Атмосферное давление. 3. Основная часть. Курсовая работа.Атмосф давление. І. атмосферное давление как одна из важных величин метеорологических наблюдений

• Название: І. атмосферное давление как одна из важных величин метеорологических наблюдений
• Анкор: Атмосферное давление
• Дата: 30.05.2022
• Размер: 7.41 Mb.
• Имя файла: 3. Основная часть. Курсовая работа.Атмосф давление.rtf
• Тип: Глава; #557089
• страница: 1 из 4

ГЛАВА І. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ КАК ОДНА ИЗ ВАЖНЫХ ВЕЛИЧИН МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

1.1. Общая характеристика атмосферного давления

Атмосфера (греч. «атмос»- пар, воздух и «сфера»- шар) – воздушная оболочка, окружающая Землю. Атмосфера простирается на высоту несколько тысяч километров от поверхности Земли. Поверхность Земли и все тела на ней испытывают давление всей толщи воздуха. Это давление называется атмосферным.

Атмосферное давление представляет собой гидростатическое давление столба атмосферы, обусловленное массой всех вышестоящих слоев воздуха. В соответствии с международной системой единиц измерения (СИ) основной единицей измерения давления является гектопаскаль (гПа) (1 мм рт. ст. = 1,33 гПа).

Атмосферное давление — это сила, действующая на единицу поверхности, то есть атмосферное давление в каждой точке атмосферы равно массе вышележащего столба воздуха с основанием, равным единице. Единицей давления является Паскаль (Па), равный силе в 1 Ньютон (Н), действующей на площадь в 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2). В метеорологии давление выражают в гектопаскалях (гПа) с точностью до 0,1 гПа. 1 гПа = 100 Па [9, с.18].

До недавнего времени в качестве единицы давления использовали миллибар (мбар) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Существующие приборы для измерения давления имеют шкалы также в разных единицах. Соотношение между этими единицами следующее: 1 гПа = 1 мбар = 0,75 мм рт. ст.; 1 мм рт ст = 1,33 мбар =1,33 гПа.

Существует понятие «Международная стандартная атмосфера» (МСА).

Международная стандартная атмосфера – это некоторая условная атмосфера, в которой распределение метеорологических величин является постоянным. Это распределение не зависит от географического района, от времени года и суток. Для нее приняты следующие характеристики: состав сухого воздуха такой же, как и земной поверхности; давление на уровне моря P0 = 1013,25 гПа = 760 мм рт. ст.; температура воздуха Т0 = 150С = 288,15 К; относительная влажность 0%; плотность 1,225кг/м3; ускорение свободного падения g0 = 9,80665 м/с2 [5, с. 4].

Нормальным (стандартным) атмосферным давлением называется давление, равное весу столба ртути высотой 760 мм, определяемое на широте 45º на уровне моря при температуре воздуха 0 ºС, оно составляет 1013,2 гПа.

Связь между давлением, удельным объемом и температурой выражается уравнением состояния газов: 𝑃𝑉 = 𝑅𝑇, где P - давление, V – удельный объем газа, R – удельная газовая постоянная, T – абсолютная температура.

Происходит изменение плотности воздуха и атмосферного давления с высотой. Воздух является сжимаемым газом. Нижние слои атмосферы, прилегающие к земной поверхности, находятся под наибольшим давлением. С увеличением высоты давление уменьшается, а поэтому обычно плотность воздуха с высотой тоже убывает. Однако плотность зависит не только от давления, но и от температуры воздуха. Из уравнения состояния видно, что влияния изменений давления и температуры на плотность противоположны.

Давление всегда уменьшается с высотой. Температура же, в отличие от давления, по крайней мере, в нижних 10-15 км, уменьшается лишь в среднем. Но понижение температуры обусловливает увеличение плотности. Поэтому плотность воздуха в среднем уменьшается с высотой не так быстро, как давление [3, с.262].

Допустим, что выделенный объем находится в покое, не совершает ни

горизонтального, ни вертикального движения. Тогда, если на высоте z давление равно р, на высоте z + Δz оно должно быть меньше на величину Δр, равную весу выделенного элементарного объема воздуха, то есть на величину gpΔz, где g – ускорение свободного падения, р - плотность воздуха в данном объеме, Δz - объем (так как по по условию основание равно 1 см2). Следовательно, уменьшение давления -Δр при увеличении высоты на Δz равно −Δ𝑝 = gρΔz.

Это уравнение называется основным уравнением статики, так как оно выражает закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере.

Из уравнения видно, что при подъеме на одну и ту же высоту (Δz) падение

давления (-Δр) тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение свободного падения. Поскольку последнее изменяется в пространстве мало, то основную роль в изменении давления с высотой играет изменение плотности воздуха, которая с увеличением высоты, как правило, убывает. Из сказанного следует, чем выше уровень, тем меньше падает давление при одинаковом вертикальном перемещении [3, с.263].

При одинаковом давлении плотность теплого воздуха меньше, чем холодного. Это приводит к тому, что в теплом воздухе давление с высотой уменьшается медленнее, чем в холодном. Поэтому при одинаковом давлении внизу на одинаковых высотах в холодной воздушной массе наблюдается более низкое, а в теплое более высокое давление.

Изменение давления с высотой можно характеризовать величиной

барометрической ступени. Барометрическая ступень h – высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1гПа. Эта величина, обратная вертикальному градиенту давления. Барическая ступень выражается в м/гПа. При температуре 0˚С и давлении 1000гПа барическая ступень равна 8м/гПа. Следовательно, при обычных условиях у земной поверхности надо подняться примерно на 8 метров, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа. При повышении температуры барическая ступень увеличивается в (1 + 0,004t), то есть на 0,4% на каждый градус нагревания.

С высотой барометрическая ступень возрастает, она обратно пропорциональна величине атмосферного давления [3, с.264].

Пространственное распределение атмосферного давления называется

барическим полем. Барическое поле можно наглядно представить с помощью поверхностей, во всех точках которых давление одинаково. Такие поверхности называются изобарическими.Вследствие изменения температуры и давления в горизонтальном направлении изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, а наклонены к последней под разными углами и по своей форме очень разнообразны [3, с.272].

Если мысленно пересечь изобарические поверхности поверхностью уровня моря или другой горизонтальной плоскостью, то получатся кривые линии - изобары - это линии, соединяющие точки с одинаковым давлением на данной плоскости. Для получения наглядного представления о распределении давления на земной поверхности строят карты изобар на уровне моря. Для этого на географическую карту наносят атмосферное давление, измеренное на метеорологических станциях и приведенное к уровню моря. Затем точки с одинаковым давлением соединяют плавными кривыми линиями.

Карты изобар могут быть построены по результатам наблюдений в определенные моменты времени (синоптические карты), а также по средним многолетним данным за различные промежутки времени - месяц, сезон, год

(климатологические карты). Изобары проводят через определенные интервалы давления - на синоптических картах обычно через 5 гПа[3, с.275 ].

Области замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называются барическими минимумами или циклонами. В области барического минимума давление возрастает от центра к периферии.

Области замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называются барическими максимумами или антициклонами. В области барического максимума давление от центра к периферии убывает. На периферии этих областей или между ними изобары на некотором участке карты могут приближаться к прямым линиям.

В барическом поле часто наблюдаются промежуточные барические системы: ложбины, гребни, седловины.

Ложбиной называется связанная с циклоном и вытянутая от его центра к периферии полоса пониженного давления, вклинивающаяся между двумя областями повышенного давления.

Гребнемназывается связанная с антициклоном и вытянутая от его центра полоса повышенного давления, расположенная между двумя областями пониженного давления.

Седловинойназывается барическая область, заключенная между двумя

циклонами и двумя антициклонами, расположенными в шахматном порядке.

В циклоне изобарические поверхности прогнуты вниз в виде

воронок, а в антициклоне выгнуты вверх в виде куполов. В ложбине изобарические поверхности имеют вид желоба с ребром, обращенным вниз, а в гребне - вид желобас ребром, обращенным вверх. В седловине изобарические поверхности имеют вид седла, так как поднимаются к антициклонам и опускаются к циклонам. Таким образом, изобарические поверхности всегда понижаются в сторону низкого давления.

Распределение давления по земному шару представляется картами изобар, построенными по средним многолетним значениям давления на уровне моря за определенные месяцы или сезоны.

Среднее распределение атмосферного давления на уровне моря в целом имеет зональный характер. Выделяются зоны пониженного давления

- экваториальная, умеренных и субполярных широт, и зоны повышенного давления - субтропические и полярные. Однако полная зональность распределения давления нарушается тем, что над материками давление зимой повышается, а летом понижается.

Барические области, наблюдаемые на земном шаре, можно разделить на две группы:

1. Постоянные барические области, существующие в течение всего года: экваториальный пояс пониженного давления, субтропические барические максимумы, исландский и алеутский минимумы, субполярный пояс пониженного давления в южном полушарии, а также антарктический и

арктический максимумы.

2. Сезонные барические области, в которых зимние максимумы сменяются летними минимумами - сибирский (азиатский) и канадский

зимние максимумы, азиатский летний минимум.

Эти барические области оказывают большое влияние на воздушные течения, погоду и климат значительной территории. Поэтому их называют центрами действия атмосферы [3, с.278].

Возникновение барических максимумов и минимумов вызвано

термическими и динамическими причинами. Над охлажденными районами

условия в нижних слоях атмосферы благоприятны для повышения давления, а над нагретыми - для его понижения. Поэтому над термическим экватором образуется пояс пониженного давления, а над полюсами, где температуры низкие, - области относительно высокого давления. В холодное время года над материками, которые выхолаживаются сильнее, чем океаны, развиваются барические максимумы. В теплое время года материки прогреваются сильнее океанов и над ними образуются области пониженного давления.
1.2 Общие указания к измерению атмосферного давления

Атмосферное давление измеряется на всех метеорологических станциях. Для составления приземных синоптических карт, отражающих состояние погоды в данный момент времени, давление на уровне станции приводят к величине давления на уровне моря, что позволяет выделить области высокого (антициклоны) и области низкого давления (циклоны), а также нанести атмосферные фронты.

Кроме абсолютного значения атмосферного давления на метеорологических станциях определяют значение и характеристику барометрической тенденции.

В СИ (Международная система единиц) давление измеряется в паскалях (Па). Один паскаль – это давление силой в 1 ньютон (Н), приходящееся на площадь 1 м² (1 Па = 1 Н·м^-2). В метеорологии до недавнего времени использовалась единица давления, называвшаяся миллибаром (мбар), которая представляет давление силой в 10³ дин, приходящееся на 1 см²; 1 мбар = 100 Па = 1 гПа; 1 гПа = 10² Па.

Следовательно, один миллибар равен 100 паскалям, или 1 гектопаскалю. Эта единица давления и принята сейчас в метеорологии.

На практике широко используется внесистемная единица давления – 1 мм.рт.ст. Давление в 1 мм.рт.ст. – это вес столба ртути высотой в 1 мм, приходящийся на 1 м² на уровне моря и широте 45⁰. Плотность ртути 13,596·10³ кг·м^-3, ускорение свободного падения 9,80665 м/с².

1 мм.рт.ст./1 м²≈(0,0001 м³/м²) ·13,596·10³ кг·м^-3·9,80665 м·с^-2=133,33 кг·м/м²·с²=133,33 Н/м²=133,33 Па=1,3333 гПа. Следовательно, 1 гПа=0,75 мм.рт.ст., 1 гПа=3/4 мм.рт.ст., т.е. 1 мм.рт.ст.=4/3 гПа [9, с.43].

Нормальное давление – 760 мм.рт.ст. на широте 45⁰. 760 мм.рт.ст.=760·1,3333 гПа=1013,3 гПа=101330 Па. Среднее атмосферное давление на уровне моря близко к 1013,3 гПа.

Определим, какая высота ртутного столба будет соответствовать 1000 гПа: 1000 гПа=1000·0,75 мм.рт.ст=750 мм.рт.ст.

Настоящая методика регламентирует определение следующих характеристик атмосферного давления:

- давления на уровне станции;

- давления приведенного к уровню моря (для станций, расположенных на высоте до 1000 м);

- высоты изобарической поверхности, ближайшей к уровню станции (для станций, расположенных на высоте 1000 м и более);

- значения барометрической тенденции;

- характеристики барометрической тенденции.