7.6. Барометричні формули
Основне рівняння статики є одним з найважливіших рівнянь в метеорології, на його основі встановлюються закономірності розподілу тиску, густини та маси повітря по вертикалі. У своєму диференційному вигляді основне рівняння статики (7.8) дозволяє виконати обчислення зміни тиску тільки для малих приростів висоти dz.
На практиці завжди необхідно мати дані про розподіл тиску в шарах атмосфери визначеної товщини, або визначити товщину шару атмосфери за виміряними значеннями тиску. Для цього основне рівняння статики записують у скінченому (інтегрованому) вигляді. Інтеграли основного рівняння статики атмосфери, які отримані при різних припущеннях відносно зміни температури повітря та густини повітря з висотою носять назву барометричних формул.
Для отримання інтегрованої форми основного рівняння статики, ліву і праву частину (7.7) проінтегруємо у межах від рівня моря z=0, де тиск pо, до довільної висоти z, де тиск становить p
,
звідси
,
або
|
|
(7.9) |
ρ = ρ(z) – функція висоти.
Другу інтегральну форму основному рівнянню статики можна надати, якщо використати рівняння стану вологого повітря, тобто
враховуючи,
що
отримаємо
|
|
(7.10) |
Інтегральні форми основного рівняння статики атмосфери в подальшому широко використовуються для отримання різних барометричних формул. У загальному випадку температура та густина повітря знаходяться в складній залежності від висоти. Тому розглядають три окремих випадки в припущенні певних закономірностей змін температури та густини повітря з висотою. Ці припущення відповідають умовам, які можуть спостерігатися в окремих шарах атмосфери і зв’язку з цим мають певне практичне значення.
7.7. Баричне поле
Барична система – це структура поля атмосферного тиску в будь-якому регіоні, що характеризується певною конфігурацією ізобар.
1. Прямолінійні ізобари – поле атмосферного тиску представлене ізобарами, які наближаються до прямих ліній і приблизно паралельні між собою.
2. Баричний максимум (антициклон) – область підвищеного тиску із замкнутою системою ізобар та максимальним значенням тиску в центрі. З віддаленням від центра баричного максимуму до його периферії тиск поступово зменшується (рис. 7.2 б). Антициклон є областю розходження приземних вітрів.
Рис. 7.2.
Ізобари на рівні моря в різних типах
баричних систем.
а) циклон; б) антициклон; в) улоговина; г) гребінь; д) сідловина; С – точка сідловини
3. Гребінь – смуга підвищеного тиску (у вигляді «язика»), що розташована між двох областей зниженого тиску. Найвищий тиск в гребені відмічається вздовж серединної лінії, так званої осі гребеня; ліворуч та праворуч від осі тиск зменшується (рис. 7.2 г).
4. Баричний мінімум (циклон) – область зниженого тиску із замкнутою системою ізобар та найменшим значенням тиску в центрі. З віддаленням від центру баричної системи до периферії тиск поступово збільшується (рис. 7.2 а). Циклон є областю сходимості приземних вітрів.
5. Улоговина – смуга незамкнених ізобар, що витягнуті у формі "язика". Вздовж серединної лінії, або осі улоговини, тиск найменший; по обидва боки від осі тиск збільшується (рис. 7.2 в).
6. Барична сідловина (деформаційне баричне поле) – це область хрестоподібно (у шаховому порядку) розташованих двох циклонів та двох антициклонів. Середня точка такого баричного поля називається нейтральною точкою. В обидва боки від цієї точки в напрямку до баричних мінімумів тиск зменшується, а в напрямку до баричних максимумів – збільшується (рис. 7.2 д).
Баричне поле описується не тільки різною конфігурацією ізобар на приземних картах, але й різним положенням ізобаричних поверхонь. Із урахуванням загального зменшення тиску з висотою положення ізобаричних поверхонь, у випадку коли баричне поле представлено прямолінійними ізобарами, в баричних максимумі та мінімумі показано на рис. 7.3 та рис. 7.4.
Рис. 7.3. Положення ізобаричних поверхонь відносно земної поверхні у випадку прямолінійних ізобар
Характер змін тиску можна представити баричним полем та положенням ізобаричних поверхонь на висотах. Але кількісних характеристик баричного поля таке його представлення не дає.
Рис. 7.4. Положення ізобаричних поверхонь в антициклоні (В) та циклоні (Н)
Нахил ізобаричних поверхонь до горизонту дуже малий і складає декілька кутових секунд.
Горизонтальний баричний градієнт показує зміну тиску у горизонтальному напрямку. Через те, що лінії перетину ізобаричних поверхонь із горизонтальною площиною називаються ізобарами, можна сказати, що горизонтальний градієнт тиску на певному рівні є вектором, який спрямований по нормалі до ізобари в бік низького тиску, а по величині рівний зміні тиску на одиницю відстані.
З висотою баричне поле в атмосфері змінюється, це означає, що змінюється форма ізобар та їх взаємне розташування і, як наслідок цього, модуль та напрямок баричних градієнтів. Такі зміни обумовлені, в основному, нерівномірністю розподілу температури повітря з висотою.