 |
Так, для наземных условий она в среднем составляет 8 м, а для высот 5 и 10 км — 15 и 30 м соответственно.
|
|
|
|
Атмосферное давление и ветер.
Атмосферное давление — измеряется весом (пропорционально массе) вышележащего столба воздуха на единицу горизонтальной поверхности.
Атмосферное давление выражается либо в гектопаскалях (гПа), численно равных миллибарам (мб), либо в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).
Распределение атмосферного давления называют барическим полем. Атмосферное давление есть величина скалярная: в каждой точке атмосферы оно вполне характеризуется одним числовым значением, выраженным в миллибарах или миллиметрах ртутного столба.
Как всякое скалярное поле, его можно наглядно представить в пространстве поверхностями равных значений данной величины, а на плоскости — линиями равных значений – изобар.
В случае атмосферного давления это будут изобарические поверхности и изобары.
Изобарическая поверхность со значением 1000 мб проходит вблизи уровня моря. Изобарическая поверхность 700 мб располагается на высотах, близких к 3 км, изобарическая поверхность 500 мб— на высотах, близких к 5 км. Изобарические поверхности 300 и 200 мб располагаются соответственно на высотах около 9 и около 12км, т.е. вблизи тропопаузы.
Изобарические поверхности наклонены относительно поверхностей уровня, в том числе и уровня моря. Поэтому в разных своих точках каждая изобарическая поверхность в каждый момент находится на различных высотах над уровнем моря.
Плотность воздуха ρ зависит от температуры, влажности и давления.
Эта зависимость определяется известными из физики газовыми законами, основным уравнением газового состояния Клайперона и состоит в следующем:
1) чем выше температура в-ха, тем меньше плотность;
|
|
|
2) чем больше влажность воздуха, тем меньше его плотность;
3) чем больше давление, под которым находится тот или иной объем воздуха, тем больше его плотность.
Изменение давления с высотой
Неподвижная по отношению к Земле атмосфера подвержена силе тяготения. Изменение давления с высотой в условиях статического равновесия, т.е. когда воздух находится в покое описывается основным
уравнением статики атмосферы, связывающим давление воздуха р, плотность p, ускорение свободного падения g и высоту z
d p = -ρg dz
g=9 80, 616 см/с2 Rc – удельная газовая постоянная 2,87 х 103 Дж/(кг 0С)
или изменение атмосферного давления с высотой
- d p = ρg
dz
Из этого уравнения можно сделать следующие выводы;
1. В атмосфере давление с увеличением высоты всегда убывает.
2. Атмосферное давление на каждом уровне представляет собой вес столба воздуха с поперечным сечением 1м2 и высотой от данного уровня до верхней границы атмосферы.
3. При подъеме на одну и ту же высоту (dz=const) уменьшение давления
(- d p) тем больше, чем больше плотность воздуха ρ иускорение свободного падения g, которое играет второстепенную роль.
Поскольку плотность убывает с высотой, то чем выше расположен уровень, тем меньше убывание давления при подъеме на одну и ту же высоту dz.
Барометрические формулы.
Барометрические формулы – интегралы основного уравнения статики атмосферы, полученные при разных предположениях относительно изменения температуры и плотности воздуха с высотой.
С помощью этих формул решается целый ряд практических задач:
- определяется превышение одного уровня z над другим, если известны давление и температура на этих двух уровнях;
- определяется давление на нижнем уровне, если известны высота, давление и температура(приведение к уровню моря);
- определяется давление на какой-либо высоте, если известны высота, давление и температура на нижнем уровне (уровне моря).
|
|
|
Путем интегрирования обеих частей основного уравнения статики получают различные барометрические формулы:
Барометрическая формула однородной атмосферы ( плотность воздуха в пределах всей атмосферы с высотой не изменяется) –
р = p0 - gρdz
Высота однородной атмосферы зависит от температуры воздуха у поверхности Земли. При t =00 она составляет примерно 8 км.
Барометрическая формула изотермической атмосферы (атмосфера, в которой температура с высотой остается неизменной, dt=const)
Барометрическая формула политропной атмосферы (атмосфера, в которой предполагается линейное изменение температуры с высотой или постоянное значение вертикального градиента температуры.
В политропной атмосфере при одних и тех же значениях давления и температуры, давление убывает с высотой тем быстрее, чем больше значение
вертикального градиента температуры (y).
Полная барометрическая формула атмосферы – она получена для общего случая, т.е. для произвольного распределения температуры по высоте, влажного воздуха и изменения ускорения свободного падения в зависимости от широты места и высоты (используется только при барометрическом нивелировании)
При решении большинства метеорологических задач используют более простую формулу – барометрическую формулу реальной атмосферы (воздух сухой, а ускорение свободного падения не зависит от широты места и высоты).
При определении высоты точки по измеренному давлению и расчете распределения давления в ограниченном слое атмосфере (не более 2000м)
используется Барометрическая формула Бабине
z2=8000 2(р1-р2) х (1+αt )
р1 +р2
α=0,004 коэф. теплового расширения газов
Для приближенной оценки высоты по известной разности давлений или, наоборот, для оценки давления по заданной разности высот пользуются понятием «барическая ступень».
Барической ступенью называется такая высота h, на которую нужно подняться (опуститься) от (до) исходного уровня, чтобы давление понизилось (повысилось) на 1 гПа, с увеличением высоты барическая ступень растет.
Так, для наземных условий она в среднем составляет 8 м, а для высот 5 и 10 км — 15 и 30 м соответственно.
Барическая ступень величина, обратная вертикальному градиенту давления.
|
|
|
Приведение давления к уровню моря.
Приняв на уровне моря g = 9,8 м/с2, ρ (плотность воздуха) = 1,23 кг/м3, находят величину вертикального градиента давления.
Эта величина используется для приведения давления к уровню моря, когда наблюдения проводят на небольшой высоте.
В практике судовождения давление приводят к уровню моря простым прибавлением к отсчету 0,1 мм на 1 м высоты барометра над ватерлинией. Чтобы получить сопоставимые результаты, давление к уровню моря приводят на всех гидрометеорологические станциях и постах.
Под барической ступенью понимается высота, на которую нужно подняться
или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мбар
Стандартная атмосфера
Это некоторая, независящая от времени суток и года, одинаковая во всех случаях условная атмосфера, в которой распределение физических характеристик постоянно.
Стандартная атмосфера определяет средние значания основних параметров атмосферы для высот от 2 000 до 1 200 000 м для широты 45032, 33,,
Для стандартной атмосферы приняты следующие условия: атмосферное давление на среднем уровне моря равно 1013,25 гПа, температура равна 150С, плотность воздуха 1,2250 кг/м3, ускорение свободного падения g=9 ,80665 м/с2.
Горизонтальный барический градиент.
Изобары на синоптической карте в одних местах они проходят гуще, в других — реже. Очевидно, что в первом случае атмосферное давление меняется в горизонтальном направлении сильнее, во втором — слабее. Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью горизонтального барического градиента.
Горизонтальный барический градиент есть вектор, направление которого совпадает с направлением нормали к изобаре в сторону уменьшения давления, а числовое значение равно производной от давления по этому направлению.
Вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального, т.к. давление с высотой меняется гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении (12,5 мб/100м или 0,1мм/1м).
|
|
|
Из формулы, описывающей закон распределения давления с высотой, следует, что в теплом воздухе давление с высотой понижается медленнее чем в холодном (температура входит в знаменатель).
Рис. Изменение давления с высотой в теплом (ТВ) и холодном (ХВ) воздухе.
Но так как давление в теплом воздухе с высотой уменьшается медленнее, чем в холодном, то на какой-то высоте (3—5 км) в теплой воздушной массе оно станет равным давлению в холодной воздушной массе, а выше этого уровня в теплой воздушной массе будет больше, чем в холодной.
В разных точках барического поля направление и величина горизонтального барического градиента - разные.
Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния будет больше; там, где изобары расположены реже — меньше. Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.
Формы барического рельефа. Изолинии равного атмосферного давления на приземных синоптических картах — изобары — имеют весьма разнообразную конфигурацию: от прямолинейных и параллельных одна по отношению к другой на отдельных участках до замкнутых концентрических систем округлой или овальной форм с низким или высоким давлением в центре. Эти барические системы основных типов называют циклонами и антициклонами.
|
|
|
