Как рассчитать атмосферное давление на высоте. Атмосферное давление на различных высотах

Для начала, давайте вспомним курс физики средней школы, где объясняется, почему и как изменяется атмосферное давление в зависимости от высоты. Чем выше расположена местность над уровнем моря, тем ниже там давление. Объяснить это очень просто: атмосферное давление указывает на силу, с которой давит столб воздуха на все, что находится на поверхности Земли. Естественно, что чем выше ты поднимешься, тем меньше будет высота воздушного столба, его масса и оказываемое давление.

Кроме того, на высоте воздух разрежен, в нем содержится гораздо меньшее количество газовых молекул, что тоже моментально сказывается на массе. И не нужно забывать, что с увеличением высоты воздух очищается от токсичных примесей, выхлопных газов и прочих «прелестей», в результате чего его плотность уменьшается, а показатели атмосферного давления падают.

Исследования показали, что зависимость атмосферного давления от высоты отличается следующим: повышение на десять метров вызывает снижение параметра на одну единицу. До тех пор, пока высота местности не превышает пятисот метров над уровнем моря, изменения показателей давления воздушного столба практически не ощущаются, но если подняться на пять километров, значения будут вдвое меньше оптимальных. Сила оказываемого воздухом давления также зависит от температуры, которая очень понижается при подъеме на большую высоту.

Для уровня АД и общего состояния человеческого организма очень важна величина не только атмосферного, но и парциального давления, которое зависит от концентрации в воздухе кислорода. Пропорционально уменьшению значений давления воздуха понижается и парциальное давление кислорода, что приводит к недостаточному снабжению этим необходимым элементом клеток и тканей организма и развитию гипоксии. Это объясняется тем, что диффузия кислорода в кровь и последующая транспортировка его к внутренним органам происходит благодаря разнице значений парциального давления крови и легочных альвеол, а при подъеме на большую высоту разница этих показаний становится существенно меньше.

Как высота влияет на самочувствие человека

Основным негативным фактором, воздействующим на высоте на организм человека, является недостаток кислорода. Именно в результате гипоксии развиваются острые нарушения состояния сердца и кровеносных сосудов, повышение АД, пищеварительные расстройства и ряд других патологий.

Гипертоникам и людям, склонным к скачкам давления, не стоит подниматься высоко в горы и желательно не совершать многочасовые перелеты. О профессиональных занятиях альпинизмом и горном туризме им тоже придется позабыть.

Выраженность происходящих в организме изменений позволила выделить несколько зон высоты:

До полутора – двух километров над уровнем моря - относительно безопасная зона, в которой не наблюдается особых изменений в работе организма и состоянии жизненно важных систем. Ухудшение самочувствия, понижение активности и выносливости наблюдается очень редко.
От двух до четырех километров - организм пытается своими силами справиться с дефицитом кислорода, благодаря учащению дыхания и совершению глубоких вдохов. Тяжелую физическую работу, которая требует потребления большого объема кислорода, выполнять тяжело, но легкая нагрузка хорошо переносится в течение нескольких часов.
От четырех до пяти с половиной километров - самочувствие заметно ухудшается, выполнение физической работы затруднено. Появляются психоэмоциональные расстройства в виде приподнятости настроения, эйфории, неадекватных поступков. При длительном нахождении на такой высоте возникают головные боли, ощущение тяжести в голове, проблемы с концентрацией внимания, вялость.
От пяти с половиной до восьми километров - заниматься физической работой невозможно, состояние резко ухудшается, высок процент потери сознания.
Выше восьми километров - на такой высоте человек способен сохранять сознание в течение максимум нескольких минут, после чего следует глубокий обморок и смерть.

Для протекания в организме обменных процессов необходим кислород, дефицит которого на высоте приводит к развитию горной болезни. Основными симптомами расстройства являются:

Головная боль.
Учащение дыхания, одышка, нехватка воздуха.
Носовое кровотечение.
Тошнота, приступы рвоты.
Суставные и мышечные боли.
Нарушения сна.
Психоэмоциональные нарушения.

На большой высоте организм начинает испытывать недостаток кислорода, в результате чего нарушается работа сердца и сосудов, повышается артериальное и внутричерепное давление, выходят из строя жизненно важные внутренние органы. Чтобы успешно побороть гипоксию нужно включить в рацион питания орехи, бананы, шоколад, крупы, фруктовые соки.

Влияние высоты на уровень АД

При подъеме на большую высоту и разреженный воздух вызывают учащение частоты сердечных сокращений, повышение показателей кровяного давления. Однако при дальнейшем увеличении высоты уровень АД начинает снижаться. Уменьшение содержания в воздухе кислорода до критических значений вызывает угнетение сердечной деятельности, заметное понижение давления в артериях, тогда как в венозных сосудах показатели возрастают. Как следствие у человека возникают аритмия, цианоз.

Не так давно группа итальянских исследователей решила впервые подробно изучить, как влияет высота на уровень АД. Для проведения исследований была организована экспедиция на Эверест, в ходе которой каждые двадцать минут определялись показатели давления участников. Во время похода подтвердилось повышение АД при восхождении: результаты показали, что систолическое значение возросло на пятнадцать, а диастолическое на десять единиц. При этом было отмечено, что максимальные значения АД определялись в ночное время суток. Также изучалось действие гипотензивных препаратов на разной высоте. Выяснилось, что исследуемый препарат эффективно помогал на высоте до трех с половиной километров, а при подъеме выше пяти с половиной стал абсолютно бесполезен.

Вес воздуха. Определение понятия

Воздух, как и любое другое тело, имеет вес, а значит, давит на поверхность, находящуюся под ним. Столб воздуха давит на 1 куб. см поверхности с такой же силой, как гиря массой 1 кг 33 г.

Атмосферное давление – сила, с которой воздух давит на земную поверхность и находящиеся на ней предметы.

Человек не чувствует то высокое давление, с которой воздух давит на него, т.к. оно уравновешивается тем давлением воздуха, который находится внутри организма.

Масса воздуха на различных высотах неодинакова. Чем выше – тем значения атмосферного давления ниже.

Рис. 1. Таблица изменения атмосферного давления и температуры воздуха с высотой

Приборы для измерения атмосферного давления

Существуют различные приборы для измерения атмосферного давления:

1. Ртутные барометры

2. Анероиды

3. Гипсотермометры

Рис. 2. Ртутный барометр

Атмосферное давление по барометру измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Нормальное атмосферное давление – давление 760 мм рт. ст. на широте 45 градусов на уровне моря при температуре 0 градусов.Если высота ртути поднимается выше 760 мм рт. ст., то такое давление называют повышенным, и наоборот. Для каждой территории Земли есть свои показатели нормального атмосферного давления, ведь не все точки лежат на высоте 0 метров и на 45-й широте. Например, для Москвы нормальное атмосферное давление – 747-748 мм рт. ст. Для Санкт-Петербурга нормальное атмосферное давление – 753 мм рт. ст., т.к. он лежит ниже Москвы.

Рис. 3. Барометр-анероид

Рис. 4. Гипсотермометр (1 – гипсотермометр (вместе с термометром); 2 – стеклянная трубка; 3 – металлический сосуд)

Гипсометр, термобарометр, прибор для измерения атмосферного давления по температуре кипящей жидкости. Кипение жидкости наступает, когда упругость образующегося в ней пара достигает величины внешнего давления. Измерив температуру пара кипящей жидкости, по специальным таблицам находят величину атмосферного давления.

Изменение атмосферного давления

Закономерности изменения атмосферного давления:

1. При подъеме на каждые 10,5 метров атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

2. Давление теплого воздуха на земную поверхность меньше, чем холодного (т.к. холодный воздух тяжелее).

Кроме того, значения атмосферного давления меняются в течение суток, времен года.

Список литературы

Основная

1. Начальный курс географии: учеб. для 6 кл. общеобразоват. учреждений / Т.П. Герасимова, Н.П. Неклюкова. – 10-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010. – 176 с.

2. География. 6 кл.: атлас. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа; ДИК, 2011. – 32 с.

3. География. 6 кл.: атлас. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, ДИК, 2013. – 32 с.

4. География. 6 кл.: конт. карты: М.: ДИК, Дрофа, 2012. – 16 с.

Энциклопедии, словари, справочники и статистические сборники

1. География. Современная иллюстрированная энциклопедия / А.П. Горкин. – М.: Росмэн-Пресс, 2006. – 624 с.

1.Федеральный институт педагогических измерений ().

2. Русское географическое общество ().

3.Geografia.ru ().

4. Большая Советская Энциклопедия ().

Обуславливается весом воздуха. 1 м³ воздуха весит 1,033 кг. На каждый метр поверхности земли приходится давление воздуха силой 10033 кг. Под этим подразумевается столб воздуха высотой от уровня моря до верхних слоев атмосферы. Если сравнить его со столбом воды, то диаметр последнего имел бы высоту всего 10 метров. То есть, атмосферное давление создается собственной массой воздуха. Величина атмосферного давления на единицу площади соответствует массе воздушного столба, находящегося над нею. В результате увеличения воздуха в этом столбе происходит рост давления, а при уменьшении воздуха - падение. Нормальным атмосферным давлением считается давление воздуха при t 0°С на уровне моря на широте 45°. В этом случае атмосфера давит с силой 1,033 кг на каждый 1 см² площади земли. Масса этого воздуха уравновешивается ртутным столбиком высотой 760 мм. На этой взаимосвязи и измеряется атмосферное давление. Оно измеряется в миллиметрах ртутного столба или миллибарах(мб), а так же в гектопаскалях. 1мб = 0,75 мм рт.ст., 1 гПа = 1 мм.

Измерение атмосферного давления.

измеряется с помощью барометров. Они бывают двух типов.

1. Ртутный барометр представляет собой стеклянную трубку, которая запаяна сверху, а открытым концом погружена в металлическую чашу с ртутью. Рядом с трубкой крепится шкала, показывающая изменение давления. На ртуть действует давление воздуха, которое своим весом уравновешивает столбик ртути в стеклянной трубке. Высота ртутного столба меняется при изменении давления.

2. Металлический барометр или анероид представляет собой гофрированную металлическую коробку, которая герметично закрыта. Внутри этой коробки находится разреженный воздух. Изменение давления заставляет колебаться стенки коробки, вдавливаясь или выпячиваясь. Эти колебания системой рычагов заставляют стрелку перемещаться по шкале с делениями.

Самопишущие барометры или барографы предназначены для записи изменений атмосферного давления . Перо улавливает колебание стенок анероидной коробки и чертит линию на ленте барабана, который вращается вокруг своей оси.

Каким бывает атмосферное давление.

Атмосферное давление на земном шаре изменяется в широких пределах. Его минимальная величина - 641,3 мм рт.ст или 854 мб была зарегистрирована над Тихим океаном в урагане "Ненси", а максимальная - 815,85 мм рт.ст. или 1087 мб в Туруханске зимой.

Давление воздуха на земную поверхность изменяется с высотой. Среднее значение атмосферного давления над уровнем моря - 1013 мб или 760 мм рт.ст. Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление, так как воздух становится все более разреженным. В нижнем слое тропосферы до высоты 10 м оно снижается на 1 мм рт.ст. на каждые 10 м или на 1 мб на каждые 8 метров. На высоте 5 км оно меньше в 2 раза, 15 км - в 8 раз, 20 км - в 18 раз.

В связи с перемещением воздуха, изменением температуры, сменой времени года атмосферное давление постоянно меняется. Дважды за сутки, утром и вечером, оно повышается и столько же раз понижается, после полуночи и после полудня. В течение года из-за холодного и уплотненного воздуха зимой атмосферное давление имеет максимальную величину, а летом - минимальную.

Постоянно меняется и распределяется по поверхности земли зонально. Это происходит из-за неравномерного прогревания Солнцем земной поверхности. На изменение давления влияет перемещение воздуха. Там, где воздуха становится больше, давление высокое, а там, откуда воздух уходит - низкое. Воздух, прогревшись от поверхности, поднимается вверх и давление на поверхность понижается. На высоте воздух начинает охлаждаться, уплотняется и опускается на близлежащие холодные участки. Там возрастает атмосферное давление. Следовательно, изменение давления обуславливается перемещением воздуха в результате его нагревания и охлаждения от земной поверхности.

Атмосферное давление в экваториальной зоне постоянно понижено, а в тропических широтах - повышено. Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. В Арктике и Антарктике поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В свою очередь в умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления. Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления - пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года вслед за Солнцем в сторону летнего полушария.

Полярные пояса высокого давления существуют весь год, однако, летом они сокращаются, а зимой, наоборот, расширяются. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах. В северном полушарии все происходит по-другому. В умеренных широтах северного полушария давление над материками сильно повышается и поле низкого давления как бы "разрывается": сохраняется оно только над океанами в виде замкнутых областей пониженного атмосферного давления - Исландского и Алеутского минимумов. Над материками, где заметно повысилось давление, образуются зимние максимумы: Азиатский (Сибирский) и Северо-Американский (Канадский). Летом поле пониженного давления в умеренных широтах северного полушария восстанавливается. При этом над Азией формируется обширная область пониженного давления. Это - Азиатский минимум.

В поясе повышенного атмосферного давления - тропиках - материки нагреваются сильнее океанов и давление над ними ниже. Из-за этого над океанами выделяют субтропические максимумы:

Северо-Атлантический (Азорский);
Южно-Атлантический;
Южно-Тихоокеанский;
Индийский.

Несмотря на крупномасштабные сезонные изменения своих показателей, пояса пониженного и повышенного атмосферного давления Земли - образования довольно устойчивые.

Движение. Теплота Китайгородский Александр Исаакович

Изменение давления с высотой

С изменением высоты давление падает. Впервые это было выяснено французом Перье по поручению Паскаля в 1648 г. Гора Пью де Дом, около которой жил Перье, была высотой 975 м. Измерения показали, что ртуть в торричеллиевой трубке падает при подъеме на гору на 8 мм. Вполне естественно падение давления воздуха с увеличением высоты. Ведь наверху на прибор уже давит меньший столб воздуха.

Если вы летали в самолете, то знаете, что на передней стенке кабины помещен прибор, показывающий с точностью до десятков метров высоту, на которую поднялся самолет. Прибор называется альтиметром. Это обычный барометр, но проградуированный на значения высот над уровнем моря.

Давление падает с возрастанием высоты; найдем формулу этой зависимости. Выделим небольшой слой воздуха площадью в 1 см 2 , расположенный между высотами h 1 и h 2 . В не очень большом слое изменение плотности с высотой мало заметно. Поэтому вес выделенного объема (это цилиндрик высотой h 2 ? h 1 и площадью 1 см 2) воздуха будет mg = ?(h 2 ? h 1)g . Этот вес и дает падение давления при подъеме с высоты h 1 на высоту h 2 . То есть

Но по закону Бойля – Мариотта плотность газа пропорциональна давлению. Поэтому

Слева стоит доля, на которую возросло давление при снижении с h 2 до h 1 . Значит, одинаковым снижениям h 2 ? h 1 будет соответствовать прирост давления на один и тот же процент.

Измерения и расчет показывают в полном согласии, что при подъеме над уровнем моря на каждый километр давление будет падать на 0,1 долю. То же самое относится и к спуску в глубокие шахты под уровень моря – при опускании на один километр давление будет возрастать на 0,1 долю своего значения.

Речь идет об изменении на 0,1 долю от значения на предыдущей высоте. Это значит, что при подъеме на один километр давление уменьшается до 0,9 от давления на уровне моря, при подъеме на следующий километр оно становится равным 0,9 от 0,9 давления на уровне моря; на высоте в 3 километра давление будет равно 0,9 от 0,9 от 0,9, т.е. (0,9) 3 давления на уровне моря. Нетрудно продлить это рассуждение и далее.

Обозначая давление на уровне моря через p 0 , можем записать давление на высоте h (выраженной в километрах):

p = p 0 (0,87) h = p 0 ·10 ?0,06h .

В скобках записано более точное число: 0,9 – это округленное значение. Формула предполагает температуру одинаковой на всех высотах. На самом же деле температура атмосферы меняется с высотой и притом по довольно сложному закону. Тем не менее формула дает неплохие результаты, и на высотах до сотни километров ею можно пользоваться.

Нетрудно определить при помощи этой формулы, что на высоте Эльбруса – около 5,6 км – давление упадет примерно вдвое, а на высоте 22 км (рекордная высота подъема стратостата с людьми) давление упадет до 50 мм Hg.

Когда мы говорим про давление 760 мм Hg – нормальное, не нужно забывать добавить: «на уровне моря». На высоте 5,6 км нормальным давлением будет не 760, а 380 мм Hg.

Вместе с давлением по тому же закону падает с возрастанием высоты и плотность воздуха. На высоте 160 км воздуха останется маловато.

Действительно,

(0,87) 160 = 10 ?10 .

У земной поверхности плотность воздуха равна примерно 1000 г/м 3 , значит, на высоте 160 км на один, кубический метр должно приходиться по нашей формуле 10 ?7 г воздуха. На самом же деле, как показывают измерения, произведенные при помощи ракет, плотность воздуха на этой высоте раз в десять больше.

Еще большее занижение против истины дает наша формула для высот в несколько сот километров. В том, что формула становится непригодной на больших высотах, виновато изменение температуры с высотой, а также особое явление – распад молекул воздуха под действием солнечного излучения. Здесь мы не станем на этом останавливаться.

По какому закону меняется атмосферное давление с высотой?

Допустим, что известно давление на одном уровне. Какое оно в тот же момент на другом уровне? Возьмем вертикальный столб воздуха с поперечным разрезом, равным единице, и выделим в этом столбе тонкий слой, ограниченный снизу поверхностью на высоте Z , а сверху – поверхностью на высоте (Z+dZ). Толщина слоя dZ.

Рисунок 3.1 – Силы, которые действуют на элементарный объем воздуха

На нижнюю поверхность выделенного элементарного объема соседний воздух действует с силой давления, которая направленная снизу вверх. Модуль этой силы на рассмотренной поверхности площадью, равной единице, и будет давлением воздуха Р на этой поверхности. На верхнюю поверхность элементарного объема соседний воздух действует с силой давления, которая направлена сверху вниз. Модуль этой силы P+dP есть давление на верхней границе. Это давление отличается от давления на нижней границе на маленькую величину dр, причем заранее не известно, будет dр положительным или отрицательной, то есть будет давление на верхней границе выше или ниже, чем на нижней границе.

Что касается сил давления, которые действуют на боковые стенки объема, то допустим, что в горизонтальном направлении атмосферное давление не меняется. Это значит, что силы давления, которые действуют со всех сторон на боковые стенки, уравновешиваются: их равнодействующая равняется нулю. Отсюда вытекает, что воздух в горизонтальном направлении не имеет ускорения и не перемещается.

Кроме того, на рассмотренный элементарный объем действует сила тяжести, которая направленная вниз и равняется ускорению свободного падения g, умноженному на массу воздуха во взятом объеме. Поэтому при вертикальном разрезе, равном единице, объем равняется dz, масса воздуха в нем равняется ρdz, где ρ – плотность воздуха, а сила тяжести равняется gρdz.

Сила тяжести gρdz и сила давления Р+dp направлены вниз; возьмем их с отрицательным знаком. Вверх направлена сила давления Р, ее возьмем с знаком “ + “.

В состоянии равновесия:

- (Р + dp) + Р – gρdz = 0

или dр = - gρdz (3.4)

Отсюда следует, что при движении вверх атмосферное давление падает.

Уравнение (3.4) называется основным уравнением статики атмосферы.

= - gp

- gp = 0

- g = 0,

-- падение давления на единицу прироста высоты, то есть вертикальный барический градиент (вертикальный градиент давления).

- вертикальный барический градиент, отнесенный к единице массы и направленный вверх.

Основное уравнение статики выражает условие равновесия между двумя силами, которые действуют на единицу массы воздуха по вертикали – вертикальным барическим градиентом и силой тяжести.

Чтобы получить уравнение для изменения давления при конечном приросте высоты нужно проинтегрировать уравнение (3.4) в пределах от уровня z 1 до z 2 с давлением от Р 1 до Р 2 . При этом плотность воздуха ρ есть переменной величиной, функцией высоты.

ρ =

dp = - dz ли

= -dz (3.5)

Проинтегрируем уравнение (3.5)

= -

ln p 2 – ln p 1 = -

Температура – величина перемена, зависит от высоты. Но эта зависимость не может быть точно описана математической функцией. Поэтому, берут среднее значение температуры T m между уровнями z 1 и z 2 . Тогда среднюю температуру можно вынести за знак интеграла.

ln p 2 – ln p 1 = -

ln = -(z 2 – z 1) (3.6)

Потенцируем уравнения 3.6, и получим:

(3.7)

Уравнение (3.7) называется барометрической формулой.

Эта формула показывает, как меняется атмосферное давление с высотой в зависимости от температуры воздуха.

С помощью барометрической формулы можно решить три задачи:

зная давление на одном уровне и среднюю температуру слоя воздуха, найти давление на другом уровне;

зная давление на обоих уровнях и среднюю температуру слоя воздуха, найти разность уровней (барометрическое нивелирование);

зная разность уровней и значения давления на них, найти среднюю температуру слоя воздуха.

В случае расчетов для влажного воздуха берется значение R для сухого воздуха, умноженное на (1 + 0,378).

Важным вариантом первой задачи есть приведение давления к уровню моря . Зная давление на некоторой станции, расположенной на высоте Z над уровнем моря, и температуру t на этой станции, вычисляют сначала среднюю температуру на рассмотренной станции и на уровне моря. Для уровня станции берется фактическая температура, а для уровня моря – та же температура, но увеличенная в той мере, в которой в среднем меняется температура воздуха с высотой. Средний вертикальный градиент температуры в тропосфере принимается равным 0,6 °С /100 г.

Итак, если станция имеет высоту 200 м и температура на ней 16 °С, то для уровня моря температура принимается равной 17,2 °С, а средняя температура составит 16,6 °С. После этого по давлению на станции и по полученной средней температуре определяется давление на уровне моря. Приведение давления к уровню моря необходимо потому, что на приземные карты погоды всегда наносится давление, приведенное к уровню моря. Этим исключается влияние расхождений в высотах станций на значение давления и становится возможной выяснить горизонтальное распределение давления.