2.2. Густина повітря

Густиною повітря називається його маса, що знаходиться в одиниці об’єму (г/см³); густина повітря залежить як від температури, так і від тиску повітря. Із рівнянь стану маємо

, (2.3)

тобто густина повітря прямо пропорційна тиску та обернено пропорційна абсолютній температурі.

Густину сухого повітря за нормальних умов можна виразити як

, (2.3а)

де - нормальний тиск, що дорівнює 1 013 250 дин/см²; - абсолютна температура, рівна 273^◦, звідки

В атмосфері у справжніх умовах завжди знаходиться деяка кількість водяного пару, що легший за повітря (густина водяного пару по відношенню до сухого повітря рівна 0,622). Тому вологе повітря завжди легше, ніж сухе, при тій же температурі та тиску.

Визначимо густину вологого повітря, що має абсолютну вологість е мб.

Густина вологого повітря можна прийняти як суму густин водяного пару q і сухого повітря ρ,

, (2.4)

якщо абсолютна вологість рівна е мб, то тиск сухого повітря в загальному тиску ρ складає ρ-е мб.

Величина густини сухого повітря ρ з рівняння стану рівна

, (2.5)

а для водяного пару з того ж рівняння маємо

. (2.6)

Підставляючи рівняння (4) і (5) в рівняння (3), будемо мати формулу для густини вологого повітря

p_вл . (2.7)

Густина вологого повітря при низьких температурах дуже мало відрізняється від густини сухого повітря, так як величина е різко зменшується із зниженням температури.

При зменшенні з висотою тиску повітря зменшується і його густина. Якщо на рівні моря 1 м³ повітря важить 1,3 кг, то на висоті 12 км цей об’єм повітря важить 319 г (в 4 рази менше), на висоті 25 км – 43 г і на висоті 40 км – лише 4 г. Із формули видно, що вплив зміни тиску та температури на величину густини повітря протилежні. Тому можливі випадки як сталості густини з висотою, так інколи її збільшення. Це залежить від швидкості падіння температури повітря з висотою, тобто від вертикального градієнта температури. Градієнт температури в середньому рівний 0,6^◦/100 м, і при таких умовах густина повітря з висотою зменшується.

При значенні градієнта 3,4^◦/100 м густина повітря з висотою буде зростати. Такий стан в атмосфері довго не може зберігатися, він нестійкий, більш щільне тяжке повітря буде опускатися вниз, а більш легке тепле - підніматися вверх. Подібні градієнти температури спостерігаються в приземному шарі повітря, тут вони викликають потужну конвекцію.