Атмосферное давление

Атмосферное давление — это гидростатическое давление, оказываемое воздушной оболочкой Земли (атмосферой) на поверхность планеты и на все находящиеся в ней объекты. Оно является одной из ключевых характеристик состояния атмосферы, наряду с температурой, влажностью и плотностью воздуха. Атмосферное давление возникает под действием силы тяжести, которая удерживает воздух у поверхности Земли, и распределяется неравномерно как по высоте, так и по горизонтали, что приводит к формированию ветров, циклонов и антициклонов.

История изучения

Античные и средневековые представления

Древние греки, в частности Аристотель, полагали, что воздух не имеет веса. Эта точка зрения господствовала в науке до XVII века. Однако практические наблюдения, например, работа водяных насосов, показывали, что при подъёме поршня вода поднимается за ним лишь на определённую высоту (около 10 метров), что указывало на существование некой внешней силы, удерживающей жидкость.

Эксперимент Торричелли

Переломный момент наступил в 1643 году, когда итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли провёл знаменитый эксперимент. Он заполнил длинную стеклянную трубку, запаянную с одного конца, ртутью, перевернул её и опустил открытым концом в чашу с ртутью. Часть ртути вылилась, но столбик в трубке остановился на высоте около 760 мм над уровнем ртути в чаше. Торричелли объяснил это тем, что на поверхность ртути в чаше давит атмосферный воздух, и это давление уравновешивает вес столба ртути в трубке. Так был создан первый ртутный барометр и введено понятие атмосферного давления. Торричелли также заметил, что высота столба ртути меняется изо дня в день, что свидетельствовало о непостоянстве давления.

Опыт Паскаля и дальнейшее развитие

Французский учёный Блез Паскаль в 1648 году по просьбе Торричелли повторил эксперимент на разных высотах. По поручению Паскаля его зять Флорен Перье поднял барометр на гору Пюи-де-Дом. Оказалось, что с высотой давление падает, что подтвердило гипотезу о весе воздуха. Впоследствии немецкий физик Отто фон Герике в 1654 году провёл впечатляющий опыт с «магдебургскими полушариями», продемонстрировав силу атмосферного давления: две медные полусферы, из которых был выкачан воздух, не могли разъединить даже упряжки лошадей.

Природа и физические основы

Механизм возникновения

Атмосферное давление обусловлено весом столба воздуха, простирающегося от поверхности Земли до верхней границы атмосферы. На каждый квадратный сантиметр поверхности давит столб воздуха массой примерно 1,033 кг. Это значение соответствует давлению в 760 мм ртутного столба при температуре 0 °C и на уровне моря, что принято за нормальное атмосферное давление.

Зависимость от высоты

С увеличением высоты над уровнем моря плотность воздуха уменьшается, а следовательно, уменьшается и вес столба. Поэтому давление падает. В нижних слоях тропосферы (до высоты 5 км) давление убывает в среднем на 1 мм рт. ст. на каждые 10–12 метров подъёма. На высоте 5,5 км давление составляет примерно половину от нормального, а на высоте 10 км — лишь четверть.

Зависимость от температуры и влажности

Над холодными участками земной поверхности воздух охлаждается, становится плотнее и тяжелее, что приводит к повышению давления (формирование антициклонов). Над тёплыми участками воздух нагревается, расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх, создавая область пониженного давления (циклоны). Влажный воздух легче сухого, так как молекулы воды (H₂O) имеют меньшую молярную массу (18 г/моль), чем молекулы азота (28 г/моль) и кислорода (32 г/моль). Поэтому при одинаковой температуре давление влажного воздуха ниже, чем сухого.

Единицы измерения

В разных странах и областях науки используются различные единицы атмосферного давления:

Миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.) — традиционная единица, широко применяемая в метеорологии и быту (в России, странах СНГ). 1 мм рт. ст. — это давление, которое оказывает столб ртути высотой 1 мм при 0 °C.
Гектопаскали (гПа) — официальная единица Международной системы единиц (СИ) для измерения давления. В метеорологии с 1980-х годов используется паскаль (Па) и его производные. Нормальное давление составляет 1013,25 гПа.
Атмосферы (атм) — внесистемная единица. 1 физическая атмосфера (атм) равна 760 мм рт. ст. или 1013,25 гПа. 1 техническая атмосфера (ат) равна 735,56 мм рт. ст.
Бары (бар) — внесистемная единица, близкая к атмосфере. 1 бар = 1000 гПа ≈ 750 мм рт. ст. В метеорологии часто используется миллибар (мбар), равный 1 гПа.

Соотношение: 1 мм рт. ст. ≈ 1,333 гПа.

Измерение атмосферного давления

Барометры

Для измерения атмосферного давления используются приборы — барометры. Основные типы:

Ртутный барометр — классический прибор, основанный на принципе Торричелли. Обеспечивает высокую точность, но громоздок и опасен из-за токсичности ртути. Используется в основном на метеорологических станциях.
Анероид (от греч. «без жидкости») — герметичная металлическая коробка с гофрированными стенками, из которой выкачан воздух. При изменении внешнего давления коробка деформируется, и эта деформация через систему рычагов передаётся на стрелку, указывающую значение на шкале. Компактен, безопасен, широко применяется в быту и туризме.
Электронный барометр — современный цифровой прибор, использующий пьезорезистивные или ёмкостные датчики давления. Обеспечивает высокую точность, может передавать данные на компьютер или смартфон. Часто встраивается в метеостанции и смарт-часы.

Барографы

Самопишущие приборы, непрерывно регистрирующие изменения атмосферного давления на бумажной ленте (барограмме). Используются на метеостанциях для анализа динамики погоды.

Распределение на Земле

Пояса давления

Из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем и вращения Земли вокруг своей оси на планете формируются устойчивые пояса атмосферного давления:

Экваториальный пояс низкого давления — из-за сильного нагрева воздух поднимается вверх.
Субтропические пояса высокого давления (30° с.ш. и 30° ю.ш.) — опускание охлаждённого воздуха.
Умеренные пояса низкого давления (60° с.ш. и 60° ю.ш.) — зона встречи тёплых и холодных воздушных масс.
Полярные пояса высокого давления — над Арктикой и Антарктикой.

Барические системы

На картах погоды атмосферное давление изображается с помощью изобар — линий, соединяющих точки с одинаковым давлением. Выделяют два основных типа барических систем:

Циклон — область пониженного давления с замкнутыми изобарами. Воздух движется от периферии к центру, отклоняясь под действием силы Кориолиса (в Северном полушарии — против часовой стрелки). Циклоны обычно приносят облачную, ветреную и осадочную погоду.
Антициклон — область повышенного давления с замкнутыми изобарами. Воздух движется от центра к периферии (в Северном полушарии — по часовой стрелке). Антициклоны характеризуются малооблачной, сухой и безветренной погодой.

Влияние на человека и живые организмы

Метеочувствительность

Колебания атмосферного давления могут оказывать влияние на самочувствие людей, особенно страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, гипертонией или гипотонией. Резкое падение давления (циклон) часто вызывает головные боли, слабость, снижение работоспособности. Резкий рост давления (антициклон) может провоцировать спазмы сосудов и повышение артериального давления. Однако научные данные о метеочувствительности неоднозначны, и многие исследователи связывают её с индивидуальными особенностями организма.

Высотная болезнь

При быстром подъёме на высоту (в горах, при полётах на воздушных шарах) из-за снижения парциального давления кислорода развивается гипоксия. Симптомы высотной болезни: одышка, головокружение, тошнота, учащённое сердцебиение. На высоте более 3000 м состояние может стать опасным для жизни без акклиматизации.

Животные

Многие животные способны ощущать изменения атмосферного давления. Например, птицы используют его для навигации и прогнозирования погоды. Рыбы чувствительны к изменениям давления через плавательный пузырь.