Циркуляция атмосферы. Атмосферное давление. Атмосферное давление (2). Атмосферное давление. Барический градиент, барическая ступень

• Название: Атмосферное давление. Барический градиент, барическая ступень
• Анкор: Циркуляция атмосферы. Атмосферное давление
• Дата: 11.04.2022
• Размер: 1.74 Mb.
• Имя файла: Атмосферное давление (2).docx
• Тип: Документы; #462422

Атмосферное давление. Барический градиент, барическая ступень.

Атмосфера Земли представляет собой смесь газов. Числовую величину силы, с которой воздух давит на единицу площади, называют атмосферным давлением. В любой точке атмосферы имеется определенная величина давления воздуха, или атмосферного давления. Величину атмосферного давления измеряют в мм рт. ст., в миллибарах или гектопаскалях.

И змерение в мм ртутного столба, связано с тем, что силу, с которой воздух давит на единицу площади, раньше измеряли ртутным барометром (изобретен в 1643 году Эванджелиста Торричелли) (рис.1). Атмосферное давление принимали эквивалентным давлению столбика ртути, который устанавливался в данном месте в данное время, т. е в мм ртутного столба[3].

Рис. 1 Ртутный барометр

Опытным путем было установлено, что на 45° с.ш. на уровне моря при температуре воздуха 0°, высота ртутного столбика устанавливалась на уровне 760 мм. Давление воздуха, эквивалентное давлению ртутного столбика в 760мм рт. ст. принято считать нормальным атмосферным давлением [3].

С переходом на измерение атмосферного давления барометрами-анероидами (рис.2), в метеорологии для измерения атмосферного давления стали использовать миллибары, которые с физической точки зрения имеют более точный смысл.



Рис. 2- Барометр - анероид

Один миллибар - это давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в 1см². Нормальное атмосферное давление в 760 мм рт. ст. будет приблизительно 1013 мб. Для перехода от величины атмосферного давления, указанного в мм рт. ст. к мб, необходимо использовать коэффициент 1,33. В метеорологии для указания величины атмосферного давления используются также паскаль (Па): 1Па=1Н/м²=1кг/(м×с²); гектопаскали (гПА) 1гПА=10³мб [3].

Величина атмосферного давления изменяется под влиянием многих факторов. Основным фактором выступает плотность воздуха, которая изменяется под влиянием температуры, ускорения силы тяжести, влажности воздуха, особенностей циркуляции атмосферы и т.д.

Теоретически, давление воздуха определяется по формуле уравнения состояния идеального газа [3]:

[1]

где Ρ- давление воздуха; Τ- температура воздуха; η- концентрация частиц газа; κ - постоянная Больцмана.

Атмосферное давление изменяется в горизонтальном направлении и вертикальном.

С высотой атмосферное давление уменьшается, так как уменьшается мощность воздуха над плоскостью, для которой определяется атмосферное давление, а также плотность воздуха, в связи с ослаблением влияния силы земного тяготения. Изменение атмосферного давления с высотой характеризуется вертикальным барическим градиентом и барической ступенью.

Барический градиент - вектор, который указывает, в каком направлении уменьшается атмосферное давление, а скалярная величина (модуль) барического градиента показывает величину изменения атмосферного давления на единицу расстояния по вертикали в том направлении, в котором давление убывает [3]. Средняя величина вертикального барического градиента в тропосфере принимается за 100 мм рт. ст. на км высоты. Чаще вместо барического вертикального градиента используют барическую ступень (величина, обратная барическому градиенту).

Барическая ступень характеризует величину изменения высоты, при которой атмосферное давление меняется на единицу. В результате эмпирических исследований выяснено, что барическая ступень в теплом воздухе выше, чем в холодном. При температуре 0°С и атмосферном давлении 1000мб, барическая ступень составляет 8 м/мб, а при той же величине атмосферного давления и температуре 10° С - 8,32 м/мб [3].

В атмосфере над областями земного шара, которые получают больше солнечной радиации и приземные слои воздуха прогреваются сильнее (приэкваториальные широты), барическая ступень больше, давление с высотой падает медленнее, чем над приполярными районами, где воздух холоднее. Поэтому на границе тропосферы над экватором атмосферное давление выше, а над полюсами - ниже. Так, изобарическая поверхность 300ГП вблизи экватора располагается на высоте порядка 9500 м, а над полярными областями ниже на 1000-1500 м. в связи с этим для верхней тропосферы характерен наклон изобарических поверхностей от экватора в сторону полюсов, в соответствии с чем барические градиенты направлены вдоль меридианов в сторону высоких широт (приполярных). Эта особенность распределения атмосферного давления на границе тропосферы и направление барических градиентов вызывают движение воздуха от экваториальных широт к полюсам, определяя глобальные особенности циркуляции воздуха над всей планетой [2].

Движение воздуха в горизонтальном направлении из области с более высоким давлением в область с более низким давлением воздуха, то есть вдоль барических градиентов, называются ветрами. Ветер характеризуется вектором скорости, но на практике под скоростью подразумевается только числовая величина скорости, направление вектораскорости называют направлением ветра. Скорость ветра выражается в метрах в секунду, в км в час [3].

Циркуляция воздуха в нижней и верхней частях тропосферы образует единую систему горизонтальных и вертикальных движений воздуха, которую называют общей циркуляцией атмосферы. В связи с тем, что Земля имеет форму, близкую к шарообразной, а воздух прижат к её поверхности силой земного тяготения и, удерживаемый силой трения, вращается вместе с планетой, сохраняя угловую и линейную скорость движения той части планеты, над которой находится. Воздух у экватора имеет самую большую линейную скорость. Чем ближе к полюсам, тем, при сохранении одинаковой угловой скорости, линейная скорость движения воздуха уменьшается. При движении воздуха вдоль меридианов на него воздействует отклоняющая инерционная сила Кориолиса. Воздух, двигаясь из высоких широт к экватору имеет меньшую скорость, чем у экватора и "отстает", отклоняясь вправо от направления движения, и приобретает западное направление. Над всей планетой, за исключением экваториального пояса, в верхней тропосфере воздушные потоки направлены вдоль широтных кругов с запада на восток (рис.1)



Рис. 1. Направление ветров в верхней части тропосферы Стрелки справа от круга, указывают направления барических градиентов [2].

Изменение атмосферного давления происходит и в горизонтальном направлении. Отток воздуха в верхней тропосфере от приэкваториальных широт к северу и к югу, обусловливает существование в приземной тропосфере у экватора зоны пониженного давления – экваториальной барической ложбины, или депрессии. В верхней тропосфере под ней происходит убыль воздуха, уменьшение его массы в вертикальном столбе в атмосфере и в давлении на поверхность. Это и создаёт барическую ложбину в нижней тропосфере в приэкваториальных широтах, это приводит к формированию горизонтального барического градиента, направленного в сторону экватора, а также вертикального барического градиента, направленного вверх, и определяющего развитие восходящих конвекционных движений [3].

Воздух в верхней части тропосферы двигаясь от экватора к полюсам, испытывает действие отклоняющей силы Кориолиса, не доходит до полюсов, охлаждается, становится более плотным и у 30° с и ю широты барический градиент приобретает противоположное направление. Масса воздуха, устремляясь вниз и, разогреваясь в условиях адиабатического сжатия, становится более плотной, и сухой. Этот воздух создает в тропических широтах зону повышенного давления. Горизонтальные барические градиенты направлены от 30° с.ш. и ю.ш. к экватору и в умеренные широты. Ветер, под влиянием отклоняющей силы Кориолиса при движении к экватору отклоняется вправо от направления барического градиента, формирует пассаты. В северном полушарии пассаты имеют св направление, в южном - юв. Ветры, дующие от 30° в умеренные широты также отклоняются и приобретают западное направление - западные ветры умеренных широт (рис.2).



Рис.2. Циркуляция воздуха [4]

Пересечение изобарических поверхностей горизонтальными плоскостями, позволяет получить линии, соединяющие точки с одинаковыми показателями величины атмосферного давления - изобары. Изобары позволяют получить данные о распределении давления на разных высотах, а пересечение изобарических поверхностей плоскостью соответствующей уровню моря, получить картину распределения атмосферного давления у земной поверхности. На практике для выявления особенностей распределение атмосферного давления у земной поверхности метеорологи составляют карты изобар(линий равного давления). Такие карты составляют на основе данных, получаемых с наземных метеостанций. Данные показателей давления приводят к уровню моря и наносят на карту. Выбрав "шаг" для проведения изобар, между точками проводят интерполяцию и вычерчивают изобары.

В зависимости от особенностей распределения атмосферного давления, выделяют основные типы барических систем [1].


Рис. 4 Основные типы барических систем:

1. 
   циклон,
   
2. 
   антициклон;
   
3. 
   ложбина;
   
4. 
   гребень;
   
5. 
   седловина
   

Область, ограниченная замкнутыми изобарами, показания атмосферного давления которых понижаются к центру, называют циклонами. С учетом направления барического градиента (в сторону понижения давления - к центру) и влияния отклоняющей силы Кориолиса, воздух в циклоне движется от периферии к центру, отклоняясь против часовой стрелки.

Область, ограниченная замкнутыми изобарами, показания атмосферного давления которых повышаются к центру, называют антициклонами. С учетом направления барического градиента (в сторону понижения давления -от центра к периферии области) и влияния отклоняющей силы Кориолиса, воздух в анти циклоне движется от центра к периферии, отклоняясь по часовой стрелке (рис. 4)[1]



Рис. 4 Типы барических систем в горизонтальном разрезе [3]

Б арический градиент направление ветра


Рис. 5. Изобарические поверхности в циклоне и антициклоне в вертикальном разрезе [3]

В вертикальном разрезе изобарические поверхности в циклоне наклонены к центру, барический градиент направлен вверх. Воздух поднимается.

В антициклон изобарические поверхности наклонены от центра к периферии. Барический градиент направлен вниз. Для воздуха характерны нисходящие движения и растекание от центра к периферии (рис. 5).

На основе анализа годичных состояний воздуха составлены климатические карты, на которых изобарами показаны наиболее важные центры атмосферного давления (рис. 6).

Рис.6-Климатическая карта мира [8]

Существование планетарных центров атмосферного давления определяют движение воздуха в приземном слое атмосферы. Круглогодичные определяют существование постоянных ветров земли: пассатов и западных ветров умеренных широт.

Сезонные различия в нагревании и охлаждении океанов и материков также вызывают разницу в величинах атмосферного давления по сезонам и вызывают смену направлений барометрического градиента и воздушных течений. Между массами воздуха, сформировавшими свои свойства, над океанами и сушей возникают барические градиенты, меняющие направление по сезонам, и сезонные ветры - «муссоны». Зимой над охлажденными материками изобарические поверхности располагаются ниже, чем над океанами, и барические градиенты направлены в сторону материка. В этом направлении образуются потоки воздуха, создающие «избыток» воздуха над материками и повышенное давление в приземных слоях атмосферы. В этих слоях барические градиенты обращены в сторону океанов, в результате чего ветры дуют с материков на океаны -зимний муссон. Летом циркуляция приобретает противоположный характер - летний муссон. Муссоны характерны для восточных, юго-восточных и южных побережий Азии, на границе с Тихим и Индийским океаном, и некоторых других регионов мира [2] .

Вся система циркуляции атмосферы объясняется существующей разницей в распределении атмосферного давления. Основные особенности направление движения воздуха могут быть объяснены направлениями и скалярной величиной барических градиентов (вертикального, горизонтального и полного).

Список литературы

1. 
   Гребенюк Т.Н. Ходжаева Г.К. Метеорология и климатология. Учебно- практическое пособие-Нижневартовск. Из-во Ниневарт. гум. ун-та, 2011. с. 180
   
2. 
   Жаков С.И. Общие климатические закономерности Земли: Учебное пособие для учителя. - М. : Просвещение, 1984. с. 159.
   
3. 
   Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 2000.с.771.
   
4. 
   Моргунов В.К. Основы метеорологии и климатологии: Учебник/В.К. Моргунов, - Ростов/Д. Феникс,2005. с 331
   
5. 
   Хргиан А.Х. Физика атмосферы: Учебное пособие для студентов университетов и метеорологических вузов. Гидрометеорологическое из-во, Ленинград, 1969.
   
6. 
   Хромов С.П. Петросянц, М.А. Метеорология и климатология:учебник-7-е изд. /с.П. Хромов, , М.А. Петросянц. М.: Из-во Моск. ун-та: Наука, 2006. с. 582
   
7. 
   Барическое поле и ветер. https://docplayer.ru/45773184-Lekciya-5-baricheskoe-pole-i-veter.html
   
8. 
   Универсальный атлас мира/Ю.Н. Голубчиков, С.Ю. Кокорев. :М.: ООО "Астрель", 2014,с. 312