Давление на различных высотах. Изменение давления воздух с высотой

Вес воздуха. Определение понятия

Воздух, как и любое другое тело, имеет вес, а значит, давит на поверхность, находящуюся под ним. Столб воздуха давит на 1 куб. см поверхности с такой же силой, как гиря массой 1 кг 33 г.

Атмосферное давление – сила, с которой воздух давит на земную поверхность и находящиеся на ней предметы.

Человек не чувствует то высокое давление, с которой воздух давит на него, т.к. оно уравновешивается тем давлением воздуха, который находится внутри организма.

Масса воздуха на различных высотах неодинакова. Чем выше – тем значения атмосферного давления ниже.

Рис. 1. Таблица изменения атмосферного давления и температуры воздуха с высотой

Приборы для измерения атмосферного давления

Существуют различные приборы для измерения атмосферного давления:

1. Ртутные барометры

2. Анероиды

3. Гипсотермометры

Рис. 2. Ртутный барометр

Атмосферное давление по барометру измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Нормальное атмосферное давление – давление 760 мм рт. ст. на широте 45 градусов на уровне моря при температуре 0 градусов.Если высота ртути поднимается выше 760 мм рт. ст., то такое давление называют повышенным, и наоборот. Для каждой территории Земли есть свои показатели нормального атмосферного давления, ведь не все точки лежат на высоте 0 метров и на 45-й широте. Например, для Москвы нормальное атмосферное давление – 747-748 мм рт. ст. Для Санкт-Петербурга нормальное атмосферное давление – 753 мм рт. ст., т.к. он лежит ниже Москвы.

Рис. 3. Барометр-анероид

Рис. 4. Гипсотермометр (1 – гипсотермометр (вместе с термометром); 2 – стеклянная трубка; 3 – металлический сосуд)

Гипсометр, термобарометр, прибор для измерения атмосферного давления по температуре кипящей жидкости. Кипение жидкости наступает, когда упругость образующегося в ней пара достигает величины внешнего давления. Измерив температуру пара кипящей жидкости, по специальным таблицам находят величину атмосферного давления.

Изменение атмосферного давления

Закономерности изменения атмосферного давления:

1. При подъеме на каждые 10,5 метров атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

2. Давление теплого воздуха на земную поверхность меньше, чем холодного (т.к. холодный воздух тяжелее).

Кроме того, значения атмосферного давления меняются в течение суток, времен года.

Список литературы

Основная

1. Начальный курс географии: учеб. для 6 кл. общеобразоват. учреждений / Т.П. Герасимова, Н.П. Неклюкова. – 10-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010. – 176 с.

2. География. 6 кл.: атлас. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа; ДИК, 2011. – 32 с.

3. География. 6 кл.: атлас. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, ДИК, 2013. – 32 с.

4. География. 6 кл.: конт. карты: М.: ДИК, Дрофа, 2012. – 16 с.

Энциклопедии, словари, справочники и статистические сборники

1. География. Современная иллюстрированная энциклопедия / А.П. Горкин. – М.: Росмэн-Пресс, 2006. – 624 с.

1.Федеральный институт педагогических измерений ().

2. Русское географическое общество ().

3.Geografia.ru ().

4. Большая Советская Энциклопедия ().

Необходимы дополнения...

Из курса физики хорошо известно, что с повышением высоты над уровнем моря атмосферное давление падает. Если до высоты 500 метров никаких значительных изменений этого показателя не наблюдается, то при достижении 5000 метров атмосферное давление уменьшается почти вдвое. С уменьшением атмосферного давления падает и парциальное давление кислорода в воздушной смеси, что моментально сказывается на работоспособности человеческого организма. Механизм этого воздействия объясняется тем, что насыщение крови кислородом и его доставка к тканям и органам осуществляется за счёт разности парциального давления в крови и альвеолах лёгких, а на высоте эта разница уменьшается.

До высоты в 3500 - 4000 метров организм сам компенсирует нехватку кислорода, поступающего в лёгкие, за счёт учащения дыхания и увеличения объёма вдыхаемого воздуха (глубина дыхания). Дальнейший набор высоты, для полной компенсации негативного воздействия, требует использования лекарственных средств и кислородного оборудования (кислородный баллон).

Кислород необходим всем органам и тканям человеческого тела при обмене веществ. Его расход прямо пропорционален активности организма. Нехватка кислорода в организме может привести к развитию горной болезни, которая в предельном случае - отёке мозга или лёгких - может привести к смерти. Горная болезнь проявляется в таких симптомах, как: головная боль, отдышка, учащённое дыхание, у некоторых болезненные ощущения в мышцах и суставах, снижается аппетит, беспокойный сон и т. д.

Переносимость высоты очень индивидуальный показатель, определяемый особенностями обменных процессов организма и тренированностью.

Большую роль в борьбе с негативным влиянием высоты играет акклиматизация , в процессе которой организм учится бороться с недостатком кислорода.

• Первой реакцией организма на понижение давления является учащение пульса, повышение кровяного давления и гипервентиляция лёгких, наступает расширение капилляров в тканях. В кровообращение включается резервная кровь из селезёнки и печени (7 - 14 дней).

• Вторая фаза акклиматизации заключается в повышение количества производимых костным мозгом эритроцитов практически вдвое (от 4,5 до 8,0 млн. эритроцитов в мм3 крови), что приводит к лучшей переносимости высоты.

Благотворное влияние на высоте оказывает употребление витаминов, особенно витамина С.

2. Рототаев П. С. Р79 Покоренные гиганты. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., “Мысль”, 1975. 283 с. с карт.; 16 л. ил.

Обуславливается весом воздуха. 1 м³ воздуха весит 1,033 кг. На каждый метр поверхности земли приходится давление воздуха силой 10033 кг. Под этим подразумевается столб воздуха высотой от уровня моря до верхних слоев атмосферы. Если сравнить его со столбом воды, то диаметр последнего имел бы высоту всего 10 метров. То есть, атмосферное давление создается собственной массой воздуха. Величина атмосферного давления на единицу площади соответствует массе воздушного столба, находящегося над нею. В результате увеличения воздуха в этом столбе происходит рост давления, а при уменьшении воздуха - падение. Нормальным атмосферным давлением считается давление воздуха при t 0°С на уровне моря на широте 45°. В этом случае атмосфера давит с силой 1,033 кг на каждый 1 см² площади земли. Масса этого воздуха уравновешивается ртутным столбиком высотой 760 мм. На этой взаимосвязи и измеряется атмосферное давление. Оно измеряется в миллиметрах ртутного столба или миллибарах(мб), а так же в гектопаскалях. 1мб = 0,75 мм рт.ст., 1 гПа = 1 мм.

Измерение атмосферного давления.

измеряется с помощью барометров. Они бывают двух типов.

1. Ртутный барометр представляет собой стеклянную трубку, которая запаяна сверху, а открытым концом погружена в металлическую чашу с ртутью. Рядом с трубкой крепится шкала, показывающая изменение давления. На ртуть действует давление воздуха, которое своим весом уравновешивает столбик ртути в стеклянной трубке. Высота ртутного столба меняется при изменении давления.

2. Металлический барометр или анероид представляет собой гофрированную металлическую коробку, которая герметично закрыта. Внутри этой коробки находится разреженный воздух. Изменение давления заставляет колебаться стенки коробки, вдавливаясь или выпячиваясь. Эти колебания системой рычагов заставляют стрелку перемещаться по шкале с делениями.

Самопишущие барометры или барографы предназначены для записи изменений атмосферного давления . Перо улавливает колебание стенок анероидной коробки и чертит линию на ленте барабана, который вращается вокруг своей оси.

Каким бывает атмосферное давление.

Атмосферное давление на земном шаре изменяется в широких пределах. Его минимальная величина - 641,3 мм рт.ст или 854 мб была зарегистрирована над Тихим океаном в урагане "Ненси", а максимальная - 815,85 мм рт.ст. или 1087 мб в Туруханске зимой.

Давление воздуха на земную поверхность изменяется с высотой. Среднее значение атмосферного давления над уровнем моря - 1013 мб или 760 мм рт.ст. Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление, так как воздух становится все более разреженным. В нижнем слое тропосферы до высоты 10 м оно снижается на 1 мм рт.ст. на каждые 10 м или на 1 мб на каждые 8 метров. На высоте 5 км оно меньше в 2 раза, 15 км - в 8 раз, 20 км - в 18 раз.

В связи с перемещением воздуха, изменением температуры, сменой времени года атмосферное давление постоянно меняется. Дважды за сутки, утром и вечером, оно повышается и столько же раз понижается, после полуночи и после полудня. В течение года из-за холодного и уплотненного воздуха зимой атмосферное давление имеет максимальную величину, а летом - минимальную.

Постоянно меняется и распределяется по поверхности земли зонально. Это происходит из-за неравномерного прогревания Солнцем земной поверхности. На изменение давления влияет перемещение воздуха. Там, где воздуха становится больше, давление высокое, а там, откуда воздух уходит - низкое. Воздух, прогревшись от поверхности, поднимается вверх и давление на поверхность понижается. На высоте воздух начинает охлаждаться, уплотняется и опускается на близлежащие холодные участки. Там возрастает атмосферное давление. Следовательно, изменение давления обуславливается перемещением воздуха в результате его нагревания и охлаждения от земной поверхности.

Атмосферное давление в экваториальной зоне постоянно понижено, а в тропических широтах - повышено. Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. В Арктике и Антарктике поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В свою очередь в умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления. Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления - пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года вслед за Солнцем в сторону летнего полушария.

Полярные пояса высокого давления существуют весь год, однако, летом они сокращаются, а зимой, наоборот, расширяются. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах. В северном полушарии все происходит по-другому. В умеренных широтах северного полушария давление над материками сильно повышается и поле низкого давления как бы "разрывается": сохраняется оно только над океанами в виде замкнутых областей пониженного атмосферного давления - Исландского и Алеутского минимумов. Над материками, где заметно повысилось давление, образуются зимние максимумы: Азиатский (Сибирский) и Северо-Американский (Канадский). Летом поле пониженного давления в умеренных широтах северного полушария восстанавливается. При этом над Азией формируется обширная область пониженного давления. Это - Азиатский минимум.

В поясе повышенного атмосферного давления - тропиках - материки нагреваются сильнее океанов и давление над ними ниже. Из-за этого над океанами выделяют субтропические максимумы:

• Северо-Атлантический (Азорский);
• Южно-Атлантический;
• Южно-Тихоокеанский;
• Индийский.

Несмотря на крупномасштабные сезонные изменения своих показателей, пояса пониженного и повышенного атмосферного давления Земли - образования довольно устойчивые.

Воздушная оболочка Земли, являющаяся смесью различных газов, оказывает давление на земную поверхность и все находящиеся на ней предметы. На уровне моря каждый 1 см 2 любой поверхности испытывает давление вертикального столба атмосферы, равное 1,033 кг. Нормальным считается давление, равное 760 мм рт. ст. на уровне моря при 0°. Величина атмосферного давления определяется и в барах. Одна нормальная атмосфера равна 1,01325 бара. Один миллибар равен 0,7501 мм рт. ст. На поверхность человеческого тела давит вес, равный примерно 15-18 т, однако человек его не ощущает, так как давление внутри организма уравновешивается атмосферным. Обычные суточные и годовые колебания давления воздуха, равные 20-30 мм рт. ст., не оказывают заметного влияния на самочувствие здоровых людей.

Однако у лиц пожилого возраста, а также у больных ревматизмом, невралгиями, гипертонией перед резким ухудшением погоды часто наблюдается плохое самочувствие, общее недомогание, обострение хронических болезней. Эти болезненные явления наступают, по-видимому, вследствие сопровождающих плохую погоду понижений атмосферного давления и других изменений метеорологических факторов.

По мере подъема в высоту атмосферное давление снижается; уменьшается и парциальное давление кислорода в воздухе, содержащемся в альвеолах (т. е. той части общего давления воздуха в альвеолах, которая обусловлена кислородом). Эти данные иллюстрирует таблица 6.

Из таблицы 6 видно, что по мере уменьшения атмосферного давления с высотой снижается и величина парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе, которая при высоте около 15 км практически равна нулю. Но уже на высоте 3000-4000 м над уровнем моря снижение парциального давления кислорода приводит к недостаточному обеспечению организма кислородом (острая гипоксия) и возникновению ряда функциональных расстройств. Появляются головные боли, одышка, сонливость, шум в ушах, ощущение пульсации сосудов височной области, нарушения координации движений, бледность кожи и слизистых оболочек и др. Расстройства со стороны центральной нервной системы выражаются в значительном преобладании процессов возбуждения над процессами торможения; имеет место ухудшение обоняния, понижение слуховой и тактильной чувствительности, понижение зрительных функций. Весь этот симптомо-комплекс принято называть высотной болезнью, а в случае возникновения при подъеме в горы - горной болезнью (таблица 6).

Различают пять зон переносимости высоты:
1) безопасную, или индифферентную (до высоты 1,5- 2 км);
2) зону полной компенсации (от 2 до 4 км), где некоторые функциональные сдвиги в организме быстро устраняются -благодаря мобилизации резервных сил организма;
3) зону неполной компенсации (4-5 км);
4) критическую зону (от 6 до 8 км), где вышеуказанные нарушения усиливаются, а у наименее тренированных людей может наступить смерть;
5) смертельную зону (выше 8 км), где человек может существовать не более 3 минут.

Если изменение давления совершается быстро, то возникают функциональные нарушения в ушных полостях (боли, покалывания и др.), которые могут закончиться разрывом барабанной перепонки. Для устранения кислородной? голодания используют специальную аппаратуру, которая обеспечивает добавление кислорода к вдыхаемому воздуху и предохраняет организм от возможных расстройств, вызываемых гипоксией. На высотах более 12 км достаточное парциальное давление кислорода может обеспечить только герметическая кабина или специальный скафандр.

Известно, однако, что у лиц, проживающих в горных селениях на большой высоте, у сотрудников высокогорных станций, а также у тренированных альпинистов, поднимающихся на высоту 7000 м над уровнем моря и больше, и у летчиков, прошедших специальную тренировку, наблюдается привыкание к окружающим атмосферным условиям; их воздействие уравновешивается компенсаторными функциональными изменениями реактивности организма, к которым относится прежде всего адаптация центральной нервной системы. Существенную роль играют также и явления со стороны кроветворной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем (увеличение количества эритроцитов и гемоглобина, являющихся переносчиками кислорода, повышение частоты и глубины дыханий, скорости кровотока).

Повышенное давление в обычных условиях не встречается, оно наблюдается преимущественно при выполнений производственных процессов на большой глубине под водой (водолазные и так называемые кессонные работы). Погружение на каждые 10,3 м увеличивает давление на одну атмосферу. Во время работы при повышенном давлении наблюдаются уменьшение частоты пульса и легочной вентиляции, понижение слуха, бледность кожи, сухость слизистых оболочек полостей носа и рта, вдавливание живота и др.

Все эти явления значительно ослабляются и в конце концов совершенно исчезают при медленном переходе к нормальному атмосферному давлению. Однако если этот переход осуществляется быстро, то может возникнуть тяжелое патологическое состояние, получившее название кессонной болезни. Ее происхождение объясняется тем, что при пребывании в условиях высокого давления (начиная примерно с 90 м) в крови и других жидкостях организма скапливается большое количество растворенных газов (преимущественно азота), которые при быстром выходе из зоны высокого давления к нормальному выделяются в виде пузырьков и закупоривают просвет мелких кровеносных сосудов. В результате возникающей газовой эмболии наблюдается ряд нарушений в виде зуда кожи, поражений суставов, костей, мышц, изменений со стороны сердца, отека легких, различных типов параличей и др. В редких случаях наблюдается смертельный исход. Для профилактики кессонной болезни необходима в первую очередь такая организация работы кессонных рабочих и водолазов, чтобы выход на поверхность осуществлялся медленно и постепенно для удаления из крови избыточных газов без образования пузырьков. Кроме того, время пребывания водолазов и кессонных рабочих на грунте должно быть строго регламентировано.

По какому закону меняется атмосферное давление с высотой?

Допустим, что известно давление на одном уровне. Какое оно в тот же момент на другом уровне? Возьмем вертикальный столб воздуха с поперечным разрезом, равным единице, и выделим в этом столбе тонкий слой, ограниченный снизу поверхностью на высоте Z , а сверху – поверхностью на высоте (Z+dZ). Толщина слоя dZ.

Рисунок 3.1 – Силы, которые действуют на элементарный объем воздуха

На нижнюю поверхность выделенного элементарного объема соседний воздух действует с силой давления, которая направленная снизу вверх. Модуль этой силы на рассмотренной поверхности площадью, равной единице, и будет давлением воздуха Р на этой поверхности. На верхнюю поверхность элементарного объема соседний воздух действует с силой давления, которая направлена сверху вниз. Модуль этой силы P+dP есть давление на верхней границе. Это давление отличается от давления на нижней границе на маленькую величину dр, причем заранее не известно, будет dр положительным или отрицательной, то есть будет давление на верхней границе выше или ниже, чем на нижней границе.

Что касается сил давления, которые действуют на боковые стенки объема, то допустим, что в горизонтальном направлении атмосферное давление не меняется. Это значит, что силы давления, которые действуют со всех сторон на боковые стенки, уравновешиваются: их равнодействующая равняется нулю. Отсюда вытекает, что воздух в горизонтальном направлении не имеет ускорения и не перемещается.

Кроме того, на рассмотренный элементарный объем действует сила тяжести, которая направленная вниз и равняется ускорению свободного падения g, умноженному на массу воздуха во взятом объеме. Поэтому при вертикальном разрезе, равном единице, объем равняется dz, масса воздуха в нем равняется ρdz, где ρ – плотность воздуха, а сила тяжести равняется gρdz.

Сила тяжести gρdz и сила давления Р+dp направлены вниз; возьмем их с отрицательным знаком. Вверх направлена сила давления Р, ее возьмем с знаком “ + “.

В состоянии равновесия:

- (Р + dp) + Р – gρdz = 0

или dр = - gρdz (3.4)

Отсюда следует, что при движении вверх атмосферное давление падает.

Уравнение (3.4) называется основным уравнением статики атмосферы.

= - gp

- gp = 0

- g = 0,

-- падение давления на единицу прироста высоты, то есть вертикальный барический градиент (вертикальный градиент давления).

- вертикальный барический градиент, отнесенный к единице массы и направленный вверх.

Основное уравнение статики выражает условие равновесия между двумя силами, которые действуют на единицу массы воздуха по вертикали – вертикальным барическим градиентом и силой тяжести.

Чтобы получить уравнение для изменения давления при конечном приросте высоты нужно проинтегрировать уравнение (3.4) в пределах от уровня z 1 до z 2 с давлением от Р 1 до Р 2 . При этом плотность воздуха ρ есть переменной величиной, функцией высоты.

ρ =

dp = - dz ли

= -dz (3.5)

Проинтегрируем уравнение (3.5)

= -

ln p 2 – ln p 1 = -

Температура – величина перемена, зависит от высоты. Но эта зависимость не может быть точно описана математической функцией. Поэтому, берут среднее значение температуры T m между уровнями z 1 и z 2 . Тогда среднюю температуру можно вынести за знак интеграла.

ln p 2 – ln p 1 = -

ln = -(z 2 – z 1) (3.6)

Потенцируем уравнения 3.6, и получим:

(3.7)

Уравнение (3.7) называется барометрической формулой.

Эта формула показывает, как меняется атмосферное давление с высотой в зависимости от температуры воздуха.

С помощью барометрической формулы можно решить три задачи:

зная давление на одном уровне и среднюю температуру слоя воздуха, найти давление на другом уровне;

зная давление на обоих уровнях и среднюю температуру слоя воздуха, найти разность уровней (барометрическое нивелирование);

зная разность уровней и значения давления на них, найти среднюю температуру слоя воздуха.

В случае расчетов для влажного воздуха берется значение R для сухого воздуха, умноженное на (1 + 0,378).

Важным вариантом первой задачи есть приведение давления к уровню моря . Зная давление на некоторой станции, расположенной на высоте Z над уровнем моря, и температуру t на этой станции, вычисляют сначала среднюю температуру на рассмотренной станции и на уровне моря. Для уровня станции берется фактическая температура, а для уровня моря – та же температура, но увеличенная в той мере, в которой в среднем меняется температура воздуха с высотой. Средний вертикальный градиент температуры в тропосфере принимается равным 0,6 °С /100 г.

Итак, если станция имеет высоту 200 м и температура на ней 16 °С, то для уровня моря температура принимается равной 17,2 °С, а средняя температура составит 16,6 °С. После этого по давлению на станции и по полученной средней температуре определяется давление на уровне моря. Приведение давления к уровню моря необходимо потому, что на приземные карты погоды всегда наносится давление, приведенное к уровню моря. Этим исключается влияние расхождений в высотах станций на значение давления и становится возможной выяснить горизонтальное распределение давления.