Под атмосферным давлением подразумевается давление толщи атмосферного воздуха на поверхность Земли и предметы, расположенные на ней. Степень давления соответствует весу атмосферного воздуха с основанием определённой площади и конфигурации.
Основной единицей измерения атмосферного давления в системе СИ выступает Паскаль (Па). Помимо Паскалей также используются другие единицы измерения:
- Бар (1 Ба=100000 Па);
- миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.= 133,3 Па);
- килограмм силы на квадратный сантиметр (1 кгс/см 2 =98066 Па);
- техническая атмосфера (1 ат=98066 Па).
Приведённые выше единицы измерения используются в технических целях, за исключением миллиметров ртутного столба, который служит для прогнозов погоды.
В роли основного прибора для измерения атмосферного давления выступает барометр. Устройства делятся на два типа - жидкостные и механические. Конструкция первых основана на колб, заполненной ртутью и погружённой открытым концом в сосуд с водой. Вода в сосуде передаёт давления столба атмосферного воздуха ртути. Его высота и выступает в роли показателя давления.
Механические барометры более компактны. Принцип их работы заключен в деформации металлической пластины под действием атмосферного давления. Деформирующаяся пластина давит на пружину, а та, в свою очередь, приводит в движение стрелку прибора.
Влияние атмосферного давления на погоду
Атмосферное давление и его влияние на состояние погоды разнится в зависимости от места и времени. Оно меняется в зависимости от высоты над уровнем моря. Более того, существуют динамические изменения, связанные с движением областей высокого (антициклоны) и низкого давления (циклоны).
Изменения в погоде, связанные с атмосферным давлением, возникают из-за движения воздушных масс между областями с разным давлением. Перемещение воздушных масс образуют ветер, скорость которого зависит от разницы давлений в локальных областях, их масштабов и удаления друг от друга. Кроме того, движения воздушных масс приводят к изменению температуры.
Стандартное атмосферное давление равняется 101325 Па, 760 мм рт. ст. или 1,01325 бар. Однако человек может спокойно переносить широкий спектр давления. К примеру, в городе Мехико, столице Мексике с населением в почти 9 млн. человек, средний показатель атмосферного давления составляет 570 мм рт. ст.
Таким образом, величина стандартного давления определена точно. А комфортное давление имеет значительный диапазон. Эта величина достаточно индивидуальна и полностью зависит от условий, в которых родился и проживал конкретный человек. Так, резкое перемещение из зоны с относительно высоким давлением в область более низкого может отразиться на работе кровеносной системы. Однако при длительной акклиматизации негативное влияние сходит на нет.
Повышенное и пониженное атмосферное давление
В зонах высокого давления погода носит спокойный характер, небо безоблачно, а ветер умеренный. Высокое атмосферное давление летом приводит к жаре и засухам. В зонах низкого давления погода носит преимущественно облачный характер с ветром и осадками. Благодаря таким зонам летом настаёт прохладная облачная погода с дождём, а зимой случаются снегопады. Высокая разность давления в двух областях выступает одним из факторов, приводящих к образованию ураганов и штормовых ветров.
Вес воздуха обусловливает атмосферное давление (1 м 3 воздуха весит 1,033 кг). На каждый метр земной поверхности воздух давит с силой 10033 кг. Это столб воздуха от уровня моря до верхних слоев атмосферы. Для сравнения: столб воды такого же диаметра имел бы высоту всего 10 м. Иначе говоря, собственная масса воздуха создает атмосферное давление, величина которого на единицу площади соответствует массе находящегося над нею воздушного столба. При этом уменьшение воздуха в этом столбе приводит к уменьшению (падению) давления, а увеличение воздуха — к увеличению (росту) давления. За нормальное атмосферное давление принято давление воздуха на уровне моря на широте 45° и при температуре 0°С. В этом случае давит на каждый 1 см 2 земной поверхности с силой 1,033 кг, а масса этого воздуха уравновешивается ртутным столбиком высотой 760 мм. На этой зависимости построен принцип измерения давления. Оно измеряется в миллиметрах (мм) ртутного столба (или в миллибарах (мб): 1 мб = 0,75 мм ртутного столба) и в гектопаскалях (гПа), когда 1 мм = = 1 гПа.
Давление атмосферы измеряется при помощи барометров. Существуют два типа барометров: ртутный и металлический (или анероид).
Ртутный чашечный состоит из запаянной сверху стеклянной трубки, погруженной нижним открытым концом в металлическую чашку с ртутью. Столбик ртути в стеклянной трубке уравновешивает своим весом давление воздуха, действующего на ртуть в чашке. При изменении давления изменяется и высота ртутного столба. Эти изменения фиксируются наблюдателем по шкале, прикрепленной рядом со стеклянной трубкой барометра.
Металлический барометр, или анероид, состоит из герметически закрытой тонкостенной гофрированной металлической коробки, внутри которой воздух разрежен. При изменении давления стенки коробки колеблются и вдавливаются или выпячиваются. Эти колебания системой рычагов передаются стрелке, которая перемещается по шкале с делениями.
Для записи изменений давления применяются самопишущие барометры — барографы. Работа барографа основана на том, что колебания стенок анероидной коробки передаются , которое чертит линию на ленте вращающегося вокруг своей оси барабана.
Давление на земном шаре может изменяться в широких пределах. Так, максимальная величина 815,85 мм рт.ст. (1087 мб) зарегистрирована зимой в Туруханске, минимальная — 641,3 мм рт.ст. (854 мб) — в “Ненси” над океаном.
Давление изменяется с высотой. Принято считать средним значением атмосферного давления давление над уровнем моря — 1013 мб (760 мм рт.ст.). С увеличением высоты воздух становится все более разреженным и давление уменьшается. В нижнем слое тропосферы до высоты 10 м оно понижается на 1 мм рт.ст. на каждые 10 м, или на 1 мб (гПа) на каждые 8 м. На высоте 5 км оно уже меньше в два раза, 15 км — в 8 раз, 20 км — в 18 раз.
Атмосферное давление непрерывно меняется в связи с изменением и перемещением воздуха. В течении суток оно повышается дважды (утром и вечером), дважды понижается (после полудня и после полуночи). В течении года на максимальное давление наблюдается зимой, когда воздух переохлажден и уплотнен а минимальное — летом.
Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит хорошо выраженный зональный характер, что обусловлено неравномерным нагреванием земной поверхности, а следовательно, и изменением давления. Изменение давления объясняется перемещением воздуха. Оно высокое там, где воздуха становится больше, низкое там, откуда воздух уходит. Нагреваясь от поверхности, воздух устремляется вверх и давление на теплую поверхность понижается. Но на высоте воздух охлаждается, уплотняется и начинает опускаться на соседние холодные участки, где давление возрастает. Таким образом, нагревание и охлаждение воздуха от поверхности Земли сопровождается его перераспределением и изменением давления.
В экваториальных широтах температуры воздуха постоянно высокие, воздух, нагреваясь, поднимается и уходит в сторону . Поэтому в экваториальной зоне давление постоянно пониженное. В тропических широтах в результате притока воздуха создается повышенное давление. Над постоянно холодной поверхностью полюсов ( и ) давление повышенное, его создает воздух, приходящий из широт. Вместе с тем в умеренных широтах отток воздуха формирует пояс пониженного давления. В результате на Земле формируются пояса пониженного ( и два умеренных) и повышенного (два тропических и два полярных) давления. В зависимости от сезона они несколько смещаются в сторону летнего полушария (вслед за Солнцем).
Полярные области высокого давления зимой расширяются, летом сокращаются, но существуют весь год. Пояса пониженного давления весь год сохраняются близ и в умеренных широтах южного полушария. Иная картина в северном полушарии. Здесь зимой в умеренных широтах над материками давление сильно повышается и поле низкого давления как бы “разрывается”: оно сохраняется только над океанами в виде замкнутых областей пониженного давления — Исландского и Алеутского минимумов. Но над материками, где давление заметно повысилось, образуются так называемые зимние максимумы: Азиатский (Сибирский) и Северо-Американский (Канадский). Летом в умеренных широтах северного полушария поле пониженного давления восстанавливается. При этом обширная область пониженного давления формируется над Азией — Азиатский минимум.
В тропических широтах — поясе повышенного давления — материки всегда нагреваются сильнее, чем океаны, и давление над ними ниже. Это обусловливает субтропические максимумы над океанами: Северо- (Азорский), Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Индийский.
Иначе говоря, пояса повышенного и пониженного давления Земли, несмотря на крупномасштабные сезонные изменения своих показателей, являются довольно устойчивыми образованиями.
Про атмосферное давление упоминают даже в прогнозах погоды, но какова его природа? От чего зависит низкое и высокое атмосферное давление? Как его изменение отражается на здоровье человека?
Что это такое?
Ещё в 1638 году люди плохо представляли, что такое явление, вообще, существует, пока Герцог Тосканский не решил украсить Флоренцию фонтанами на большой высоте. Его попытка с треском провались, так как выше десяти метров вода не поднималась. Тогда и наступило время первых опытов в этой области.
С развитием науки стало ясно, что давление является физической величиной, которая сообщает о количестве силы, перпендикулярно примененной к единице площади какой-либо поверхности. Атмосфера - не исключение. На нашу планету она давит при помощи воздуха, который присутствует повсеместно.
Масса окружающего нас воздуха в миллионы раз меньше земной, но этого вполне достаточно, чтобы все предметы и существа испытывали на себе его влияние. Ежедневно на нас давит около пятнадцати тонн воздуха, однако мы не можем этого почувствовать, ведь внутреннее давление человеческого тела такое же, как и атмосферное.
Низкое и высокое атмосферное давление
Как и любую физическую величину, давление можно измерить. В Международной системе единиц для этого используют паскаль (Па), в России также применяют бары и миллиметры ртутного столба.
В качестве среднего значения принят показатель при температуре ноль градусов на уровне моря на широте 45 градусов. Он обозначается как нормальное атмосферное давление и составляет 760 миллиметров ртутного столба или 101325 паскалей.
От чего зависит атмосферное давление? В первую очередь от количества воздуха на единицу площади: чем его меньше, тем ниже давление и наоборот. Оно напрямую зависит от высоты. На больших высотах воздух более разряженный, поэтому его показатель с поднятием уменьшается. На высоте 5 км его сила меньше всего в два раза, на высоте 20 км - примерно в 18 раз.
Давление склонно изменяться в разное время суток и сезоны. Важным фактором является температура. Ночью, когда температура падает, давление чуть более низкое, чем днем. На континентах высокое атмосферное давление отмечается в зимний период, низкое - в летний.
Зональность давления
Области Земного шара прогреваются неодинаково, в результате распределение давления происходит зонально. В одних местах воздух нагревается и уменьшает свое давление. Поднимаясь вверх и постепенно охлаждаясь, он перемещается на соседние участки, увеличивая давление там.
Подобное перераспределение воздушных масс хорошо заметно в экваториальном поясе, где из-за высоких температур давление всегда пониженное, а в соседних тропических поясах оно обычно повышенное. В Антарктиде и Северном полюсе постоянное высокое давление является следствием притока воздуха с умеренных широт.
Как уже говорилось выше, давлению свойственны сезонные колебания, однако эти изменения не слишком значительны. В целом показатели давления являются устойчивыми: на планете постоянно существуют зоны повышенного и пониженного давления.
Влияние высокого атмосферного давления
Ощутить силу этого явления на себе человек может, поднимаясь в горы. Многим знакомо закладывание ушей, когда преодолеваешь порой незначительные подъемы. Почувствовать его можно, нырнув глубоко под воду, кстати, максимальная глубина такого погружения без специального снаряжения составляет не больше 170 метров (хотя и это довольно рискованно).
В повседневной жизни человек также ощущает изменения давления, особенно если происходят резкие перепады. Высокое атмосферное давление сопровождается ясной погодой и сухостью, вредные вещества в воздухе чувствуются резче. В результате обостряются аллергии и проблемы с органами дыхания.
Повышение давления ярко отражается на самочувствии гипертоников. Способствуя уменьшению лейкоцитов в крови, оно может ослабить иммунитет. Поэтому в периоды повышенного давления человеку сложнее бороться с инфекциями и другими заболеваниями.
Люди различных профессий должны знать о понятии атмосферного давления: медики, летчики, ученые, полярники и другие. Оно напрямую воздействует на специфику их работы. Атмосферное давление – это величина, что помогает предсказать и спрогнозировать погоду. Если оно повышается, то это говорит о том, что погода будет солнечная, а если давление понижается, то это предвещает ухудшение погодных условий: появляется облачность и идут атмосферные осадки в виде дождя, снега, града.
Понятие и сущность атмосферного давления
Определение 1
Атмосферное давление – это сила, которая действует на поверхность. Иными словами, в каждой точке атмосферы давление равно массе вышележащего столба воздуха с основанием, которое равно единице.
Единицей измерения атмосферного давления является Паскаль (Па), который приравнивается силе в 1 Ньютон (Н), что действует на площадь в 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2). Атмосферное давление в метрологии выражается в гектопаскалях (гПа) с точностью до 0,1 гПа. А 1 гПа, в свою очередь, равен 100 Па.
В качестве единицы измерения атмосферного давления до недавнего времени использовался миллибар (мбар) и миллиметр ртутного столба (мм. рт. ст.). Давление измеряется абсолютно на всех метеорологических станциях. Для того чтобы составить приземные синоптические карты, которые отражают погодные условия в данный период времени, давление на уровне станции приводят в соответствие со значениями уровня моря. Благодаря этому можно выделить области с высоким и низким атмосферным давлением (антициклоны и циклоны), а также атмосферные фронты.
Определение 2
Среднее атмосферное давление на уровне моря, которое определяется на широте 45 градусов, при температуре воздуха 0 градусов, составляет 1013,2 гПа. Данная величина принимается за стандартную, она получила название «нормальное давление».
Измерение атмосферного давления
Мы часто забываем о том, что воздух имеет вес. У поверхности Земли плотность воздуха составляет 1,29 кг/м3. Еще Галилей доказал, что воздух имеет вес. А его ученик, Эванджелиста Торричелли, смог доказать, что воздух оказывает влияние на все тела, которые расположены на земной поверхности. Это давление стали называть атмосферным.
По формуле расчета давления столба жидкости рассчитать атмосферное давление нельзя. Ведь для этого необходимо знать высоту столба жидкости и плотность. Однако у атмосферы не существует четкой границы, а с ростом высоты уменьшается плотность атмосферного воздуха. Поэтому Эванджелиста Торричелли предложил иной метод для определения и нахождения атмосферного давления.
Он взял стеклянную трубку длиной около метра, которая с одного конца была запаяна, налил в нее ртуть и опустил открытой частью в чашу с ртутью. Немного ртути вылилось в чашу, но основная часть осталась в трубке. Каждый день количество ртути в трубе незначительно колебалось. Давление ртути на определенном уровне создается при помощи веса столба ртути, поскольку в верхней части трубки воздуха над ртутью нет. Там расположен вакуум, который получил название «торричеллиева пустота».
Замечание 1
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что атмосферное давление приравнивается давлению ртутного столбца в трубке. Измерив высоту ртутного столбца, можно рассчитать давление, что производит ртуть. Оно приравнивается атмосферному. Если атмосферное давление повышается, то ртутный столбец в трубке Торричелли увеличивается, и наоборот.
Рисунок 1. Измерение атмосферного давления. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Приборы для измерения атмосферного давления
Для измерения атмосферного давления используются такие виды приборов:
- станционный барометр чашечный ртутный СР-А (для диапазона 810-1070 гПа, что характерен для равнин) или СР-Б (для диапазона 680-1070 гПа, который наблюдается на высокогорных станциях);
- барометр-анероид БАММ-1;
- барограф метеорологический М-22А.
Наиболее точными и часто используемыми являются ртутные барометры, которые применяются для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях. Они располагаются в помещениях в специально оборудованных шкафах. Доступ к ним строго ограничен в целях техники безопасности: с ними могут работать только специально подготовленные специалисты и наблюдатели.
Более распространенными являются барометры-анероиды, которые применяются для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях и на географических стационарах для маршрутных исследований. Зачастую они применяются для барометрического нивелирования.
Барограф М-22А чаще всего используется для фиксации и непрерывной регистрации каких-либо изменений атмосферного давления. Они могут быть двух типов:
- для того чтобы зарегистрировать суточное изменение давления, применяется М-22АС;
- для того чтобы зарегистрировать изменение давления в течение 7 дней, применяется М-22АН.
Устройство и принцип действия приборов
Рассмотрим для начала чашечный ртутный барометр. Данный прибор состоит из стеклянной калиброванной трубки, которая заполнена ртутью. Ее верхний конец запаян, а нижний погружается в чашу с ртутью. Чашка ртутного барометра состоит из трех частей, которые соединены резьбой. Средняя чаша внутри имеет диафрагму со специальными отверстиями. Благодаря диафрагме затрудняется колебание ртути в чаше, предотвращая тем самым попадание воздуха.
В верхней части чашечного ртутного барометра есть отверстие, сквозь которое чаша сообщается с воздухом. В некоторых случая отверстие закрывается винтом. В верхней части трубки воздуха нет, поэтому под влиянием атмосферного давления столбик ртути поднимается в колбе до определенной высоты на поверхность ртути в чаше.
Масса столба ртути приравнивается к величине атмосферного давления.
Следующим прибором является барометр. Принцип его устройства заключается в следующем: стеклянная трубка защищается металлической оправой, на которую наносится шкала измерения в паскалях или миллибарах. Верхняя часть оправы имеет продольный прорез для того, чтобы наблюдать за положением ртутного столбика. Для максимально точного отчета мениска ртути располагается кольцо с нониусом, которое перемещается вдоль шкалы при помощи винтика.
Определение 3
Шкала, которая предназначена для определения десятых долей, называется компенсированная шкала.
От загрязнения она предохраняется защитным кожухом. В средней части барометра вмонтирован термометр для того, чтобы учитывать влияние температуры окружающей среды. По его показаниям вводится температурная поправка.
С целью исключения искажений показаний ртутного барометра вводится ряд поправок:
- температурная;
- инструментальная;
- поправки на ускорение силы тяжести в зависимости от высоты над уровнем моря и широты места.
Барометр-анероид БАММ-1 используется для замеров атмосферного давления в приземных условиях. Его чувствительным элементом является блок, который состоит из трех соединенных анероидных коробок. Принцип устройства барометра-анероида основывается на деформации мембранных коробок под действием атмосферного давления и трансформацией линейных перемещений мембран при помощи передаточного механизма в угловые перемещения стрелы.
В качестве приемника выступает металлическая анероидная коробка, которая оснащена гофрированным дном и крышкой, воздух из них полностью выкачивается. Пружина оттягивает крышку коробки и предохраняет ее от сплющивания воздушным давлением.
Рисунок 2. Подтверждение существования атмосферного давления. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Самочувствие некоторых людей зависит от погоды. При нормальном атмосферном давлении их состояние остается стабильным, но при любых изменениях наблюдается его ухудшение.
Что такое атмосферное давление?
Давление атмосферное – это масса воздуха, давящая на человеческое тело. Средний показатель – 1,033 на 1 см³. Из этого следует, что каждую минуту массу организма контролируют 10-15 т газообразного вещества.
Нормальное значение – 1013,25 мбар или 760 мм рт. ст. В таких условиях организм не подвержен никаким негативным воздействиям.
От чего оно зависит?
Показатель давления не имеет стабильности. Он меняется каждый день в зависимости от расположения местности над уровнем моря, рельефа, климата, погодных условий. Существуют и другие факторы, от чего зависит атмосферное давление. Эти колебания невозможно заметить. Например, в ночное время столбик барометра увеличивается на 1-2 деления.
Несущественные изменения не оказывают влияния на состояние здоровья человека. Если же перепады достигают 5-10 единиц, происходит ухудшение самочувствия. Кроме того, существенные скачки давления могут стать причиной летального исхода.
Давление атмосферы измеряется с помощью термогигрометров и барометров. С этой целью применяются такие измерительные единицы:
- мм рт. ст. (миллиметры ртутного столба);
- Паскали;
- бары;
- кгс/см²;
- атмосферы.
Какое атмосферное давление считается нормальным для человека?
Стандартным считается показатель в 760 мм. рт. ст. Эти нормы для человека могут отличаться в зависимости от условий проживания. Например, в Мехико давление не поднимается выше 570 мм рт. ст., т.к. столица Мексики находится высоко над уровнем моря. Люди, которые проживают в этой местности, сложно переносят другие условия. Из этого следует, что нормальный атмосферный показатель давления индивидуален для каждого региона и определяется привычной средой.
Какое влияние оно оказывает на человека?
Атмосферное и артериальное давление имеет тесную взаимосвязь. Уменьшение значений барометра приводит к возникновению таких отрицательных проявлений:
- нарушение дыхания;
- уменьшение частоты сердечных сокращений;
- апатия и чувство сонливости;
- уменьшение артериального давления;
- повышенная утомляемость;
- головные боли;
- головокружение;
- подташнивание;
- пищеварительные расстройства;
- нарушение концентрации внимания.
В категории риска находятся люди с патологиями респираторной системы и гипотонией. Их состояние в таких условиях ухудшается. Если никаких отрицательных изменений не наблюдается, то такое атмосферное давление считается нормальным для человека.
Повышенный показатель АД тоже может вызвать нарушение самочувствия. В таком случае признаки будут отличаться:
- головокружение;
- гул в ушах;
- увеличение артериального давления;
- ощущение пульсации в области висков;
- покраснение кожи лица;
- учащение сердечного ритма;
- “искорки” перед глазами;
- головная боль;
- позывы к рвоте.
В условиях повышенных показателей барометра часто происходят инфаркты и инсульты. Людям, склонным к метеозависимости, медицинские специалисты рекомендуют в этот период избегать стрессов и активной деятельности.
Что такое метеозависимость?
Если ртуть за 3 часа проходит более 1 деления барометра, это вызывает существенный стресс даже для здорового организма. Подобные скачки проявляются в виде усталости, сонливости и мигрени. Метеозависимостью называется чувствительность людей к изменению погодных условий. С этой проблемой сталкивается около 1/3 населения планеты. В группу риска входят люди с патологиями респираторной, нервной и сердечно-сосудистой систем, а также пожилые пациенты.
Чтобы минимизировать отрицательное воздействие метеоциклона, необходимо придерживаться таких рекомендаций:
- Даже если в местности преобладает нормальное атмосферное значение, нужно регулярно проходить врачебные консультации. При этом под рукой всегда необходимо иметь назначенные доктором медикаменты.
- Для отслеживания погодных изменений рекомендуется приобрести барометр. Так можно своевременно принять меры для минимизации дискомфорта.
- Перед ожидаемыми погодными изменениями ложиться спать рекомендуется раньше привычного времени. Полноценный сон длится 8 часов. Это позволяет добиться максимального восстанавливающего действия.
- Людям с метеозависимостью также важно питаться по графику. При этом рацион должен быть сбалансированным. В него нужно включить как можно больше продуктов, в составе которых содержится много кальция, магния, калия.
- Дополнительно можно употреблять витаминные комплексы, особенно осенью и весной.
- Прогулки на улице и умеренные физические нагрузки укрепляют сердечную мышцу.
- Следует избегать стрессов. Отложить домашние дела лучше, чем истощить организм перед приближающимся метеоциклоном.
- Позитивный лад. Если у человека угнетен эмоциональный фон, это подпитывает заболевание.
- Предметы гардероба из синтетики и меха формируют статическое электричество, которое может ухудшать состояние у метеозависимых людей.
- Люди, работающие в высотках, гораздо чаще других страдают от климатических изменений. Если есть возможность, то лучше взять отгул. Если самочувствие ухудшается часто, рекомендуется сменить работу.
- Продолжительный метеоциклон предрекает дискомфортные ощущения на 2-3 дня. По возможности на этот период лучше уехать в более спокойную местность.
Также следует понимать, что метеозависимость обладает вторичным характером. Климатические условия только обнажают уязвимые места организма. Например, если у человека нет проблем с костями и суставами, они не будут болеть при повышении или изменении артериального давления.
Нормы давления в разных регионах страны
Атмосферное давление в разных областях государства отличается. При этом жители горной местности невосприимчивы к перепадам температуры и влажности, т.к. они выросли в таких условиях и адаптировались к ним.
Таблица “Норма атмосферного давления для регионов России”
Россия – большое государство, поэтому в разных регионах есть своя норма атмосферного показателя. Существует климатическая карта, на которой отображены средние значения.
Отклонения в значении давления по российским регионам отражены в таблице.