Атмосферное давление — давление, которое атмосфера оказывает на единицу площади поверхности вследствие веса вышележащего воздушного столба и хаотического движения молекул газа. В покоящейся атмосфере оно уравновешивает силу тяжести, действующую на воздух; в движущейся атмосфере пространственные различия давления создают силу барического градиента и участвуют в формировании ветра.
Физическая природа
Газ давит на поверхность при столкновениях молекул, а вертикальный профиль давления связан с массой воздуха над выбранным уровнем. В гидростатическом приближении малое падение давления с высотой равно весу слоя воздуха единичной площади: оно пропорционально плотности, ускорению свободного падения и толщине слоя. Поэтому давление у земли отражает массу всего воздушного столба, но не является простым показателем количества кислорода или погоды.
Атмосфера почти всегда движется, однако вертикальные ускорения на больших масштабах обычно намного меньше силы тяжести, и гидростатическое равновесие остаётся хорошим приближением. В сильной конвекции, ударных волнах и малых динамических системах отклонения могут быть существенны.
Единицы измерения
Единица давления в Международной системе — паскаль (Па), равный одному ньютону на квадратный метр. В метеорологии удобен гектопаскаль: 1 гПа = 100 Па. Численно гектопаскаль равен применявшемуся ранее миллибару. Стандартное атмосферное давление установлено как 1013,25 гПа, или 101 325 Па; это эталон, а не обязательное «нормальное» значение для любой станции.
Миллиметр ртутного столба — внесистемная единица, исторически связанная с ртутным барометром. 760 мм рт. ст. соответствуют стандартной атмосфере, а 1 мм рт. ст. приблизительно равен 1,333 гПа. При точном переводе учитывают определение стандартной плотности ртути и ускорения тяжести. В научных данных предпочтительны Па и гПа.
Изменение с высотой
С подъёмом над поверхностью масса вышележащего столба уменьшается, поэтому давление падает. Если температуру считать постоянной, а воздух — идеальным газом постоянного состава, гидростатическое уравнение приводит к экспоненциальной барометрической формуле. Реальная температура меняется с высотой, влажность и ускорение тяжести неодинаковы, поэтому точный профиль получают интегрированием по наблюдаемой температуре виртуального воздуха.
Одинаковая разность высот не всегда соответствует одинаковому падению давления: в тёплом менее плотном столбе барические поверхности расположены дальше друг от друга, чем в холодном. Этим объясняется связь горизонтальных температурных контрастов с ветром на высоте. Приближённые правила полезны лишь в ограниченном диапазоне.
Плотность, температура и влажность
Уравнение состояния связывает давление с плотностью и температурой. При одном давлении нагретый воздух имеет меньшую плотность; при одном объёме и неизменной массе нагрев повышает давление. В свободной атмосфере воздух расширяется и перемещается, поэтому нельзя утверждать, что потепление само по себе всегда повышает приземное давление.
Водяной пар имеет меньшую молярную массу, чем сухой воздух, и влажный воздух при одинаковых температуре и давлении несколько менее плотен. Для расчётов вводят виртуальную температуру. Изменения массы столба вследствие сходимости и расходимости потоков обычно важнее локального молекулярного эффекта влажности.
Временная изменчивость
Давление меняется при прохождении циклонов, антициклонов, фронтов и волн, а также вследствие суточного нагрева. В тропиках заметен регулярный полусуточный атмосферный прилив с максимумами и минимумами примерно дважды в сутки. В умеренных широтах синоптическая изменчивость часто перекрывает этот сигнал.
Сезонные средние связаны с тепловым режимом материков и океанов и общей циркуляцией. Зимой над охлаждёнными континентами формируются устойчивые области высокого давления, летом прогретая суша способствует термическим депрессиям, но региональная картина зависит от высоты, рельефа и переноса воздуха. Один сезонный показатель не описывает ежедневную погоду.
Барическое поле и изобары
Барическое поле — пространственное распределение давления в атмосфере. На карте значения одного уровня соединяют изобарами. Замкнутые изобары помогают выделить области низкого давления — циклоны или депрессии — и высокого давления — антициклоны. Ложбина является вытянутой областью относительно низкого, гребень — относительно высокого давления; седловина лежит между соседними центрами.
Изобара — линия равного давления на выбранной поверхности и в выбранный срок, а не материальная граница. Вид поля зависит от интервала изобар и способа приведения данных. На высотных картах часто изображают не давление на геометрической высоте, а геопотенциальную высоту определённой изобарической поверхности.
Градиент давления и ветер
Градиент давления — вектор скорости пространственного изменения давления; его горизонтальная составляющая направлена в сторону роста давления, а сила барического градиента — к меньшему давлению. Чем теснее изобары, тем обычно больше градиент, но скорость ветра определяется также силой Кориолиса, кривизной траектории и трением.
Выше пограничного слоя ветер часто близок к геострофическому и направлен почти вдоль изобар. У поверхности трение замедляет поток, поэтому он пересекает изобары в сторону низкого давления. Связь не позволяет восстановить ветер по одному значению барометра: нужна пространственная структура поля и её изменение.
Измерение барометрами
Ртутный барометр определяет давление по высоте уравновешивающего столба ртути; показания исправляют на температуру прибора, местное ускорение тяжести и инструментальные ошибки. Барометр-анероид использует деформацию герметичной упругой коробки. Современные автоматические станции применяют электронные ёмкостные, резонансные и пьезорезистивные датчики.
Прибор защищают от динамического напора, резких температурных воздействий и вибрации, регулярно калибруют по эталону. В метаданных фиксируют высоту чувствительного элемента. Тенденцию давления вычисляют по ряду наблюдений, а не по субъективному положению стрелки бытового барометра.
Давление станции и приведение к уровню моря
Давление на уровне станции непосредственно относится к высоте барометра после инструментальных поправок. Для сравнения станций разной высоты рассчитывают давление, приведённое к среднему уровню моря, используя высоту и среднюю температуру условного слоя между станцией и морем. Это расчётная величина, а не измерение на воображаемой точке под станцией.
На высокогорных станциях приведение к морю чувствительно к температурной модели и может создавать искусственные особенности, поэтому в высотном анализе используют давление станции или геопотенциальные высоты изобарических поверхностей. Перед сравнением данных всегда проверяют, какая величина опубликована.
Прогноз и экологическое значение
Поля давления, их тенденции и высотная структура используются при анализе циклонов, фронтов, ветра и траекторий воздушных масс. Быстрое падение давления может сопровождать приближение циклона, но само по себе не гарантирует шторм: прогноз объединяет наблюдения, спутники, радары и численные модели.
Организмы реагируют прежде всего на парциальное давление газов. С высотой общее давление и парциальное давление кислорода уменьшаются, хотя его объёмная доля в нижней гомосфере почти неизменна. Это ограничивает газообмен и может вызывать высотную гипоксию у неадаптированных людей и животных. Выраженность зависит от высоты, скорости подъёма и адаптации; обычные синоптические колебания у уровня моря несопоставимы с высокогорным снижением давления и не должны служить основанием для медицинских преувеличений.
Разграничение понятий
Атмосферное давление — скалярная физическая величина в точке. Барическое поле — её распределение в пространстве. Градиент давления описывает изменение поля и создаёт силу, связанную с ветром. Давление станции измеряют на фактической высоте, а давление на уровне моря получают расчётом для синоптического сравнения. Подмена одной величины другой особенно ошибочна в горах.
Кратко
Атмосферное давление создаётся массой воздушного столба, измеряется в паскалях и быстро уменьшается с высотой. Для карт погоды станционные наблюдения приводят к сопоставимому уровню. Пространственный градиент, а не само значение давления, непосредственно участвует в ускорении воздуха.