ТЕМА № 6. Баричний режим атмосфери.

ОСНОВНЕ РІВНЯННЯ СТАНУ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРНИ ПРОЦЕСІВ

              Основними характеристиками (параметрами) фізичного стана газу є його тиск, температура і щільність. Ці три характеристики не незалежні одна від іншої. Гази стискаються, тому щільність їх змінюється в широких межах у залежності від тиску і температури. Зв'язок між тиском, температурою і щільністю для ідеальних газів дається рівнянням стану газів, відомим із фізики. Воно має вигляд:

                                         pv = RT,

 де р - тиск, v - питомий об'єм газу, Т - температура по абсолютній шкалі, R - питома газова постійна, що залежить від природи газу. Рівняння стана газів є достатнім наближенням стосовно до сухого повітря, і до водяної пари, і до вологого повітря. У кожному випадку буде своє значення питомої газової сталої R.

АТМОСФЕРНИЙ ТИСК.

        Усякий газ здійснює тиск на поверхні, що його обмежують, перпендикулярно (нормально) до цих поверхонь. Числове значення (модуль) цієї сили тиску, віднесеної до одиниці площі, і називають тиском. Тиск газу обумовлено рухами його молекул, тим "бомбардуванням", що вони піддають стінки посуду, в якому знаходиться газова суміш. При зростанні температури і зберіганні об'єму газу швидкості молекулярних рухів збільшуються і, отже, тиск зростає. Повітря в закритому (негерметично) помешканні досить вільно вирівнює свій тиск із зовнішнім повітрям через пори і щілини в стінах, через вікна і т.д. Тому на метеорологічних станціях немає потреби поміщати барометри під відкритим небом - їх встановлюють усередині помешкання.

          Основним приладом для виміру атмосферного тиску є  ртутний барометр. У цьому приладі, відомому з курсу фізики, атмосферний тиск врівноважується тиском стовпа ртуті; по змінах висоти ртутного стовпа можна судити про зміни атмосферного тиску. Інший принцип виміру атмосферного тиску, широко застосовуваний в анероїдах, барографах, метеорографах, радіозондах, заснований на деформаціях пружної, порожньої усередині металевої коробки при змінах зовнішнього тиску на неї. Прилади цього типу потрібно тарувати (градуювати) за показниками ртутного барометра. Сьогодні тиск, як уже сказано вище, виражають у гектопаскалях (гПа). Середній атмосферний тиск на рівні моря близько до 1013 гПа.

ЩІЛЬНІСТЬ (ГУСТИНА) АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ

      Щільність (густина) повітря безпосередньо не вимірюється, а обчислюється за допомогою рівняння стану газів. Вологе повітря дещо менш щільне, ніж сухе повітря при тих же значеннях тиску і температури. Це пояснюється тим, що водяна пара менш щільна, ніж сухе повітря. Якщо взяти якийсь об'єм сухого повітря і замінити частину молекул постійних газів більш легкими молекулами водяної пари в тій же кількості і з тими ж швидкостями руху так, що температура і тиск від цього не зміняться, то щільність отриманого вологого повітря буде дещо менше, ніж щільність сухого повітря. Різниця не дуже велика. Щільність сухого повітря при температурі 0 °С і тиску 1000 гПа дорівнює 1,276 кг/м3. Якщо ж повітря вологе, притому насичене, тобто тиск водяної пари 6,1 гПа (більше воно при температурі О °С бути не може), то щільність його при тиску 1000 гПа буде 1,273 кг/м3, тобто тільки на 0,003 кг/м3 менше, ніж щільність сухого повітря.

         Щільність повітря в кожному місці безупинно змінюється в часі. Крім того, вона змінюється з висотою, тому що з висотою змінюються також атмосферний тиск і температура повітря. Тиск із висотою завжди зменшується, а разом із ним убуває і щільність. Температура з висотою в основному знижується, принаймні в нижніх 10-15 км атмосфери. Але спад температури тягне за собою підвищення щільності. У результаті спільного впливу зміни тиску і температури щільність із висотою, як правило, знижується, але не так сильно, як тиск. У середньому для Європи вона дорівнює біля земної поверхні 1,25 кг/м3, на висоті 5 км - 0,74 кг/м3, 10 км - 0,41 кг/м3, 20 км - 0,09 кг/м3. На висотах біля 300 км щільність повітря має порядок розміру 10-11 кг/м3, тобто в сто мільярдів разом менше, ніж у земної поверхні. На висоті 500 км щільність повітря вже 10-12 кг/м3, на 750 км - 10-13 кг/м3 або ще менше. Ці значення щільності незначні  порівняно з приземними. Але усе ж до висот біля 20 тис. км щільність повітря залишається значно більшою, ніж густина речовини в міжпланетному просторі.

         Якби щільність повітря не змінювалася з висотою, а залишалася на всіх рівнях такою ж, як у земної поверхні, то висота атмосфери виявилася б рівною приблизно 8000 м. Ця висота (8000 м) називається висотою однорідної атмосфери. У дійсності щільність повітря з висотою убуває, і тому справжня висота атмосфери рівняється багатьом тисячам кілометрів.

                ПРИВЕДЕННЯ ТИСКУ ДО РІВНЯ МОРЯ

         Важливою задачею є приведення тиску до рівня моря. Знаючи тиск на деякій станції, розташованій на висоті z над рівнем моря, і температуру t на цій станції, обчислюють спочатку уявлювану середню температуру між температурами на розглянутій станції і на рівні моря. Для рівня станції береться фактична температура, а для рівня моря - та ж температура, але збільшена на стільки, наскільки у середньому змінюється температура повітря з висотою. Середній вертикальний градіент температури в тропосфері приймається рівним 0,6 °С на 100 м. Отже, якщо станція має висоту 200 м і температура на ній 16 °С, то для рівня моря приймається температура 17,2 °С, а середня температура стовпа між станцією і рівнем моря 16,6 °С. Після цього по тиску на станції і по отриманій середній температурі визначається тиск на рівні моря. Для цього складають особливі таблиці для кожної станції. Приведення тиску до рівня моря є дуже важливим.

             На приземні синоптичні карти завжди наноситься тиск, приведений до рівня моря. Цим виключається вплив розходжень у висотах станцій на значення тиску і стає можливим з'ясувати горизонтальний розподіл тиску.

ЗМІНИ АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ З ВИСОТОЮ

          Розподіл атмосферного тиску по висоті залежить від того, який тиск внизу і як розподіляється температура повітря з висотою. У багаторічному середньому виразі для Європи тиск на рівні моря дорівнює 1014 гПа, на висоті 5 км- 538 гПа, 10 км-262 гПа, 15 км- 120 гПа і 20 км - 56 гПа. На рівні 5 км тиск майже вдвічі нижче, ніж на рівні моря, на рівні 10 км - майже в чотири рази, на рівні 15 км - майже в 8 разів. Ці значення підтверджують висновок, який можна зробити: у першому наближенні тиск убуває приблизно в геометричній прогресії, коли висота зростає в арифметичній прогресії. При більш точному дослідженні ця залежність описується кривою, що носить назву експоненти. Тому залежність тиску від висоти ще називають експоненціальною.

         Тиск змінюється не тільки з висотою. На тому самому рівні він не скрізь однаковий. Це залежить від багатьох причин, які будуть розглянуті пізніше.

         Знання атмосферного тиску дозволяє розрахувати загальну масу атмосфери. Середній атмосферний тиск на рівні моря близько до 1013 гПа. Знаючи площу земної поверхні і перевищення материків над рівнем моря, можна обчислити силу ваги, що діє на земну поверхню. Зневажаючи зміною сили ваги з висотою, можна вважати цю силу чисельно рівній масі атмосфери, помноженої на прискорення вільного падіння.

        Загальна маса атмосфери, визначена таким чином, складає трохи більше 5х10 ¹⁸кг, або 5х10 ¹⁵т.

            Це приблизно в мільйон разів менше, ніж маса самої земної кулі. При цьому, як уже говорилося, половина всієї маси атмосфери знаходиться в нижніх 5 км, три чверті - у нижніх 10 км і 95% - у нижніх 20 км.