33

Атмосферное давление и плотность воздуха

Атмосферное давление — это сила, с которой давит на единицу площади земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы.

Атмосферное давление в метеорологии принято измерять высотой ртутного столба в трубке барометра. Давление атмосферы удерживает столб ртути в трубке на определенной высоте. На уровне моря эта высота составляет около 760 мм.

В этом случае единицей давления является длина ртутного столба, выраженная в миллиметрах (мм рт. ст.). Эта единица не отражает физическую сущность давления, так как здесь мера длины (мм) характеризует силу.

Для измерения давления в единицах силы в 1930 г. была введена международная единица давления — бар. В практике используется тысячная часть бара — миллибар. Один миллибар (мб) приблизительно равен давлению, которое оказывает тело массой 1 г на поверхность в 1 см².

Соотношение между указанными единицами давления следующее:

1 мм рт. ст.= 1,333 мб. 1 мб = 0,75 мм рт. ст.

На практике перевод величин атмосферного давления из миллиметров ртутного столба в миллибары и обратно производится с помощью специальных таблиц.

С 1980 г. в качестве международной единицы для измерения атмосферного давления принят Паскаль — давление, вызываемое силой в 1 Н на площадь 1 м²:

Для практических целей используется гектопаскаль:

1гПа = 100 Па = 1 мб = 0,75 мм рт. ст.

Ускорение свободного падения на Земном шаре увеличивается от экватора к полюсам и уменьшается с высотой. Чтобы исключить зависимость измеренного атмосферного давления от этих факторов, его приводят к ускорению свободного падения на широте 45° и на уровне моря.

За нормальное давление принято давление 760 мм рт. ст. (1013,25 мб, 1013,25 гПа) при температуре 0° С на широте 45°. Это же давление принято за давление на нулевом уровне в стандартной атмосфере при температуре 15° С.

Плотность воздуха

Наряду с атмосферным давлением важной характеристикой воздуха является его плотность.

Плотность воздуха представляет собой отношение массы воздуха к его объему (такую плотность называют массовой плотностью). Плотность воздуха непосредственно не измеряется. Она может быть определена с помощью уравнения состояния газов (Клапейрона —• Менделеева)

где р — атмосферное давление;

Т — абсолютная температура воздуха;

R — газовая постоянная. = 2,87 10⁶ см²/сек²град

Из уравнения видно, что чем больше давление и ниже температура воздуха, тем больше величина плотности воздуха, т.е. плотность воздуха прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре воздуха.

Кроме указанных величин р и Т, плотность воздуха зависит и от влажности воздуха, т.е. от содержания в воздухе водяного пара, как известно, представляющего собой газ. Так как водяной пар, входящий в состав воздуха, является газом менее плотным, чем сухой воздух, то при наличии водяного пара в атмосфере плотность влажного воздуха будет всегда несколько меньше, чем плотность сухого воздуха. Следует отметить, что эта разность невелика и обычно не превосходит 1%. Поэтому в практической деятельности при расчете плотности воздуха влажность не учитывается, а все расчеты делаются для сухого воздуха. С высотой плотность воздуха резко убывает. Это объясняется уменьшением по мере подъема давления, которое оказывает большее влияние на изменение плотности, чем наблюдаемое понижение с высотой температуры.

Для Европы плотность у земной поверхности в среднем составляет 1250 г/м³, на высоте 5 км — 735 г/м³, 10 км — 411 г/м³, 20 км — 87 г/м³.