Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Klimatologiya_ta_meteorologiya.doc
Скачиваний:
188
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
20.7 Mб
Скачать

Ключ до тестів і модуля

1.1); 2.2); 3.3); 4.2); 5.3); 6.1); 7.2); 8.3); 9.2); 10.3); 11.2); 12.1); 13.3); 14.2); 15.1);

16.2); 17.1); 18.2); 19.3); 20.1); 21.1); 22.3); 23.2); 24.3); 25.3); 26.2); 27.1); 28.3);

29.3); 30.2); 31.3); 32.2); 33.2); 34.3); 35.3); 36.1); 37.2); 38.1); 39.3); 40.2); 41.3); 42.1); 43.1); 44.3); 45.1); 46.3); 47.2); 48.3); 49.2); 50.3); 51.1); 52.3); 53.3); 54.1);

55.3); 56.1); 57.2); 58.1); 59.3); 60.2).

6. Атмосферний тиск та циркуляція атмосфери

6.1. Одиниці вимірювання атмосферного тиску

Про те, що атмосфера тисне на кожне тіло на землі людству стало відомо зовсім недавно. У 1643 році учень Галілея Торічеллі поставив дослід із скляною трубкою, заповненою ртуттю, і довів наявність атмосферного тиску. Після цього магдебурзький бургомістр Геріке у 1654 році наочно показав широкому загалу дію атмосферного тиску. Славу йому принесла театральність виконання досліду. Для цього мідну кулю діаметром 37 см розпиляли навпіл, половинки з’єднали гумовою кільцевою прокладкою. Через кран із кулі викачали повітря. Вісім коней не змогли роз’єднати ці півкулі (бо інших 8 коней можна було замінити опорою). Тиск атмосфери на кулю становить близько 4 т.

На рівні моря на широті 450 при температурі 00С атмосферний тиск зрівноважується тиском стовпчика ртуті висотою 760 мм. Але в метеорології атмосферний тиск виражають не міліметрами, а фізичними одиницями. Густина ртуті при 00С дорівнює 13,596 г/см3. Тому атмосферний тиск дорівнює силі, з якою маса 76 см · 13,596 г/см3=1033,3 г тисне на поверхню 1 см2. Цей тиск іноді називають фізичною атмосферою, а тиск 1 кг/см2 називають технічною атмосферою. До речі на площу 1 м2 атмосферний тиск становить 76 см · 13,596 г/см3 ∙ 10000/1000=10332,96 кг/м2.

В абсолютній системі мір, якою користувались до недавнього часу, атмосферний тиск дорівнює силі 1033,3 · 980,6=1013250 дин/см2 (980,6 – прискорення сили земного тяжіння на рівні моря на широті 450). Тиск 1 млн. дин/см2 в метеорології називається баром. Це відповідає тиску ртутного стовпчика висотою 750,1 мм. Одна тисячна частина бара, тобто тиск 1000 дин/см2 називається мілібаром. Тому 1 мб відповідає тиску 0,75 мм ртутного стовпчика, а 1 мм – 1,33 мб. Нормальний тиск 760 мм = 1013,25 мб.

Зараз у науці використовується система одиниць СІ. У цій системі використовується сила тяжіння 1 ньютон, яка діє на тіло масою 0,1 кг, або точніше 1/9,8 кг. Звідки випливає , що на тіло масою 1 кг діє сила тяжіння 9,8 Н. Тому атмосферний тиск становить.

Р = hρF = 0,76 м · 13596 кг/м3 · 9,8 Н/кг = 101300 Н/м2

Одиниця Н/м2 називається Паскаль (на честь відомого фізика). Звідси тиск виражається в гектопаскалях

101300 Н/м2 = 101300 Па = 1013 гПа.

За абсолютною величиною мілібари і гектопаскалі рівні, тому з переходом на систему одиниць СІ не потрібно переробляти всі прилади. Звідси 1 мм відповідає 1,33 гПа, а 1 гПа – 0,75 мм ртутного стовпчика.

6.2. Зміна атмосферного тиску при зміні висоти

При підняті угору частина атмосфери залишається нижче. Як же зміниться тиск? Візьмемо вертикальний стовп повітря з поперечним перетином, який дорівнює одиниці. Виділимо у цьому стовпі тоненький шар, обмежений знизу поверхнею на висоті z, а зверху – поверхнею на висотіz+dz , тому товщина шару становить dz(мал. 6.1).

Н

Мал. 6.1. Сили, що діють на елементарний об’єм повітря

а нижню поверхню цього шару суміжне повітря діє з силою, спрямованою знизу вверх. Модуль цієї сили і буде атмосферним тиском Р. На верхню поверхню елементарного об’єму суміжне повітря тисне зверху вниз. Модуль цієї сили р+dp і є атмосферний тиск на верхньому рівні. Цей тиск відрізняється від тиску на нижньому рівні на малу величину dp, причому нам наперед не відомо де тиск більший на нижньому чи на верхньому рівні. Візьмемо випадок, коли атмосферний тиск у горизонтальному напрямку не змінюється. Тому тиск на бокові стінки виділеного об’єму зрівноважується і повітря не зміщується.

Крім тиску, повітря у виділеному об’ємі відчуває силу земного тяжіння, яка спрямована донизу і дорівнює добутку прискорення вільного падіння gі маси повітря у виділеному об’ємі. Оскільки при поперечному перетині, рівному одиниці, об’єм дорівнюєdz, то маса повітря в ньому дорівнює ρdz, де ρ – густина повітря, а сила тяжінняgρdz. Нам залишається припустити, що в атмосфері існує рівновага також і у вертикальному напрямку і виділений об’єм повітря залишається на місці. Це означає, що сила тяжіння і сила тиску зрівноважуються. Донизу спрямовані сила тяжінняgρdzта сила тискуp+dp. Догори спрямована сила тиску р. Перші дві сили умовно візьмемо з від’ємним знаком, а останню з додатним, можна було б і навпаки. Алгебраїчно суму цих сил прирівняємо до 0 і одержимо

+р-(р+dр)-gρdz=0

Звідси dр= -gρdz.

Отже, при додатному dzбуде від’ємнеdp. Це говорить про те, що при піднятті догори атмосферний тиск зменшується, а при опусканні донизу – збільшується. Із рівняння видно, що різниця тиску на верхній і нижній межі виділеного об’єму стовпа повітря дорівнює силі тяжіння, яка діє на повітря в цьому об’ємі.

Це рівняння одержало назву “основне рівняння статики атмосфери”. Воно показує, як змінюється атмосферний тиск при зміні висоти.

Вирішивши рівняння статики атмосфери, Бабіне одержав барометричну формулу, зручну для розрахунків

h=16000 (Рн– Рв)/ (Рн+ Рв)(1+αt),

де h– різниця висот двох пунктів, м;t– середня температура шару повітря; Рн і Рв – атмосферний тиск на нижньому та верхньому рівнях; α – коефіцієнт теплового розширення повітря, який дорівнюєz= 1/273 ≈ 0,004

Лаплас одержав барометричну формулу іншого вигляду

h= 18400 lq Рн / Рв (1 + αt)

За допомогою барометричних формул можна вирішити три задачі: 1. Вимірявши тиск та температуру повітря на двох рівнях можна провести барометричне нівелювання, тобто за допомогою формули визначають різницю висот між двома пунктами і до відомої висоти одного із них додають цю різницю й одержують висоту другого пункту. 2. Вимірявши тиск на одному рівні та знаючи середню температуру шару повітря, визначають тиск на іншому рівні. Важливим варіантом цієї задачі є приведення атмосферного тиску до рівня моря. Справа в тому, що кожна метеорологічна станція розташована на різній висоті. Тому щоб порівняти між ними атмосферний тиск його потрібно привести до рівня моря. На приземні синоптичні карти завжди наносять тиск, приведений до рівня моря. 3. Вимірявши тиск на двох рівнях і знаючи різницю висот цих рівнів можна визначити середню температуру цього шару повітря.

Важливими показниками зміни атмосферного тиску з висотою є вертикальний баричний градієнт та баричний ступінь.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]