Введение
Статическое давление, создаваемое весом атмосферы. Атмосферное давление, также известное как давление воздуха или барометрическое давление (по названию барометра), – это давление внутри атмосферы Земли. Стандартная атмосфера (символ: атм) – это единица давления, определяемая как , что эквивалентно 1013,25 миллибарам, 760 мм рт. ст., 29,9212 дюймам рт. ст. или 14,696 psi. Единица атм приблизительно равна среднему атмосферному давлению на уровне моря на Земле; то есть атмосферное давление Земли на уровне моря составляет примерно 1 атм. В большинстве случаев атмосферное давление хорошо приближается гидростатическим давлением, вызванным весом воздуха над точкой измерения. С увеличением высоты над уровнем моря уменьшается масса перекрывающего воздуха, поэтому атмосферное давление снижается с ростом высоты. Поскольку атмосфера относительно тонка по сравнению с радиусом Земли – особенно плотный атмосферный слой на малых высотах – ускорение свободного падения Земли в зависимости от высоты можно приближенно считать постоянным, и оно мало влияет на это снижение. Давление измеряет силу, приходящуюся на единицу площади, в системе СИ измеряется в паскалях (1 паскаль = 1 ньютон на квадратный метр, 1 Н/м²). В среднем, столб воздуха с площадью поперечного сечения 1 квадратный сантиметр (см²), измеренный от среднего уровня моря до верхней границы атмосферы Земли, имеет массу около 1,03 килограмма и оказывает силу или "вес" около 10,1 ньютона, что создает давление в 10,1 Н/см² или 101 кН/м² (101 килопаскаль, кПа). Столб воздуха с площадью поперечного сечения 1 дюйм² будет иметь вес около 14,7 lbf, что создает давление 14,7 lbf/in².
Atmospheric pressure, also known as air pressure or barometric pressure (after the barometer), is the pressure within the atmosphere of Earth. The standard atmosphere (symbol: atm) is a unit of pressure defined as , which is equivalent to 1,013.25 millibars, 760mm Hg, 29.9212inchesHg, or 14.696psi. The atm unit is roughly equivalent to the mean sea level atmospheric pressure on Earth; that is, the Earth's atmospheric pressure at sea level is approximately 1 atm. In most circumstances, atmospheric pressure is closely approximated by the hydrostatic pressure caused by the weight of air above the measurement point. As elevation increases, there is less overlying atmospheric mass, so atmospheric pressure decreases with increasing elevation. Because the atmosphere is thin relative to the Earth's radius—especially the dense atmospheric layer at low altitudes—the Earth's gravitational acceleration as a function of altitude can be approximated as constant and contributes little to this fall off. Pressure measures force per unit area, with SI units of pascals (1 pascal = 1 newton per square metre, 1N/m2). On average, a column of air with a cross sectional area of 1 square centimetre (cm2), measured from the mean (average) sea level to the top of Earth's atmosphere, has a mass of about 1.03 kilogram and exerts a force or "weight" of about 10.1 newtons, resulting in a pressure of 10.1 N/cm2 or 101kN/m2 (101 kilopascals, kPa). A column of air with a cross sectional area of 1in2 would have a weight of about 14.7lbf, resulting in a pressure of 14.7lbf/in2.
Механизм
Атмосферное давление обусловлено гравитационным притяжением планеты к атмосферным газам, находящимся над поверхностью, и является функцией массы планеты, радиуса её поверхности, количества и состава газов, а также их вертикального распределения в атмосфере. Оно изменяется под воздействием вращения планеты и локальных факторов, таких как скорость ветра, колебания плотности, вызванные температурой, и изменения в составе атмосферы.
Среднее давление на уровне моря
Среднее давление на уровне моря (MSLP) – это атмосферное давление, приведённое к среднему уровню моря. Это атмосферное давление, которое обычно указывается в прогнозах погоды по радио, телевидению, в газетах или в интернете. Настройка высотомера в авиации – это поправка к атмосферному давлению. В авиационных метеорологических сводках (METAR) QNH передаётся по всему миру в гектопаскалях или миллибарах (1 гектопаскаль = 1 миллибар), за исключением Соединённых Штатов, Канады и Японии, где оно сообщается в дюймах ртутного столба (с двумя десятичными знаками). Соединённые Штаты и Канада также сообщают давление на уровне моря SLP, которое приводится к уровню моря другим методом, в разделе примечаний, а не в международно передаваемой части кода, в гектопаскалях или миллибарах. Однако в публичных метеорологических сводках Канады давление на уровне моря указывается в килопаскалях. В примечаниях к метеорологическому коду США передаются только три цифры; десятичные точки и одна или две наиболее значащие цифры опускаются: передаётся как 132; передаётся как 000; 998,7 гПа передаётся как 987; и т.д. Наивысшее давление на уровне моря на Земле наблюдается в Сибири, где Сибирский антициклон часто достигает давления уровня моря выше 1050 гПа, с рекордными значениями, близкими к 1085 гПа. Самое низкое измеряемое давление на уровне моря наблюдается в центрах тропических циклонов и торнадо, с рекордно низким значением 870 гПа.
Местные изменения
Атмосферное давление на Земле значительно меняется, и эти изменения важны для изучения погоды и климата. Атмосферное давление демонстрирует суточный или полусуточный (дважды в сутки) цикл, обусловленный глобальными атмосферными приливами. Этот эффект наиболее выражен в тропических широтах, где амплитуда составляет несколько гектопаскалей, и практически отсутствует в полярных областях. Эти колебания состоят из двух наложенных циклов: циркадного (24 ч) и полуциркадного (12 ч) циклов.
Рекорды
Наивысшее барометрическое давление, приведённое к уровню моря, когда-либо зарегистрированное на Земле (выше 750 метров), было измерено в Тосонтжегеле, Монголия, 19 декабря 2001 года. Наивысшее барометрическое давление, приведённое к уровню моря, когда-либо зарегистрированное (ниже 750 метров), было зафиксировано в Агате, Эвенкийский автономный округ, Россия (66°53'N, 93°28'E, высота: ) 31 декабря 1968 года. Эта разница обусловлена проблемными предположениями (использованием стандартного вертикального градиента температуры) при расчете давления на уровне моря по данным с больших высот. Рекорд минимального давления на поверхности, зарегистрированный ниже уровня моря, был установлен 21 февраля 1961 года. Самое низкое атмосферное давление, не связанное с торнадо, когда-либо измеренное, составило 870 гПа (0,858 атм; 25,69 дюйма ртутного столба), и было зарегистрировано 12 октября 1979 года во время тайфуна Тип в западной части Тихого океана. Измерение было основано на инструментальных наблюдениях, сделанных с самолета-разведчика.
Измерение на основе глубины воды
Одна атмосфера также является давлением, создаваемым весом столба пресной воды высотой примерно 10,3 м. Таким образом, дайвер на глубине 10,3 м испытывает давление около 2 атмосфер (1 атмосфера воздуха плюс 1 атмосфера воды). И наоборот, 10,3 м – это максимальная высота, на которую можно поднять воду с помощью всасывания при стандартных атмосферных условиях. Низкие давления, такие как в газовых линиях, иногда указываются в дюймах водяного столба, обычно обозначаются как w. c. (water column) или w. g. (inches water). Типичный газовый бытовой прибор в США рассчитан на максимум , что составляет примерно 14 w. g. Аналогичные метрические единицы с широким разнообразием названий и обозначений, основанные на миллиметрах, сантиметрах или метрах, в настоящее время используются реже.
Точка кипения жидкости
Чистая вода кипит при 100°C при стандартном атмосферном давлении Земли. Точка кипения — это температура, при которой давление пара равно атмосферному давлению, окружающему жидкость. В связи с этим, температура кипения жидкостей снижается при понижении давления и повышается при его увеличении. Поэтому приготовление пищи на больших высотах требует корректировки рецептов или использования скороварки. Приблизительную оценку высоты можно получить, измерив температуру, при которой кипит вода; в середине XIX века этот метод использовали исследователи. И наоборот, если необходимо испарить жидкость при более низкой температуре, например, при дистилляции, атмосферное давление можно понизить с помощью вакуумного насоса, как, например, в роторном испарителе.
Измерения и карты
Важное применение знаний о том, что атмосферное давление прямо пропорционально высоте, заключалось в определении высоты холмов и гор, благодаря появлению надежных приборов для измерения давления. В 1774 году Маскелин подтверждал теорию гравитации Ньютона на горе Шиаллион в Шотландии и нуждался в точных измерениях высот на склонах горы. Уильям Рой, используя барометрическое давление, смог подтвердить определения высоты, полученные Маскелином, с точностью до одного метра (3,28 фута). Этот метод стал и остается полезным для геодезических работ и картографии.