Давление воздуха

Одна из наиболее существенных характеристик атмосферы — давление. Когда атмосфера спокойна, оно равно весу вертикального столба воздуха с единичным сечением, простирающегося до верхних слоев атмосферы. Когда воздух движется, то при восходящих потоках давление немного меньше, а при нисходящих — немного больше, но разница эта невелика. Физическая единица давления — давление ртутного столба высотой 760 мм на широте 45° над уровнем моря при температуре воздуха 0°. Такой столб давит с силой 1033,3 Г/см².

В синоптической практике для определения давления обычно используются миллибары (мб). Это — доли бара, которым в метеорологии называют давление, равное 10⁶ дин/см². Значение давления в миллиметрах ртутного столба также употребляется часто. Для перевода из одной системы в другую существуют специальные таблицы. В Международной системе единиц (СИ) атмосферное давление определяется как гектопаскаль (гПа). 1 гПа = 10² Па = 1 мб.

Атмосферное давление очень изменчиво. Оно зависит от высоты столба воздуха, плотности и ускорения силы тяжести, в свою очередь изменяющейся в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря. Поскольку вес ртути и воздуха представляет собой силу тяжести, действующую на них, как и на всякое тело на Земле, надо учитывать, что сила тяжести увеличивается от экватора к полюсам и уменьшается с высотой. Плотностью воздуха называется масса единицы его объема. Плотность влажного и сухого воздуха мало различается, и только при высокой температуре и большой влажности разница в плотности сухого и влажного воздуха заметна.

Под наиболее сильным давлением, естественно, находятся нижние силы воздуха. С увеличением высоты вместе с давлением убывает и плотность воздуха, которая зависит также и от его температуры, причем влияние температуры и давления на плотность противоположны.

С высотой давление изменяется всегда, а температура в нижних 10–15 км уменьшается только в среднем. При понижении температуры плотность увеличивается, следовательно, с высотой плотность воздуха уменьшается медленнее, чем давление. Плотность в отдельных случаях увеличивается с высотой или не меняется вовсе. Плотность воздуха обычно непосредственно не измеряют, а вычисляют по уравнениям на основе измеренных температуры и давления.

Сведения о плотности еще совсем недавно получали косвенно из наблюдений за полярными сияниями, метеорами, распространением радиоволн. С появлением искусственных спутников Земли плотность воздуха начали определять по их торможению. Используются также наблюдения за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, которые создаются метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли равна 1,258 кг/м³, на высоте 5 км — 0,735, на высоте 20 км — 0,087, на высоте 40 км — 0,004 кг/м³. Чем короче столб воздуха, т. е. выше место, тем давление меньше. Но уменьшение плотности воздуха с высотой вносит свои коррективы, и поэтому закон изменения давления по вертикали сложнее. Уравнение, выражающее закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере, называется основным уравнением статики. Из него следует, что с увеличением высоты изменение давления отрицательное и при подъеме на одну и ту же высоту падение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение силы тяжести. Основная роль здесь, однако, принадлежит изменениям плотности воздуха. Значит, чем выше, тем меньше падает давление при подъеме на одну и ту же высоту. В теплом воздухе давление уменьшается меньше, чем в холодном — на одной и той же высоте в теплой воздушной массе давление выше, чем в холодной.

Уравнение статики не дает возможности решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях движущейся атмосферы. Поэтому основное уравнение решают при различных упрощающих предположениях, соответствующих фактическим реальным условиям, выдвигая ряд частных предположений. Из основного уравнения статики можно получить значение вертикального градиента давления, представляющего собой изменение давления при перемещении на единицу высоты, т. е. убывание давления на единицу расстояния по вертикали (мб/100 м). Вместо вертикального градиента часто пользуются обратной ему величиной — барической ступенью в метрах на миллибар (изредка еще встречается устаревший синоним термина «градиент давления» — барометрический градиент).

Вертикальный градиент зависит, в первую очередь от самого давления, а также температуры воздуха. Поэтому в нижнем слое атмосферы давление наибольшее, особенно при низких температурах. Барическая ступень — это высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб. Одним из частных решений основного уравнения статики является барометрическая формула Лапласа, учитывающая влажность воздуха и зависимость ускорения силы тяжести от высоты и широты места. По этой формуле можно определить превышение одного пункта над другим на определенной географической широте, располагая наблюдениями над давлением, температурой воздуха и упругостью водяного пара в рассматриваемых пунктах. Формула Лапласа, дающая высокую точность расчетов, часто используется в более упрощенном виде — допускают, что воздух сухой, и не учитывают зависимость ускорения силы тяжести от широты и высоты. Зная две из трех входящих в барометрическую формулу величин (давление, температура, высота), нетрудно определить третью. Таким образом высота двух пунктов вычисляется с точностью до 1 м. И хотя это можно сделать с помощью геодезических методов, но барометрической формуле и метеорологическим наблюдениям проще и быстрее, что особенно важно в горных районах. Можно также вычислить распределение давления по высоте и решить задачу приведения давления к уровню моря и ряд других практически важных задач.

Для существования человека убывание давления с высотой имеет очень большое значение. На больших высотах у человека наступает так называемая горная болезнь — гипоксия, или кислородное голодание, т. е. кровь здесь недостаточно насыщается кислородом. Люди не могут селиться выше 5200 м — этот предел зафиксирован в Перу. В Индии встречаются поселения на высоте до 4000 м. Выше 7000 м человек не может жить и работать без кислородной маски. Лишь некоторые птицы поднимаются до высоты 7–9 км.

Давление воздуха, измеренное на самолете, дает возможность определить его высоту над точкой взлета с помощью специального прибора — самолетного альтиметра со шкалой в метрах. Данный способ применялся, в частности, в Антарктиде.

Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Это — скалярное поле, характеризующееся системой поверхностей равного давления, или изобарических поверхностей. Изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, так как температура и давление изменяются в горизонтальном направлении. Поэтому изобарические поверхности наклонены под разными углами к земле и весьма разнообразны — от прогнутых вниз обширных, неглубоких «котловин» до выгнутых вверх растянутых «холмов». Если мысленно пересечь их горизонтальной плоскостью, получатся кривые — изобары — линии, соединяющие пункты с одинаковым значением давления. По результатам наблюдений в определенные моменты времени строятся карты изобар — синоптические, по средним многолетним данным (за месяц, сезон, год) — климатологические. На синоптических картах между изобарами принят интервал, равный 5 мб. Плавные и на первый взгляд причудливые линии изобар, никогда не пересекаются, потому что в одной точке не может быть одновременно двух разных значений давления. На ограниченной карте изобары могут обрываться, но в пределах всего Земного шара каждая изобара обязательно замкнута.

В то же время на ограниченной карте очень часто (почти всегда) бывают замкнутые изобары, ограничивающие участки низкого или высокого давления — барические системы. Это области с пониженным давлением в центре — циклоны и области с относительно повышенным давлением — антициклоны. В первом случае давление возрастает от центра к периферии, а во втором — убывает.

Над европейской территорией пашей страны в год проходит в среднем 75 циклонов. Диаметр циклона — 1000 км и более. В Европе за год бывает в среднем 36 антициклонов, из которых шесть имеют давление в центре более 1050 мб. Среднее давление в северном полушарии равно 1013,68 мб, в южном полушарии до широты 72,5° ю. ш. — 1011,68 мб. Над Антарктидой давление еще недостаточно исследовано для получения средних данных. Кроме циклонических и антициклонических систем, существуют промежуточные — ложбины, гребни, седловины. На периферии циклонов и антициклонов или между ними изобары близки к параллельным линиям.

Если рассмотреть изобарическое поле в вертикальном разрезе, то в циклоне изобары выглядят как воронка, а в антициклоне — как холм. На пространственные распределения барических поверхностей влияет температура воздуха. В теплом воздухе вблизи земли барические поверхности лежат выше холодных. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и давление в нем уменьшается с высотой быстрее.

Если составить карты изобар по осредненным значениям за весь имеющийся ряд наблюдений, за определенные месяцы или сезоны (на уровне моря), можно получить следующую картину. В январе вдоль экватора лежит зона пониженного давления, в середине которой давление равно примерно 1010 мб. Внутри этой полосы обнаруживаются области с самым низким давлением (1008 мб), которые лежат над наиболее нагретыми материками южного полушария — в Южной Америке, Южной Африке и Австралии, т. е. около 15° ю. ш. Здесь в это время года лето.

По обе стороны низкого давления в обоих полушариях на широте 30°—35° возникают области повышенного давления с давлением в отдельных центрах более 1020 мб — субтропические барические антициклоны. Это — Азорский максимум в северном полушарии в Атлантическом океане и Гавайский — в Тихом. В южном полушарии в субтропиках выделяются три барических антициклона — все над океанами: Индийским, Тихим и Атлантическим. В то же время над материками южного полушария, в январе более теплыми, чем океаны, давление понижено.

На север от субтропиков давление начинает убывать, образуя в северном полушарии барические минимумы: Исландский с давлением порядка 995 мб и Амурский — около 1000 мб. А на суше давление чем дальше от моря, тем все более увеличивается, создавая два мощных максимума — антициклон над Монгольским плато с давлением в центре до 1040 мб и Канадский — до 1025 мб.

Убывает давление и в южном полушарии, образуя пояс пониженного давления на широте 60°—65°. Так как южное полушарие в основном океаническое, изобары имеют преимущественно широтное направление. Летом в июле экваториальный пояс пониженного давления не исчезает, а лишь несколько смещается в северное полушарие. Смещаются к северу также и субтропические барические максимумы над океанами северного полушария. В южном полушарии в июле субтропические антициклоны расширяются, захватывая и области высокого давления над холодными материками. Заметно ослабляются Алеутский и Исландский минимумы, причем первый на средних картах даже не прослеживается. Над материками северного полушария давление понижено. В это время заметно выделяется барический минимум над Юго-Восточной Азией с давлением в центре 995 мб и несколько менее — Мексиканский минимум (1010 мб).

В южном полушарии летом, как и зимой, удерживается зона низкого давления в субполярных широтах и антициклон над материком Антарктиды. Следовательно, в среднем распределение давления на земном шаре имеет зональный характер, образуя зоны пониженного и повышенного давления. Эта общая картина нарушается изменениями давления над материками, где оно повышается зимой и понижается летом.

Можно различить также постоянные и сезонные барические области. К последним относятся такие, в которых зимние максимумы сменяют летние минимумы. Это — так называемые центры действия атмосферы. Их роль в формировании воздушных течений, погоды и климата очень велика. Причины возникновения центров действия атмосферы — термические и динамические — связаны с охлаждением и нагреванием в нижних слоях атмосферы. Субтропические барические максимумы обусловлены вторжением антициклонов в эти районы; Исландский и Алеутский минимумы, а также субполярная область пониженного давления южного полушария — образованием и движением циклонов.

Атмосферное давление постоянно меняется. Когда легкие теплые воздушные массы уступают место холодному тяжелому воздуху, давление растет. Когда над тем или иным районом проходят барические системы, давление также изменяется: если циклон, то давление сначала падает, а затем начинает расти; при прохождении же антициклона картина обратная — давление вначале растет, а потом падает.

В течение одних суток давление может колебаться в очень больших пределах — до 20–30 мб, особенно значительно в умеренных и высоких широтах, где наиболее активна циклоническая деятельность. Самое высокое давление было зарегистрировано 31 июля 1968 г. на ст. Агата в Красноярском крае. Оно составляло 1083,8 мб (приведено к уровню моря). А самое низкое давление — 877,0 мб отмечено в тайфуне над Тихим океаном 24 сентября 1958 г. Осреднив наблюдения над давлением за много лет и прослеживая полученные результаты от месяца к месяцу, можно определить годовой ход давления. Амплитуда годового хода в средних широтах больше, чем в экваториальных. Над материками годовой ход выражен более отчетливо, чем над океанами. В целом годовой ход давления разнообразен и тесно связан с физико-географическими условиями. Тем не менее выделяются некоторые основные типы, например: континентальный и океанический.

Путем осреднения получают также общую картину изменения давления в пределах суток. Здесь обнаруживаются два максимума и два минимума. По местному времени максимумы приходятся на 10 и 22 часа, а минимумы — на 4 и 16 часов. В тропических широтах, где это прослеживается наиболее отчетливо, амплитуда составляет 3–4 мб.

Прохождение циклонов и антициклонов во внетропических зонах перекрывает суточный ход давления. Чем выше географическая широта места, тем меньше амплитуда суточного хода уровня. Дневной минимум на всех широтах заметнее ночного, а утренний максимум отчетливее, чем вечерний. Нагревание воздуха в дневное время определяет дневной барический минимум, а охлаждение — утренний максимум. Вторые максимумы и минимумы объясняются причинами иного происхождения, а именно: упругими колебаниями атмосферы, вызванными периодическим нагреванием атмосферы солнечными лучами. Периодические колебания с суточным и полусуточным периодом очень малы по сравнению с большими и длительными изменениями, определяемыми сезонным ходом и прохождением циклонов и антициклонов. Это наблюдается в полярных и умеренных широтах.

В связи с суточными колебаниями давления интересны так называемые лунные приливы — колебания давления с периодом, равным 12 час. 25 мин., т. е. половине лунных суток. Амплитуда этих колебаний мала, наибольшая в тропиках — до 0,09 мб, затем с широтой резко убывает. Это говорит о том, что влияние фаз Луны на погоду в нижней тропосфере столь незначительно, что оно не имеет практического значения. В высоких слоях атмосферы (выше 100 км) суточные различия нагревания очень велики, соответственно велики также термические приливы. Полагают, что выше 100 км приливы создают сменяющиеся 4 раза в день западные и восточные ветры, со скоростями 20–40 м/с и более.