Лабораторная работа №4 Определение атмосферного давления
Цель работы - ознакомить студентов с назначением, устройством приборов для определения атмосферного давления и методикой проведения наблюдений.
Общие положения
Величину атмосферного давления выражают высотой ртутного столба в миллиметрах (мм). Нормальным считается такое атмосферное давление, которое уравновешивается ртутным столбом высотой 760 мм при температуре 0°С на широте 45° и на уровне моря. Норвежский ученый Бьеркнес предложил измерять давление в барах (от древнегреческого «барос» - тяжесть). С 1970 г. эта единица принята в качестве международной и соответствует давлению в 1 миллион дин на поверхность площадью 1 ом2 или давлению ртутного столба высотой 750,1 мм. В качестве единицы измерения атмосферного давления с 1937 г. введена 1/1000 доля бара, так называемый миллибар. С введением международной системы единиц (СИ) с 1978г. атмосферное давление измеряется в паскалях (1 Па = 1 Н/м2). Для практического применения эта единица слишком мала, поэтому в метеорологических измерениях атмосферное давление выражают в гектопаскалях (1 гПа = 10 Па). Соотношение между указанными единицами давления следующее:
1 гПа = 1 мбар = 0,75 мм рт.ст.; 1 мм рт.ст. = 1,33 гПа = 1,33 мбар.
Под действием солнечной энергии атмосфера на земном шаре нагревается неодинаково. В результате и неравномерно распределяется давление воздуха. Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Линии, соединяющие пункты с одинаковым давлением на плоскости, называются изобарами. При построении изобар, чтобы исключить влияние высоты на давление воздуха, давление предварительно приводят к уровню моря. Изобары проводят через определенные интервалы давления - обычно через 5 гПа.
В зависимости от характера распределения давления изобары, подобно горизонталям на типографических картах, могут иметь самую разнообразную конфигурацию.
Область замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называется барическим минимумом или циклоном. В развивающихся циклонах воздушные массы, устремляясь к центру, создают восходящие потоки воздуха, которые выносятся до больших высот и за пределы тропосферы, чем вызывают убыль массы воздуха в центральной части циклона, т.е. происходит его углубление или рост. В это время у поверхности Земли отмечается резкое падение давления. Вместе с воздухом поднимаются водяные пары, которые при понижении температуры с высотой конденсируются, вследствие чего образуются мощные облака и выпадают осадки. Средняя скорость подъема воздуха в циклоне равна 3...5 м/с, а горизонтальное перемещение циклонов достигает 500... 1000 м/мин. С развитием циклона давление в его центре понижается, благодаря чему ветер усиливается и достигает штормовой силы (29 м/с). При этом выпадение осадков усиливается. Затем давление в центре начинает расти, ветры ослабевают, осадки уменьшаются и прекращаются. Циклон затухает и ликвидируется.
Область замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называется барическим максимумом или антициклоном. В области антициклона давление от центра к периферии убывает. В развивающихся антициклонах нисходящий воздух при опускании нагревается и становится менее насыщенным, облачность рассеивается, погода устанавливается почти безветренная, ясная, летом - жаркая, зимой - холодная.
Кроме циклонов и антициклонов, в барическом поле часто наблюдаются промежуточные барические системы: ложбины, гребни, седловины.
Ложбиной называется связанная с циклоном и вытянутая от его центра к периферии полоса пониженного давления, вклинивающаяся между областями повышенного давления.
Гребнем называется связанная с антициклоном и вытянутая от его центра полоса повышенного давления, расположенная между двумя областями пониженного давления.
Седловиной называется барическая область, заключенная между двумя циклонами, расположенными в шахматном порядке.
Горизонтальные размеры барических систем изменяются от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Их вертикальная протяженность достигает нескольких километров.
Вертикальный градиент давления представляет собой изменение давления при перемещении на единицу высоты.
Барическая ступень - это высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мбар (1 гПа). Барическая ступень выражается в м/гПа или м/мбар. Существует формула для определения барической ступени:
где а - коэффициент расширения газов, равный 0,004; t - средняя температура столба воздуха между двумя уровнями; р - среднее давление. При t = 0°C h = 8000/p.
Барическая ступень у земной поверхности при температуре воздуха 0°С и давлении 1000 гПа равна 8 м/гПа. Следовательно, вблизи земной поверхности при условиях, близких к нормальным, для того чтобы давление упало на 1 гПа, нужно подняться примерно на 8 м.
Горизонтапьный барический градиент определяется по синоптическим картам и представляет собой вектор, направленный по нормали (от лат. nornalis - прямой) к изобаре в сторону более низкого давления. Горизонтальный градиент давления является мерой быстроты давления в горизонтальном направлении. Определяется изменением давления на единицу расстояния и на практике выражается обычно в гектопаскалях на один градус дуги меридиана (111 км или чаще 100 км). Обычно составляет 1...5 гПа/ЮОкм. Горизонтальный барический градиент вызывает горизонтальное движение воздуха, т.е. ветер.
Для измерения атмосферного давления применяются приборы, называемые барометрами. Наиболее распространены ртутные и металлические, или деформационные барометры. Ртутные барометры используются как основные на метеорологических станциях. Металлические барометры, как более простые в обращении и удобные для перевозки, чаще используются в экспедиционных условиях.