Атмосферное давление

Статическое давление, создаваемое весом атмосферы.

Атмосферное давление , также известное как давление воздуха или барометрическое давление (по названию барометра ), — это давление внутри атмосферы Земли . Стандартная атмосфера (обозначение: атм) — это единица измерения давления, равная 101 325  Па (1 013,25  гПа ), что эквивалентно 1 013,25 миллибар , ^[1] 760 мм рт. ст. , 29,9212 дюймов рт. ст . или 14,696 фунтов на квадратный дюйм . ^[2] Единица атм примерно эквивалентна среднему атмосферному давлению на уровне моря на Земле; то есть атмосферное давление Земли на уровне моря составляет примерно 1 атм.    

В большинстве случаев атмосферное давление близко соответствует гидростатическому давлению, вызванному массой воздуха над точкой измерения . По мере увеличения высоты над уровнем моря уменьшается масса вышележащей атмосферы, поэтому атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Поскольку атмосфера тонка по сравнению с радиусом Земли, особенно плотный атмосферный слой на малых высотах, гравитационное ускорение Земли как функция высоты может быть аппроксимировано постоянным и мало способствует этому спаду. Давление измеряет силу на единицу площади в единицах СИ в паскалях (1 паскаль = 1 ньютон на квадратный метр , 1 Н/м ² ). В среднем столб воздуха с площадью поперечного сечения 1 квадратный сантиметр (см ² ), измеренный от среднего (среднего) уровня моря до верхней границы земной атмосферы, имеет массу около 1,03 килограмма и оказывает силу или «вес» около 10,1 ньютона , что приводит к давлению 10,1 Н/см ² или 101 кН /м ² (101 килопаскаль, кПа). Столб воздуха с площадью поперечного сечения 1 к ² будет иметь вес около 14,7 фунта-силы , что приведет к давлению 14,7 фунта-силы на дюйм ² .     

Механизм

Атмосферное давление обусловлено гравитационным притяжением планеты к атмосферным газам над поверхностью и зависит от массы планеты, радиуса поверхности, количества и состава газов и их вертикального распределения в атмосфере. . ^{[3] [4]} Он изменяется вращением планет и местными эффектами, такими как скорость ветра, изменения плотности из-за температуры и изменения состава. ^[5]

Среднее давление на уровне моря

Карта, показывающая атмосферное давление в мбар или гПа.

Среднее давление на уровне моря за 15 лет для июня, июля и августа (вверху), а также декабря, января и февраля (внизу). Повторный анализ ЭРА-15 .

Барометрический авиационный высотомер типа «Коллсман» .

Среднее давление на уровне моря (MSLP) — это атмосферное давление на среднем уровне моря . Это атмосферное давление, которое обычно указывается в сводках погоды по радио, телевидению, в газетах или в Интернете .

Настройка высотомера в авиации представляет собой регулировку атмосферного давления.

Среднее давление на уровне моря составляет 1013,25 гПа (29,921 дюйма рт. ст.; 760,00 мм рт. ст.). В сводках авиационной погоды ( METAR ) QNH передается по всему миру в гектопаскалях или миллибарах (1 гектопаскаль = 1 миллибар), за исключением США , Канады и Японии , где оно передается в дюймах ртутного столба (с точностью до двух десятичных знаков). . Соединенные Штаты и Канада также сообщают о давлении SLP на уровне моря , которое корректируется к уровню моря другим методом, в разделе примечаний, а не в части кода, передаваемой на международном уровне, в гектопаскалях или миллибарах. ^[6] Однако в сводках погоды Канады давление на уровне моря указывается в килопаскалях. ^[7]

В примечаниях к погодным кодам США передаются только три цифры; десятичные точки и одна или две старшие цифры опускаются: 1013,2 гПа (14,695 фунтов на квадратный дюйм) передается как 132; 1000 гПа (100 кПа) передается как 000; 998,7  гПа передается как 987; и т. д. Самое высокое давление на уровне моря на Земле наблюдается в Сибири , где Сибирский антициклон часто достигает давления на уровне моря выше 1050 гПа (15,2 фунтов на квадратный дюйм; 31 дюйм рт. ст.), с рекордными максимумами, близкими к 1085 гПа (15,74 фунтов на квадратный дюйм; 32,0 дюйма рт. ст.). . Самое низкое измеримое давление на уровне моря наблюдается в центрах тропических циклонов и торнадо , с рекордно низким значением 870 гПа (12,6 фунтов на квадратный дюйм; 26 дюймов рт. ст.).

Давление на поверхность

Приземное давление — это атмосферное давление в определенном месте на поверхности Земли ( земля и океаны ) . Оно прямо пропорционально массе воздуха над этим местом.

По численным причинам атмосферные модели, такие как модели общей циркуляции (МОЦ), обычно предсказывают безразмерный логарифм приземного давления .

Среднее значение приземного давления на Земле составляет 985 гПа. ^[8] Это отличается от среднего давления на уровне моря, которое предполагает экстраполяцию давления на уровень моря для мест выше или ниже уровня моря. Среднее давление на среднем уровне моря ( MSL ) в Международной стандартной атмосфере ( ISA ) составляет 1013,25 гПа, или 1 атмосфера (атм), или 29,92 дюйма ртутного столба.

Давление (P), масса (м) и ускорение свободного падения (g) связаны соотношением P = F/A = (m*g)/A, где A — площадь поверхности. Таким образом, атмосферное давление пропорционально весу атмосферной массы на единицу площади над этим местом.

Изменение высоты

Очень локальный шторм над Снайфедльсйёкюдлем ( Исландия ), показывающий облака, образовавшиеся на горе в результате орографического подъема.

Изменение атмосферного давления с высотой, рассчитанное для 15 ° C и относительной влажности 0%.

Эта пластиковая бутылка была запечатана на высоте примерно 4300 метров (14 000 футов) и раздавлена ​​повышением атмосферного давления, зафиксированным на высоте 2700 метров (9000 футов) и 300 метров (1000 футов), когда ее опускали к уровню моря.

Давление на Земле меняется в зависимости от высоты поверхности, поэтому давление воздуха в горах обычно ниже, чем давление воздуха на уровне моря. Давление плавно меняется от поверхности Земли до верхней части мезосферы . Хотя давление меняется в зависимости от погоды, НАСА усреднило условия для всех частей Земли в течение всего года. С увеличением высоты атмосферное давление снижается. Можно рассчитать атмосферное давление на данной высоте. ^[9] Температура и влажность также влияют на атмосферное давление. Давление пропорционально температуре и обратно пропорционально влажности, и оба этих показателя необходимы для расчета точного значения. График построен для температуры 15°С и относительной влажности 0%.справавыше

На малых высотах над уровнем моря давление снижается примерно на 1,2 кПа (12 гПа) на каждые 100 метров. Для больших высот в тропосфере следующее уравнение ( барометрическая формула ) связывает атмосферное давление p с высотой h : ${\displaystyle {\begin{aligned}p&=p_{0}\cdot \left(1-{\frac {L\cdot h}{T_{0}}}\right)^{\frac {g\cdot M}{R_{0}\cdot L}}\\&=p_{0}\cdot \left(1-{\frac {g\cdot h}{c_{\text{p}}\cdot T_{0}}}\right)^{\frac {c_{\text{p}}\cdot M}{R_{0}}}\approx p_{0}\cdot \exp \left(-{\frac {g\cdot h\cdot M}{T_{0}\cdot R_{0}}}\right)\end{aligned}}}$

Значения в этих уравнениях:

Местное изменение

Ураган Вильма , 19 октября 2005 г. На момент съемки изображения давление в очаге урагана составляло 882 гПа (12,79 фунтов на квадратный дюйм).

Атмосферное давление на Земле сильно различается, и эти изменения важны для изучения погоды и климата . Атмосферное давление демонстрирует суточный или полусуточный (дважды в сутки) цикл, вызванный глобальными атмосферными приливами . Этот эффект наиболее силен в тропических зонах, с амплитудой в несколько гектопаскалей и почти нулевым в полярных районах. Эти вариации имеют два наложенных друг на друга цикла: циркадный (24-часовой) цикл и полуциркадный (12-часовой) цикл.

Рекорды

Самое высокое барометрическое давление, приведенное к уровню моря, когда-либо зарегистрированное на Земле (выше 750 метров), составило 1084,8 гПа (32,03 дюйма рт. ст.), измеренное в Тосонценгеле, Монголия, 19 декабря 2001 года. ^[10] Самое высокое барометрическое давление, приведенное к уровню моря, за всю историю. зарегистрировано (ниже 750 метров) в Агате в Эвенкийском автономном округе , Россия (66 ° 53 '  северной широты, 93 ° 28'  восточной долготы, высота: 261 м, 856 футов) 31 декабря 1968 года на уровне 1083,8 гПа (32,005 дюймов рт. ст.). ^[11] Дискриминация обусловлена ​​проблематичными предположениями (при условии стандартного отклонения), связанными со снижением уровня моря на больших высотах. ^[10]

Мертвое море , самое низкое место на Земле, расположенное на высоте 430 метров (1410 футов) ниже уровня моря, имеет соответственно высокое типичное атмосферное давление — 1065  гПа. ^[12] Рекорд давления ниже уровня моря в 1081,8 гПа (31,95 дюйма рт. ст.) был установлен 21 февраля 1961 года. ^[13]

Самое низкое неторнадическое атмосферное давление, когда-либо измеренное, составило 870 гПа (0,858 атм; 25,69 дюйма рт. ст.), установленное 12 октября 1979 года во время окончания тайфуна в западной части Тихого океана. Измерение основывалось на инструментальном наблюдении, произведенном с самолета-разведчика. ^[14]

Измерение в зависимости от глубины воды

Одна атмосфера (101,325 кПа или 14,7 фунтов на квадратный дюйм) также представляет собой давление, вызванное весом столба пресной воды высотой примерно 10,3 м (33,8 фута). Таким образом, водолаз на глубине 10,3 м испытывает давление около 2 атмосфер (1 атм воздуха плюс 1 атм воды). И наоборот, 10,3 м — это максимальная высота, на которую можно поднять воду с помощью всасывания при стандартных атмосферных условиях.

Низкое давление, например, в газопроводах , иногда указывается в дюймах водного столба , обычно это обозначается как манометр wc (водяной столб) или манометр wg (дюймы водного столба). Типичный бытовой прибор, использующий газ в США, рассчитан максимум на 1 ⁄ 2  фунта на квадратный дюйм (3,4 кПа; 34 мбар), что составляет примерно 14 вес.г. Подобные метрические единицы с большим разнообразием названий и обозначений, основанных на миллиметрах , сантиметрах или метры сейчас используются реже.

Температура кипения жидкостей

Кипящая вода

Чистая вода кипит при температуре 100 °C (212 °F) при стандартном атмосферном давлении Земли. Точка кипения — это температура, при которой давление пара равно атмосферному давлению вокруг жидкости. ^[15] Из-за этого температура кипения жидкостей ниже при более низком давлении и выше при более высоком давлении. Поэтому приготовление пищи на большой высоте требует корректировки рецептов ^[16] или приготовления под давлением . Грубое приближение высоты можно получить, измерив температуру кипения воды; в середине 19 века этот метод использовали исследователи. ^[17] И наоборот, если кто-то хочет испарить жидкость при более низкой температуре, например, при дистилляции , атмосферное давление можно снизить с помощью вакуумного насоса , как в ротационном испарителе .

Измерения и карты

Важным применением знаний о том, что атмосферное давление напрямую зависит от высоты, стало определение высоты холмов и гор благодаря надежным приборам для измерения давления. В 1774 году Маскелин подтверждал теорию гравитации Ньютона на горе Шихаллион в Шотландии, и ему нужно было точно измерить высоту по склонам горы. Уильям Рой , используя барометрическое давление, смог подтвердить определения высоты Маскелайна, причем согласие должно было находиться в пределах одного метра (3,28 фута). Этот метод стал и продолжает оставаться полезным для геодезических работ и составления карт. ^[18]

Смотрите также

• Плотность атмосферы  - масса единицы объема атмосферы Земли.
• Атмосфера Земли  - газовый слой, окружающий Землю.
• Барометрическая формула  - формула, используемая для моделирования изменения давления воздуха с высотой.
• Баротравма  – травма, вызванная давлением – физическое повреждение тканей тела, вызванное разницей давлений между воздушным пространством внутри или снаружи тела и окружающим газом или жидкостью.
• Герметизация кабины  - процесс поддержания внутреннего давления воздуха в самолете.
• Кавитация  - в жидкостях образуются пустоты низкого давления.
• Разрушающаяся банка - алюминиевая банка сминается под действием окружающего ее атмосферного давления.
• Влияние большой высоты на человека  . Влияние окружающей среды на физиологию и психическое здоровье.
• Область высокого давления  - область с более высоким атмосферным давлением.
• Международная стандартная атмосфера  - модель атмосферы, таблица типичных изменений основных термодинамических переменных атмосферы (давление, плотность, температура и т. д.) с высотой в средних широтах.
• Зона низкого давления  - Зона с давлением воздуха ниже, чем в соседних зонах.
• Метеорология  - междисциплинарное научное исследование атмосферы с упором на прогнозирование погоды.
• NRLMSISE-00 , эмпирическая глобальная эталонная модель атмосферы Земли от земли до космоса.
• Напорная камера  - камера, содержащая жидкость под давлением.
• Давление  – сила, распределенная по площади.
• Измерение давления  – анализ силы, приложенной жидкостью к поверхности.
• Стандартная атмосфера (единица измерения)  – единица измерения давления, определенная как 101325 Па.
• Конские широты  - 30–35 градусов широты к северу и югу от экватора.

• Портал подводного дайвинга

Рекомендации

1. «Заявление (2001)». БИПМ . Проверено 19 марта 2022 г.
2. Международная организация гражданской авиации. Руководство по стандартной атмосфере ИКАО , Doc 7488-CD, третье издание, 1993 г. ISBN 92-9194-004-6 . 
3. «Атмосферное давление (энциклопедическая статья)» . Национальная география . Архивировано из оригинала 28 февраля 2018 года . Проверено 28 февраля 2018 г.
4. «Вопросы и ответы: Давление - гравитация имеет значение?». Кафедра физики . Университет Иллинойса Урбана-Шампейн. Архивировано из оригинала 28 февраля 2018 года . Проверено 28 февраля 2018 г.
5. Джейкоб, Дэниел Дж. (1999). Введение в химию атмосферы. Издательство Принстонского университета. ISBN 9780691001852. Архивировано из оригинала 01 октября 2021 г. Проверено 15 октября 2020 г.
6. Образец METAR CYVR, заархивированный 25 мая 2019 г. в Wayback Machine Nav Canada.
7. Текущая погода в Монреале, CBC Montreal, Канада, архивировано из оригинала 30 марта 2014 г. , получено 30 марта 2014 г.
8. Джейкоб, Дэниел Дж. Введение в химию атмосферы. Архивировано 25 июля 2020 г. в Wayback Machine . Издательство Принстонского университета, 1999.
9. Быстрый вывод, связывающий высоту с давлением воздуха. Архивировано 28 сентября 2011 г. в Wayback Machine Портлендским государственным аэрокосмическим обществом, 2004 г., доступ 05032011.
10. Мир: самое высокое давление воздуха на уровне моря выше 750 м, Всемирный архив экстремальных погодных и климатических явлений Всемирной метеорологической организации, 19 декабря 2001 г., заархивировано из оригинала 17 октября 2012 г. , получено 15 апреля 2013 г.
11. Мир: Самое высокое давление воздуха на уровне моря ниже 750 м, Всемирный архив экстремальных погодных и климатических явлений Всемирной метеорологической организации, 31 декабря 1968 г., заархивировано из оригинала 14 мая 2013 г. , получено 15 апреля 2013 г.
12. Крамер, MR; Спрингер С; Беркман Н; Глейзер М; Бублиль М; Бар-Ишай Э; Годфри С. (март 1998 г.). «Реабилитация больных ХОБЛ с гипоксией на небольшой высоте на Мертвом море, самом низком месте на Земле» (PDF) . Грудь . 113 (3): 571–575. дои : 10.1378/сундук.113.3.571. PMID  9515826. Архивировано из оригинала (PDF) 29 октября 2013 г.
13. Корт, Арнольд (1969). «Невероятное экстремальное давление: 1070 Мб». Бюллетень Американского метеорологического общества . 50 (4): 248–50. JSTOR  26252600.
14. Крис Лэндси (21 апреля 2010 г.). «Тема: E1), Какой тропический циклон является самым сильным за всю историю наблюдений?». Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория . Архивировано из оригинала 6 декабря 2010 года . Проверено 23 ноября 2010 г.
15. Давление пара, Hyperphysical.phy-astr.gsu.edu, заархивировано из оригинала 14 сентября 2017 г. , получено 17 октября 2012 г.
16. High Altitude Cooking, Crisco.com, 30 сентября 2010 г., заархивировано из оригинала 7 сентября 2012 г. , получено 17 октября 2012 г.
17. Берберан-Сантос, Миннесота; Бодунов Е.Н.; Польяни, Л. (1997). «О барометрической формуле». Американский журнал физики . 65 (5): 404–412. Бибкод : 1997AmJPh..65..404B. дои : 10.1119/1.18555.
18. Хьюитт, Рэйчел, Карта нации - биография ISBN службы артиллерийского управления 1-84708-098-7 

Внешние ссылки

• Текущая карта глобального среднего давления на уровне моря
• Стандартная атмосфера 1976 года от НАСА.
• Исходный код и уравнения стандартной атмосферы 1976 года.
• Математическая модель стандартной атмосферы США 1976 года.
• Калькулятор с использованием нескольких единиц измерения и свойств стандартной атмосферы 1976 года.
• Калькулятор, показывающий стандартное давление воздуха на определенной высоте или высоту, на которой давление будет стандартным.
• Рассчитать давление по высоте и наоборот

Эксперименты

• Фильмы об экспериментах с атмосферным давлением с веб-сайта HyperPhysics Университета штата Джорджия - требуется QuickTime.
• Тест, показывающий, как банку раздавили после того, как в ней закипятили воду, а затем поместили ее в ванну с ледяной водой.