6.2: Тиск повітря

Last updated
Save as PDF

Page ID: 38152

Michael E. Ritter
University of Wisconsin-Stevens Point via The Physical Environment

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Варіації тиску по всій Землі

Тиск повітря - це сила, що чиниться вагою стовпа повітря над певним місцем. Щоб концептуалізувати поняття тиску повітря, уявіть герметичну ємність, наповнену повітрям, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Коли молекули повітря стикаються з внутрішніми поверхнями ємності, вони чинять тиск. Кількість тиску, яке вони чинять, залежить від кількості зіткнень, які відбуваються між молекулами і внутрішньою поверхнею ємності. Ми можемо змінити тиск двома способами. По-перше, ми можемо збільшити щільність повітря, або помістивши більше молекул повітря в контейнер, або зменшивши обсяг контейнера. По-друге, ми можемо підвищити температуру повітря, щоб молекули рухалися швидше і тим самим частіше стикалися з боками. Тому зміни тиску повітря можуть відбуватися змінами щільності повітря або температури.

У природі зміни тиску по всій поверхні Землі створюються механічними або тепловими засобами. Механічні зміни тиску відбуваються, коли потік повітря перешкоджає, в результаті чого маса повітря накопичується над певним місцем, тим самим збільшуючи тиск повітря. Нагрівання та охолодження повітря (теплові механізми) також створюють зміни тиску повітря. При нагріванні повітря він піднімається вгору, а якщо відштовхнути наверх, то поверхневий тиск повітря знижується. І навпаки, якщо повітря охолоджується, він стихає до поверхні, викликаючи збільшення тиску повітря.

Тиск повітря в герметичній ємності — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Тиск повітря всередині герметичної ємності.

Тиск повітря вимірюється за допомогою барометра. Існує кілька різних барометрів, два з найпоширеніших - ртутний барометр та анероїдний барометр. Ртутний барометр являє собою трубку з резервуаром ртуті на одному кінці. В умовах середнього рівня моря атмосфера чинить достатній тиск, щоб підштовхнути стовпчик ртуті до висоти 29,92 дюйма. Анероїдний барометр використовує анероїдний або сильфонний елемент для вимірювання тиску. Анероїдна комірка являє собою металеву камеру, яка розширюється і стискається при зміні тиску повітря. Хоча дюйми ртуті часто повідомляються про ваш щоденний прогноз погоди (особливо в Сполучених Штатах), метеорологи використовують мілібари як одиниці вимірювання тиску повітря. В умовах середнього рівня моря атмосферний тиск становить 1013,2 мілібар (29,92 дюйма ртутного стовпа). Середній тиск на рівні моря служить поділом між тим, що ми називаємо «високим тиском» та «низьким тиском» на поверхні. Високий тиск визначається як значення більше 1013,2 мб, а низький тиск нижче 1013,2 мб.

Тиск повітря зменшується, коли людина рухається вгору через атмосферу, оскільки довжина стовпа повітря скорочується і, отже, менше маси над заданим місцем. Однак швидкість зменшення не однакова між двома висотами (рис.\(\PageIndex{3}\)). Оскільки повітря сильно стискається, повітря тісно упаковане разом біля поверхні (висока щільність) і менш щільно упаковане високо. Насправді понад 90% атмосфери знаходиться нижче 10 миль. В результаті тиск повітря зменшується швидше між двома висотами близько до поверхні, ніж між двома точками, розділеними на однакову відстань висотою.

Вертикальна зміна тиску повітря — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вертикальна зміна атмосферного тиску.

Як пояснювалося раніше, ми використовуємо середнє значення тиску на рівні моря, щоб диференціювати високий тиск і низький тиск. Оскільки тиск повітря зменшується високо, середній тиск у будь-якій точці над поверхнею менше. На 5600 метрах середній тиск становить 500 мб. Якщо в будь-який день тиск більше 500 мб, ми вважаємо це високим тиском на цій висоті. Якщо виміряти меншу кількість, то це низький тиск на цій висоті. Не плутайте високий тиск з більш високим тиском і низький тиск з більш низьким тиском. Додавання слова «er» до кінця слова вказує на зміну щодо попереднього стану. Наприклад, скажімо, ви вимірюєте тиск повітря, щоб бути 1015 мб на поверхні і 516 мб на 5600 метрів. Обидва випадки знаходяться під впливом високого тиску у відповідних місцях. Однак тиск на поверхні вище, ніж на 5600 метрів.

Аналіз моделей тиску повітря

Метеорологи мають різні способи візуалізації даних про погоду, найбільш поширеною є карта. Для аналізу моделей тиску часто використовується карта постійної висоти. Карта постійної висоти (також відома як «діаграма постійної висоти») показує розподіл тиску на рівні моря. Ізобари, лінії, що з'єднують точки рівного тиску повітря, використовуються для показу моделей тиску на картах постійної висоти. Більшість карт тиску повітря в цій книзі - це карти постійної висоти.

карта постійної висоти — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Постійна карта висоти з ізобарів

Ще одна карта, яка використовується для аналізу моделей тиску, називається картою постійного тиску (також відома як «діаграма постійного тиску»). Карта постійного тиску показує зміну висоти ізобаричної поверхні, яка є поверхнею, на якій тиск однаковий у всіх місцях. Вивчаючи висоту ізобаричної поверхні відносно її нормальної висоти, можна визначити, де знаходяться ділянки високого та низького тиску.

повітряна колонка — Малюнок\(\PageIndex{5}\): 500 мб постійний тиск (ізобарна) поверхня

Поверхня 500 мб зазвичай використовується метеорологами при прогнозуванні погоди. Нормальна висота поверхні 500 мб становить 5600 метрів. Нагадаємо, що на поверхні ми вважаємо високий тиск більшим за нормальний тиск рівня моря, а низький тиск меншим за нормальний тиск рівня моря. Аналогічним чином ми можемо використовувати нормальну висоту поверхні 500 мб, щоб визначити, де розташовані ділянки високого та низького тиску.

500 мб поверхні — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Карта постійного тиску з контурними лініями

Розглянемо просту ситуацію, щоб зрозуміти, як висота ізобаричної поверхні відноситься до тиску повітря. Нагадаємо, що тиск повітря пов'язано з силою, що чиниться вагою стовпа повітря над заданою точкою. Якщо температура повітря змінюється через будь-яку частину повітряного стовпа, щільність і тиск також будуть змінюватися. \(\PageIndex{7}\)На малюнку зображена колонка з теплим повітрям зліва і прохолодним повітрям праворуч. Поверхня 500 мб відображається як біла поверхня, що занурюється зліва направо. Припустимо, що поверхневий тиск залишається постійним. Коли повітря нагрівається, він стає буйантним, змушуючи його підніматися, а при охолодженні він опускається. Коли тепле повітря піднімається, більше молекул повітря буде виявлено вище 5600 метрів, ніж зазвичай, і, таким чином, поверхня 500 мб знаходиться на більшій висоті. Праворуч, де холодне повітря занурилося на поверхню, менше молекул повітря, ніж зазвичай, виявлено вище 5600 метрів, і, таким чином, поверхня 500 мб знаходиться на нижчій висоті. Якщо в теплому районі більше молекул вище 5600 метрів, то високий тиск розташовується на рівні 5600 метрів. Якщо менше молекул повітря знаходиться вище 5600 метрів в холодній області, то низький тиск розташовується на позначці 5600 метрів.