7. Баричне поле і вітер

Атмосферний тиск є однією з важливих характеристик стану атмосфери Він визначає режим багатьох залежних від нього величин. Внаслідок нерівномірного розподілу тиску виникає горизонтальний рух повітря, від якого в свою чергу, залежить розподіл температури, вологості, хмарності, опадів та інших метеорологічних характеристик.

Дані про атмосферний тиск широко використовуються в різних галузях науки та народного господарства. Характер змін атмосферного тиску є важливим при складанні прогнозів погоди як коротко так і довготермінових.

7.1. Рівняння стану газів

Основними характеристиками, що визначають фізичний стан газів є тиск, температура та густина. Ці три характеристики залежні одна від одної. Гази стиснені і тому густина їх змінюється в широких межах в залежності від температури та тиску. Враховуючи те, що атмосферне повітря знаходиться в стисненому стані, до нього можна застосовувати всі закони, що визначені для газів. Зв'язок між тиском, температурою та густиною для ідеальних газів описується рівнянням стану газів, або рівнянням Клапейрона – Клаузіса – (, Гей-Люссака , Менделєєва, що визначається за допомогою законів Бойля-Маріотта або та , або

(7.1)

де R* – універсальна газова стала, або стала Менделєєва.

Рівняння стану для сухого повітря має вигляд

(7.2)

Отже, рівняння стану газів з певним наближенням може застосовуватися до сухого повітря, а також може бути застосоване до водяної пари і до вологого повітря. У кожному випадку змінюватиметься значення питомої газової сталої. Для вологого повітря R_в змінюється залежно від тиску водяної пари, що міститься у повітрі. Для водяної пари R_п= (461 м²/с²·K).

7.2. Тиск повітря та одиниці його вимірювання

Будь-який газ тисне на обмежуючі його поверхні, тобто діє на ці поверхні з силою, що спрямована перпендикулярно до неї. Відношення числового значення (модуля) цієї сили, до одиниці площі, називається тиском. Тиск газу обумовлений рухом його молекул, які діють на стінки. При збільшенні температури і збереження об’єму газу швидкості руху молекул зростають, і як наслідок, збільшується тиск.

Якщо виділити певний об’єм всередині атмосфери, то на повітря в цьому просторі діє тиск оточуючого повітря. В свою чергу, повітря усередині об’єму здійснює тиск на оточуюче повітря. Такий виділений об’єм може бути як завгодно малий і навіть зводитись до точки. Отже в кожній точці атмосфери наявний атмосферний тиск або тиск повітря.

Атмосфера має вагу 1 м³ повітря на рівні моря важить при температурі 0°C – 1 293 г. Своєю масою повітря тисне на земну поверхню та на об’єкти, які на ній знаходяться. Таким чином атмосферний тиск може бути визначений, як вага розташованого вище стовпа повітря з одиничним перерізом, який простягається до зовнішніх меж атмосфери.

Тиск повітря у закритих приміщеннях, в зв’язку з вільним обміном, приблизно дорівнює тиску повітря у вільній атмосфері на відповідному рівні. Тому на метеорологічних станціях прилади для вимірювання атмосферного тиску встановлюються в приміщенні станції, а не на метеорологічному майданчику.

Значення тиску може бути виражене різними одиницями. Спочатку значення тиску виражали виключно в міліметрах ртутного стовпчика (мм рт. ст.). Однак міліметр – це одиниця довжини і показує висоту стовпчика ртуті, що, як відомо, зрівноважується вагою повітря. Абсолютною одиницею тиску в системі СГС є дина/см², тиск, що дорівнює силі величиною 1 дина (сила, яка надає масі в 1 г прискорення 1 см/с²), що діє на 1 см². Оскільки ця одиниця дуже мала у порівнянні з величинами атмосферного тиску, то для визначення тиску беруть одиницю, що становить 1 000 дин/см². Така одиниця називається мілібаром (мБар), а 1 000 мбар = 1 бар = 10⁶ дин/см².

В одиницях міжнародної системи (СІ) атмосферний тиск вимірюється в ньютонах на квадратний метр (Н/м²). Цій одиниці присвоїли назву паскаль (Па), але оскільки ця величина також мала, то на практиці тиск вимірюють в гектопаскалях (гПа), 1гПа= 10²Па.

Між наведеними одиницями вимірювання тиску існують такі співвідношення:

1 гПа=1 мбар=10³дин/см²=10⁷ дин/м²=

=10² Н/м²=10² Па=0,75 мм рт.ст.;

1 мм рт. ст.=1 333,3 дин/см²=133,3 Н/м²= =133,3 Па=1,333 мбар=1,333 гПа;

1 дин/см²=10^-1 Н/м²=10^-3 мбар=10^-3 гПа=0,75 10^-5 мм рт.ст.

Атмосферний тиск залежить від товщини відповідного стовпа повітря, його густини, а також від прискорення сили земного тяжіння, яке змінюється в залежності від географічної широти та висоти місця над рівнем моря.