Атмосферное давление

Атмосферное давление , также известное как давление воздуха или барометрическое давление (от барометра ), это давление в атмосфере Земли . Стандартная атмосфера (символ: атм) — это единица измерения давления, определяемая как 101 325 Па (1 013,25 гПа ), что эквивалентно 1 013,25 миллибар , ^[1] 760 мм рт. ст. , 29,9212 дюйма 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 приблизительно 1 атм.

В большинстве случаев атмосферное давление близко аппроксимируется гидростатическим давлением , вызванным весом воздуха над точкой измерения. По мере увеличения высоты , вышележащая масса атмосферы уменьшается, поэтому атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Поскольку атмосфера тонкая по сравнению с радиусом Земли — особенно плотный атмосферный слой на малых высотах — ускорение свободного падения Земли как функция высоты может быть аппроксимировано как постоянное и мало способствует этому падению. Давление измеряет силу на единицу площади, в единицах СИ паскаль (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 атмосферы Земли, 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 в ² будет иметь вес около 14,7 фунт-силы , что приводит к давлению 14,7 фунт-силы/дюйм ² .

Механизм

Атмосферное давление вызвано гравитационным притяжением планеты к атмосферным газам над поверхностью и является функцией массы планеты, радиуса поверхности, а также количества и состава газов и их вертикального распределения в атмосфере. ^[3]^[4] Оно изменяется вращением планеты и локальными эффектами, такими как скорость ветра, изменения плотности из-за температуры и изменения состава. ^[5]

Среднее давление на уровне моря

Карта, показывающая атмосферное давление в мбарах или гПа

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

Настройка высотомера в авиации представляет собой корректировку атмосферного давления.

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

В примечаниях к погодному коду США передаются только три цифры; десятичные точки и одна или две наиболее значимые 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 рекордно высокими значениями, 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.).

Поверхностное давление

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

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

Среднее значение давления на поверхности Земли составляет 985 гПа. ^[8] Это контрастирует со средним давлением 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 (m) и ускорение свободного падения (g) связаны соотношением P = F/A = (m*g)/A, где A — площадь поверхности. Таким образом, атмосферное давление пропорционально весу на единицу площади атмосферной массы над этим местом.

Изменение высоты

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 года. С увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Можно рассчитать атмосферное давление на заданной высоте. ^[9] Температура и влажность также влияют на атмосферное давление. Давление пропорционально температуре и обратно пропорционально влажности, и оба эти параметра необходимы для вычисления точного значения. График был разработан для температуры 15 °C и относительной влажности 0%.справавыше

На малых высотах над уровнем моря давление уменьшается 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 : ${\begin{aligned}p&=p_{0}\cdot \left(1-{\frac {L\cdot h}{T_{0}}}\right)^{\frac {g\cdot M}{R_{0}\cdot L}}\\&=p_{0}\cdot \left(1-{\frac {g\cdot h}{c_{\text{p}}\cdot T_{0}}}\right)^{\frac {c_{\text{p}}\cdot M}{R_{0}}}\approx p_{0}\cdot \exp \left(-{\frac {g\cdot h\cdot M}{T_{0}\cdot R_{0}}}\right)\end{aligned}}$

Значения в этих уравнениях следующие:

Локальная вариация

Атмосферное давление на Земле сильно варьируется, и эти изменения важны для изучения погоды и климата . Атмосферное давление демонстрирует суточный или полусуточный (дважды в день) цикл, вызванный глобальными атмосферными приливами . Этот эффект сильнее всего проявляется в тропических зонах с амплитудой в несколько гектопаскалей и почти равен нулю в полярных областях. Эти изменения имеют два наложенных цикла: циркадный (24 ч) цикл и полуциркадный (12 ч) цикл.

Записи

Самое высокое барометрическое давление, приведенное к уровню моря, когда-либо зарегистрированное на Земле (выше 750 метров), было 1084,8 гПа (32,03 дюйма рт. ст.), измеренное в Тосонцэнгеле, Монголия , 19 декабря 2001 года. ^[10] Самое высокое барометрическое давление, приведенное к уровню моря, когда-либо зарегистрированное (ниже 750 метров), было в Агате в Эвенкийском автономном округе , Россия (66°53' с. ш., 93°28' в. д., высота: 261 м, 856 футов) 31 декабря 1968 года и составило 1083,8 гПа (32,005 дюйма рт. ст.). ^[11] Дискриминация обусловлена проблемными предположениями (предполагающими стандартную скорость градиента), связанными с понижением уровня моря с больших высот. ^[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 атмосферное давление, не связанное с торнадо, когда-либо измеренное, составило 870 гПа (0,858 атм; 25,69 дюймов рт. ст.), установленное 12 октября 1979 года во время тайфуна Тип в западной части Тихого океана. Измерение было основано на инструментальном наблюдении, сделанном с разведывательного самолета. ^[14]

Измерение на основе глубины воды

Одна атмосфера (101,325 кПа или 14,7 фунтов на квадратный дюйм) — это также давление, вызванное весом столба пресной воды высотой около 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 может быть поднята вода с помощью всасывания при стандартных атмосферных условиях.

Низкое давление, например, в газопроводах , иногда указывается в дюймах водяного столба , обычно обозначаемых как wc (водяной столб) или wg (дюймы водяного столба). Типичный бытовой прибор, работающий на газе в США, рассчитан на давление не более 1 ⁄ 2 фунтов на квадратный дюйм (3,4 кПа; 34 мбар), что составляет приблизительно 14 водяного столба. Аналогичные метрические единицы с широким спектром названий и обозначений, основанных на миллиметрах , сантиметрах или метрах, в настоящее время используются реже.

Температура кипения жидкостей

Чистая вода кипит при 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 пищи под давлением . Грубое приближение высоты можно получить, измерив температуру, при которой кипит вода; в середине 19 века этот метод использовался исследователями. ^[17] И наоборот, если нужно испарить жидкость при более низкой температуре, например, при дистилляции , атмосферное давление можно понизить с помощью вакуумного насоса , как в роторном испарителе .

Измерения и карты

Важным применением знания о том, что атмосферное давление напрямую зависит от высоты, стало определение высоты холмов и гор с помощью надежных приборов для измерения давления. В 1774 году Маскелайн подтверждал теорию тяготения Ньютона на горе Шихаллион в Шотландии, и ему нужно было точно измерить высоту склонов горы. Уильям Рой , используя барометрическое давление, смог подтвердить определения высоты Маскелайна, при этом погрешность оказалась в пределах одного метра (3,28 фута). Этот метод стал и продолжает оставаться полезным для геодезических работ и картографирования. ^[18]

Смотрите также

Плотность атмосферы – масса на единицу объема атмосферы Земли.
Атмосфера Земли
Барометрическая формула – Формула, используемая для моделирования изменения давления воздуха в зависимости от высоты.
Баротравма — повреждение, вызванное внешним давлением жидкости — физическое повреждение тканей тела, вызванное разницей давления между воздушным пространством внутри или снаружи тела и окружающим газом или жидкостью.
Наддув кабины – процесс поддержания внутреннего давления воздуха в самолете или космическом корабле.
Кавитация – образование пустот низкого давления в жидкостях.
Разрушение банки – алюминиевая банка раздавливается окружающим ее атмосферным давлением.
Влияние большой высоты на человека – Влияние окружающей среды на физиологию и психическое здоровье
Область высокого давления – область с повышенным атмосферным давлением.
Международная стандартная атмосфера — модель атмосферы, представляющая собой таблицу типичных изменений основных термодинамических переменных атмосферы (давление, плотность, температура и т. д.) с высотой в средних широтах.
Область низкого давления – область с более низким давлением воздуха, чем в соседних областях.
Метеорология – междисциплинарное научное исследование атмосферы с упором на прогнозирование погоды.
NRLMSISE-00 — эмпирическая, глобальная эталонная модель атмосферы Земли от Земли до космоса.
Камера нагнетания – камера, содержащая жидкость под давлением.
Давление – сила, распределенная по площади.
Измерение давления
Стандартная атмосфера (единица) – единица измерения давления, определяемая как 101325 Па.
Конские широты – широты 30–35 градусов к северу и югу от экватора.

Ссылки

^ "Заявление (2001)". BIPM . Получено 2022-03-19 .
^ Международная организация гражданской авиации. Руководство по стандартной атмосфере ИКАО , Doc 7488-CD, третье издание, 1993. ISBN 92-9194-004-6 .
^ "атмосферное давление (энциклопедическая запись)". National Geographic . Архивировано из оригинала 28 февраля 2018 года . Получено 28 февраля 2018 года .
^ "Q & A: Pressure – Gravity Matters?". Физический факультет . Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне. Архивировано из оригинала 28 февраля 2018 года . Получено 28 февраля 2018 года .
^ Джейкоб, Дэниел Дж. (1999). Введение в химию атмосферы. Princeton University Press. ISBN 9780691001852. Архивировано из оригинала 2021-10-01 . Получено 2020-10-15 .
^ Образец METAR CYVR Архивировано 25.05.2019 в Wayback Machine Nav Canada
^ Montreal Current Weather, CBC Montreal, Canada, архивировано из оригинала 2014-03-30 , извлечено 2014-03-30
^ Джейкоб, Дэниел Дж. Введение в химию атмосферы. Архивировано 25 июля 2020 г. в Wayback Machine . Princeton University Press, 1999.
^ Быстрый вывод, связывающий высоту с давлением воздуха. Архивировано 28 сентября 2011 г. на Wayback Machine Портлендским государственным аэрокосмическим обществом, 2004 г., дата обращения 05032011
^ ab Мир: Самое высокое давление воздуха на уровне моря выше 750 м, Архив экстремальных погодных и климатических явлений Всемирной метеорологической организации, 2001-12-19, архивировано из оригинала 2012-10-17 , извлечено 2013-04-15
↑ Мир: Самое высокое давление воздуха на уровне моря ниже 750 м, Архив экстремальных погодных и климатических явлений Всемирной метеорологической организации, 1968-12-31, архивировано из оригинала 2013-05-14 , извлечено 2013-04-15
^ Kramer, MR; Springer C; Berkman N; Glazer M; Bublil M; Bar-Yishay E; Godfrey S (март 1998 г.). «Реабилитация пациентов с гипоксемией и ХОБЛ на небольшой высоте над уровнем моря, самого низкого места на земле» (PDF) . Chest . 113 (3): 571–575. doi :10.1378/chest.113.3.571. PMID 9515826. Архивировано из оригинала (PDF) 29.10.2013.
^ Корт, Арнольд (1969). «Невероятный экстремальный уровень давления: 1070 Мб». Бюллетень Американского метеорологического общества . 50 (4): 248–50. JSTOR 26252600.
^ Крис Ландси (21.04.2010). "Тема: E1), Какой тропический циклон является самым интенсивным за всю историю наблюдений?". Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория . Архивировано из оригинала 6 декабря 2010 года . Получено 23.11.2010 .
^ Давление пара, Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, заархивировано из оригинала 2017-09-14 , извлечено 2012-10-17
^ High Altitude Cooking, Crisco.com, 2010-09-30, архивировано из оригинала 2012-09-07 , извлечено 2012-10-17
^ Берберан-Сантос, МН; Бодунов, ЭН; Польяни, Л. (1997). «О барометрической формуле». American Journal of Physics . 65 (5): 404–412. Bibcode : 1997AmJPh..65..404B. doi : 10.1119/1.18555.
^ Хьюитт, Рэйчел, Карта страны – биография Картографического управления ISBN 1-84708-098-7

Внешние ссылки

Текущая карта глобального среднего давления на уровне моря
Стандартная атмосфера 1976 года от NASA
Исходный код и уравнения для Стандартной атмосферы 1976 года
Математическая модель стандартной атмосферы США 1976 года
Калькулятор, использующий несколько единиц и свойств для стандартной атмосферы 1976 года
Калькулятор, дающий стандартное давление воздуха на указанной высоте или высоте, на которой давление будет стандартным.
Рассчитать давление по высоте и наоборот

Эксперименты

Фильмы об экспериментах по атмосферному давлению с сайта HyperPhysics Университета штата Джорджия – требуется QuickTime
Испытание, показывающее, как консервная банка сминается после того, как в ней закипит вода, а затем ее помещают в ванну с ледяной водой.