Измерение атмосферного давления

Атмосферное давление равно весу расположенного выше столба воздуха с основанием, равным единице. Вели­чина атмосферного давления не зависит от ориентации по­верхности, на которую оно действует.

В метеорологии атмосферное давление выражают в гПа (система СИ). Выходящая из употребления внесистемная единица давления мм. рт. ст. (миллиметры ртутного столба) сложилась исторически в связи с применением ртутного барометра.

Для прогностических целей наряду с абсолютной величиной атмосферного давления на метеорологических станциях определяют величину и форму барической тенденции. Барическая тенденция – это изменение атмо­сферного давления за время между сроками наблюдений (3 часа при 8 срочных наблюдениях). Барическая тенденция имеет знак «+» при росте давления и знак «-» при пониже­нии.

Ртутный чашечный барометр. Основным прибором для измерения атмосферного давления на сети метеоро­логических станций является ртутный чашечный барометр. Жидкостный баро­метр изобретен Торричелли (1643 г.), а название «барометр» приписывают Бойлю (1665 г.), до него прибор называли «Торричеллиевой трубкой».

Принцип действия ртутного баромет­ра основан на уравновешивании атмо­сферного давления весом ртутного столба (рис.). Если стеклянную трубку, запаянную с одного конца и наполненную ртутью, погрузить открытым концом в ртуть, нали­тую в чашку, то часть ртути из трубки выльется в чашку. Оставшийся в трубке столб высотой H (от уровня ртути в чашке до вершины ме­ниска ртути в трубке) своим весом уравновесит атмосфер­ное давление Р_а, оказываемое на поверхность ртути в чаш­ке, т.е.:

,

где ρ – плотность ртути;

g – ускорение силы тяжести.

При изменении атмосферного давления равновесие будет нару­шаться, соответственно будет меняться и высота ртутного столба.

Рис. Прин­цип действия ртутного чашеч­ного барометра.

Барометр-анероид. Барометр-анероид относится к деформационному виду приборов для измерения атмосферного давления. Чувствительным элементом в таких барометрах является анероидная коробка (барокоробка), преобразующая изменения атмосферного давления в линейные перемещения (деформации).

Анероидная коробка (рис.) состоит из двух спаянных или сваренных по периметру круглых мембран (диаметром 30-80 мм), имеющих жесткие центры с крепежными ножками.

Упругая деформация коробки может обеспечиваться за счет упругости материала самой коробки или с помощью дополнительной пружины, находящейся внутри коробки и распирающей ее, или наружной пружины, растягивающей коробку. Внутри коробки создается вакуум.

Деформации коробки при изменении атмосферного дав­ления через передаточный механизм вызывают перемеще­ние стрелки относительно делений шкалы. Небольшие дефор­мации коробки увеличиваются в 1000 раз.

В отсчеты по шкале барометра-анероида вводят темпе­ратурную поправку, которая при­водится в поверочном свидетельстве.

Температура оказывает влияние на показания баромет­ра. Так как с изменением температуры меняются упругие свойства коробки, происходят деформации узлов переда­точного механизма. Для учета влияния температуры на по­казания барометра-анероида принято их приводить к тем­пературе 0 ⁰С. Для этого определяют температурный коэф­фициент, равный изменению показаний барометра при из­менении температуры на 1 ⁰С.

Рис. Барокоробка:

а – разрез (1 – мембрана; 2 – центр; 3 – крепежная ножка); б – вид сверху.

Барограф. Пред­назначен для непрерывной регистрации атмосферного давления. Чувствительным элементом ба­рографа является блок из анероидных коробок Воздух из коробок откачен и атмосферное давление, на­правленное на сжатие коробок, уравновешивается силой упругости коробок.

На рис. показан баро­метр-анероид БАММ.

Рис. Барометр-анероид БАММ:

а – внешний вид (1 – шкала, 2 – стрелка, 3 – термометр); б – механизм

(1 – блок анероидных коробок, 2 – элементы передаточного механизма,

3 – шкала, 4 – стрелка).

Ветер

Силы, оказывающие влияние на движение воздуха и распределение ветров в барических системах.

Ветром называется горизонтальное движение воздуха.

Причиной возникновения ветра является неравномерное распределе­ние атмосферного давления по земной поверхности. При этом воздух движется из области высокого давления в об­ласть низкого.

Ветер характеризуется скоростью и направ­лением.

Ветры над обширными пространствами, охваты­вающие также большую или меньшую толщину атмосферы, образуют воздушные течения.

♦ Силой, приводящей в движение некоторый объем воз­духа, увеличивающей его скорость, является сила горизон­тального градиента давления.

В метеорологии рассматривают силу барического гра­диента на единицу массы воздуха:

,

где ρ – плотность воздуха, кг/м³;

∆Р – разность давления, гПа;

∆n – расстояние между точками (единица расстояния равна 100 км);

G_г – горизонтальный градиент давления, гПа/100 км.

По направлению эта сила в каждой точке барического поля совпадает с направлением нормали к изобаре в сторо­ну убывания давления.

Все другие силы, которые проявляются при движении воздуха, могут лишь замедлять движение и отклонять его от направления градиента. К этим силам относятся:

- сила трения о земную поверхность (сила трения замедляет движение и несколько отклоняет его от первоначального направления);

- внутреннее трение воздуха:

- отклоняющая сила, возникающая в результате суточного вращения Земли (сила Кориолиса). Сила Кориолиса влияет только на направление ветра и не влияет на его скорость. Сила Кориолиса на единицу массы воз­духа:

,

где ω – угловая скорость вращения Земли;

v – скорость вет­ра;

φ – географическая широта места.

В результате действия этих сил вектор скорости частиц воздуха отклоняется от вектора градиента давления на угол α: в северном полушарии – вправо, в южном полуша­рии - влево (рис.).

Рис. Ветер у земной поверхности:

а – в северном полушарии, б – в южном полушарии.

Над сушей у земной поверхности угол α=60⁰, над мор­ской поверхностью, где трение меньше, а=70-80⁰.

В свободной атмосфере на высотах более 1500-2000 м, где влияние силы трения практически отсутствует, движе­ние воздуха происходит вдоль изобар. Равномерное, уста­новившееся движение воздуха при отсутствии силы трения вдоль изобар называется градиентным ветром.

Градиентный ветер, дующий вдоль прямолинейных и параллельных изобар, называется геострофическим вет­ром (рис.).

Градиентный ветер, дующий вдоль круго­вых изобар, называется циклострофическим ветром.

Рис. Геострофический ветер.

Во многих случаях ограничиваются рассмотрением геострофического ветра.

Скорость геострофического ветра можно определить из равенства силы барического градиента и силы Кориолиса :

=

* Из приведенной выше формулы видно, что скорость гео­строфического ветра пропорциональна горизонтальному гра­диенту давления и обратно пропорциональна широте места и плотности воздуха. Поэтому с увеличением широты, при прочих равных условиях, скорость геострофического ветра уменьшается и на полюсе достигает наименьшего значения.

* Плотность воздуха с высотой уменьшается, следовательно, скорость геострофического ветра при постоянном градиенте давления возрастает с высотой.

Распределение линий тока воздуха в приземном слое атмосферы в основных формах барических образований для северного полушария показано на рис.

Рис. Распределение линий тока воздуха в барических образованиях

у земной поверхности в северном полушарии.

В циклоне частицы воздуха движутся от периферии к центру по спиралеобразной траектории: в северном полу­шарии против часовой стрелки, а в антициклоне – от центра к периферии по часовой стрелке.

В южном полушарии движение частиц воздуха происходит в обратном направ­лении.

Ветровой режим. Ветровой режим, включающий в се­бя структуру воздушного потока, изменение скорости и на­правления ветра с высотой, суточный и годовой ход ветра, в сочетании с вертикальной стратификацией температуры воздуха, оказывает большое влияние на распределение концентрации загрязняющих веществ, поступающих в ат­мосферу из высоких и приземных источников. Поэтому характеристики ветрового режима должны учитываться при разработке экологических мероприятий по предотвра­щению вредных последствий влияния загрязненного возду­ха на живые организмы и природную среду.

Ветер характеризуется скоростью и направлением.

За направление принимают направление, откуда дует ветер. Осредненные во времени скорость и направление дают представление об общем движении воздуха в целом. Но вследствие трения воздушной среды о земную поверхность, а также неравномерного ее нагревания всегда наблюдается турбулентность. Это значит, что внутри общего потока от­дельные струи, порции воздуха, движутся беспорядочно, т.е. в каждой точке пространства быстро сменяются как скорость, так и направление ветра. При этом происходит непрерывное чередование внезапных усилений и ослабле­ний ветра и изменений его направления. Такой характер движения воздуха носит название порывистости ветра.

Порывистость ветра увеличивается с его скоростью, и также над участками подстилающей поверхности с повышенной шероховатостью. С увеличением высоты и, следова­тельно, с уменьшением влияния трения о подстилающую поверхность, уменьшается и порывистость.

Порывистость ветра имеет хорошо выраженный суточ­ный ход. Ночью при слабом ветре порывистость слабая. В годовом ходе минимальная порывистость ветра отмечается зимой, а наибольшая – летом или весной, когда большая неоднородность подстилающей поверхности.

Над водной поверхностью океанов порывистость мень­ше, чем над сушей.

Изменение ветра с высотой в слое трения. С высотой, по мере удаления от земной поверхности, уменьшается влияние силы трения на движение воздушной среды, по­этому скорость ветра увеличивается. Одновременно изме­няется его направление. В северном полушарии ветер поворачивает вправо, а в южном – влево, пока направление ветра не приблизится к направлению градиентного ветра, т.е. вдоль изобар.

Суточный и годовой ход ветра. При хорошей устано­вившейся погоде в пограничном слое атмосферы над сушей отчетливо проявляется суточный ход скорости и направле­ния ветра, причем в приземном слое и вышележащих слоях пограничного слоя этот ход различен.

В приземном слое минимум скорости наблюдается но­чью. После восхода Солнца ветер усиливается и происхо­дит небольшое его вращение вправо. В 13-14 ч скорость ветра достигает максимума. Затем ветер постепенно осла­бевает и поворачивает обратно, возвращаясь к исходному направлению. Такой суточный ход ветра в приземном слое отмечается летом до высоты 100-300 м, а зимой – до высоты 20-30 м.

В вышележащих слоях наблюдается обратный суточный ход ветра, т.е. максимум скорости отмечается ночью. После восхода Солнца скорость ветра уменьшается, и он медлен­но поворачивает влево. В 13-14 ч скорость ветра достигает минимума, после чего она увеличивается, и ветер повора­чивает вправо до исходного направления ночью.

Высота, на которой один тип суточного хода ветра сме­няется другим, называется высотой обращения ветра.

Причиной суточного хода ветра является изменение интенсивности турбулентного перемешивания и, следовательно, обмена количеством движения между ниж­ними и вышележащими слоями воздуха.

Правильный суточным ход ветра нарушается при про­хождении фронтов, циклонов и антициклонов. Над океана­ми суточный ход ветра почти не заметен.

Годовой ход средней скорости ветра относится к клима­тическим характеристикам и зависит от географического положения пункта.

В умеренных и полярных широтах на западных окраи­нах материков северного полушария наибольшая скорость ветра наблюдается зимой, когда разность температур меж­ду этими широтами наиболее велика и соответственно велика разность давления. К лету, с уменьшением контра­ста температур и, следовательно, градиентов давления, ве­тер ослабевает.