составленных таблиц.

6. Стандартное давление

В химии стандартным атмосферным давлением с 1982 года по рекомендации IUPAC считается давление, равное 100 кПа. Атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха с единичным сечением.

Как сказано ранее, в системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1,01325 бар (1013,25 мбар) или 101 325 Па в Международной системе единиц (СИ).

Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой: -

?p=gс?z,

где: p -- давление,

g -- ускорение свободного падения,

с -- плотность воздуха,

?z -- толщина слоя.

Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты (?z>0) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Строго говоря, основное уравнение статики справедливо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха ?z. Однако на практике оно применимо, когда изменение высоты достаточно мало по отношению к приблизительной толщине атмосферы.

7. Плотность воздуха

Плотность сухого воздуха при стандартных условиях - 1,293 кг/м³.

ѓП =P/R*T.

Плотность влажного воздуха описывается уравнением состояния сухого воздуха, но с заменой истинной температуры на виртуальную - температуру, равную Т(1+0,378 e/p).

8. Изменение давления воздуха и его плотности с высотой

Ссылаясь на опыты с торичеллиевой трубкой, мы выяснили, что давление воздуха с высотой уменьшается, так как с поднятием вверх слой воздуха становится более тонким и, следовательно, давление, которое он оказывает, будет меньше. Математические расчеты и непосредственные наблюдения показывают, что с поднятием вверх давление уменьшается очень быстро. Так, например, если у поверхности земли давление воздуха равно 760 мм, то на высоте 5,5 км оно составляет только 380 мм, на высоте 11 км -- 190 мм и т. д. Быстрое уменьшение давления с высотой объясняется тем, что плотность воздуха на различных высотах неодинакова. Нижние слои атмосферы, на которые давит вся толща вышележащего воздуха, находятся как бы под прессом, поэтому они намного плотнее и, следовательно, тяжелее верхних. Нижние слои атмосферы, прилегающие к земной поверхности, находятся под наибольшим давлением. С увеличением высоты давление убывает, а потому и плотность воздуха также снижается: так, если у земной поверхности плотность воздуха с в среднем равна 1,258 кг/м 3, то на высотах:

* Н = 5 км с = 0,735 кг/м 3;

* Н = 10 км с = 0,41 кг/м 3;

* Н = 20 км с = 0,087 кг/м 3.

Уменьшение плотности воздуха с высотой происходит не так быстро, как уменьшение давления. С увеличением высоты снижается температура воздуха, а это значит, что этот фактор направлен на увеличение плотности. Более того, в зависимости от температуры воздуха его плотность на каком-то диапазоне высот может не меняться, и даже увеличивается по сравнению с нижележащими слоями. Закономерность уменьшения давления довольно сложная и неопределенная, зависящая от сложной картины плотности воздуха. Для характеристики изменения давления применяют термин барическая ступень.

9. Барическая ступень

Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется барической (барометрической) ступенью. Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например для оценки давления по известной разности высот. Из основного закона статики барическая ступень (h) равна: h=-?z/?p=1/gс [м/гПа]. При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа, нужно подняться на 8 метров.

С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, -- вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа. Барический градиент

10. Барический градиент

-- вектор, характеризующий степень изменения атмосферного давления в пространстве. По числовой величине барический градиент равен изменению давления (в миллибарах) на единицу расстояния в том направлении, в котором давление убывает наиболее быстро, то есть по нормали к изобарической поверхности в сторону уменьшения давления.

Также барический градиент называют барометрическим градиентом. В метеорологии обычно пользуются горизонтальным барическим градиентом, то есть горизонтальной составляющей градиента на уровне моря или на другом уровне; в этом случае берётся нормаль к изобаре на данном уровне. Обычно горизонтальный барический градиент составляет 1--3 мбар на 100 км, но в тропических циклонах иногда достигает десятков мбар на 100 км (1 мбар = 100 Н/мІ).

Барический градиент является одной из причин, которые приводят к циркуляции атмосферы.

11. Барометрическая формула Лапласа

Барометрическая ступень зависит от температуры и давления воздуха. С увеличением температуры она увеличивается. Зная закон распределения давления от высоты с учетом температуры воздуха, влажности, давления, высоты над уровнем моря и других параметров, можно решать разные задачи с помощью барометрической формулы Лапласа. Она связывает три величины: среднее значение температуры Тm, разность высот z2 и z1 и разность давлений р2 и р1 на этих высотах.

- Барометрическая формула Лапласа.

C помощью этой формулы решают следующие задачи:

* барометрическое нивелирование (разность высот двух пунктов);

* распределение давления по высоте;

* приведение давления к значению на уровне моря;

* определение средней температуры слоя воздуха по известной разности высот и давлений на этих уровнях.

12. Изменчивость атмосферного давления и его влияние на погоду

Атмосферное давление является очень изменчивым метеорологическим элементом. Повышение и понижение давления как будто не подчиняются никакой видимой закономерности. Иногда давление меняется очень быстро во времени, иногда долго остается постоянным. На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Колебание давления, не имеющее правильного хода, т.е. определенной закономерности в суточном или годовом ходе, относится к непериодическим колебаниям. Эти изменения обусловлены как термическими, так и динамическими причинами. Неравномерное нагревание земной поверхности или ее охлаждение приводит к изменению давления над различными участками. Вторжение теплых или холодных воздушных масс на данную территорию также приводит к изменению давления. Если теплые (легкие) массы воздуха заменяются тяжелыми (холодными), происходит рост давления, если вторгаются вместо холодных теплые, то давление падает. Интерполяцией называется нахождение по ряду данных величин промежуточных значений. В связи с различными формами циркуляции воздушных течений может происходить накопление и уплотнение воздуха в одних местах, убыль и разрежение -- в других. В результате всех этих причин меняется общий вес вертикального столба воздуха и тем самым меняется атмосферное давление у земной поверхности. Колебания давления в определенном месте могут происходить в широких пределах.

Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 -- 816 мм рт. ст. (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба).

Как выяснилось, атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается барометрической формулой.

На картах давление показывается с помощью изобар -- изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря. Распределение давления, выраженное с помощью изобар, принято называть барическим рельефом. Система изобар на синоптической карте наглядно изображает барическое поле у поверхности земли (точнее на уровне моря). Давление воздуха у земной поверхности или на уровне моря является одной из важных характеристик состояния атмосферы. Распределение давления тесно связано с изменением температуры, облаками, осадками, и, как мы увидим далее, со скоростью и направлением ветра. Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называется барическим минимумом, или циклоном. Система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называется барическим максимумом, или антициклоном. В распределении давления на земной поверхности проявляется зональность. Атмосферное давление зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.

13. Приведение давления к уровню моря

Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Так как большинство станций расположено выше уровня моря, то численное значение давления, измеренного на этих станциях, при приведении его к уровню моря увеличивается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте станции над уровнем моря. Приведение давления к уровню моря делают во всех случаях, когда необходимо сравнить между собой данные наблюдений над давлением воздуха, полученные на станциях, расположенных на разной высоте. Поскольку в целях прогноза погоды используется именно «приведенное» давление, то в посылаемые станциями синоптические телеграммы включаются сведения об измеренном давлении только после приведения его к уровню моря.

Приведение давления на станциях производится с помощью готовых таблиц, составленных по барометрической формуле для разных значений давления и температуры. Очевидно, что на станциях, расположенных на разной высоте над уровнем моря, нельзя пользоваться одинаковыми таблицами.

Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке -- уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z₂-z₁=18400(1+лt)lg(p₁/p₂). То есть, зная давление и температуру на уровне z₂, можно найти давление (p₁) на уровне моря (z₁=0).

Вычисление давления на высоте h по давлению на уровне моря P_o и температуре воздуха T:

P = P_oe^-Mgh/RT

где P_o -- давление Па на уровне моря [Па];

M -- молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль];

g -- ускорение свободного падения 9,81 [м/сІ];

R - универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К];

T -- абсолютная температура воздуха [К],

T = t + 273,

где t -- температура в °C;

h -- высота [м].

На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт. ст. На больших высотах эта закономерность нарушается.

14. Приборы для измерения атмосферного давления

Определяют барометрическое давление с помощью ртутных и металлических барометров.

Ртутный чашечный барометр. Чашечный барометр представляет собой вертикальную стеклянную трубку, наполненную ртутью. Верхний конец трубки запаян, а нижний погружен в чашку с ртутью. Воздух давит на поверхность ртути в чашке, поэтому часть ртути входит в трубку. Колебания давления воздуха отражаются на высоте столбика ртути. Верхнюю границу ртути определяют при помощи барометрической шкалы, нанесенной в пределах прореза на оправе, и нониуса. Нониус представляет собой металлическую пластинку со шкалой, позволяющей измерить давление с точностью до десятых долей миллиметра.

Барометр - анероид метеорологический (БАММ-1) предназначен для измерения атмосферного давления в наземных условиях при температуре от нуля до 400 С и относительной влажности до 80%. Прибор представляет собой металлическую гофрированную коробку, из которой выкачан воздух. При увеличении атмосферного давления стенки анероидной коробки прогибаются внутрь, а при уменьшении выпрямляются. С помощью системы рычажков эти колебания передаются стрелке, которая движется по циферблату. Шкала барометра - анероида градуирована в кПа. На циферблате барометра имеется ртутный термометр, по которому отсчитывают температуру для определения температурной поправки.

Барограф М-22 предназначен для непрерывной регистрации атмосферного давления. Барограф изготавливается двух типов: суточный М-22с с продолжительностью одного оборота барабана 26ч. И недельный М-22н с продолжительностью одного оборота барабана 176ч. Регистрация атмосферного давления производится на специальной ленте. Прибор состоит из чувствительного элемента - блока анероидных коробок, температурного компенсатора, передаточного механизма, регистрирующей части и корпуса.

Действие барографа основано на свойстве анероидных коробок деформироваться при изменении атмосферного давления. Суммарная деформация блока анероидных коробок через передаточный механизм передается стрелке с пером. Перо производит запись изменений атмосферного давления на диаграммной ленте, закрепленной на барабане, вращаемом часовым механизмом. Влияние температуры окружающего воздуха на величину деформации анероидных коробок компенсируется изгибом биметаллической пластинки термокомпенсатора. Диаграммная лента разделена по вертикали горизонтальными параллельными линиями с ценой деления 1 мбар, а по горизонтали - вертикальными дугообразными линиями с ценой деления 15 мин. для суточного барографа и 2ч. для недельного. Барограф устанавливают на прочной подставке вдали от источников тепловой радиации, рядом помещают контрольный ртутный барометр, по которому периодически производят сверку. Прибор имеет приспособление, позволяющее наносить пером на диаграммной ленте отметки времени в нужный момент.

атмосфера давление воздух барометрический

Литература

1. Сидоров В.В. Метеорология и климатология: учебное пособие / Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 146 с.

2. Приходько М.Г. Справочник инженера-синоптика. -- Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -- С. 16. -- 328 с.

3. Хромов С.П. Метеорология и климатология. -- Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1964. -- С. 69. -- 500 с.

4. Атмосфера давления // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). -- СПб., 1890--1907.

5. Куцкая Н.Б. Метеорология и климатология. - Л.: Рубежное. РФ ВНУ, 2002. - с. 167

Размещено на Allbest.ru