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.

За нормальное атмосферное давление принято брать давление воздуха на уровне моря на широте 45 градусов при температуре в 0оС. В этих идеальных условиях столб воздуха давит на каждый площади с такой же силой, как столб ртути высотой 760 мм. Данная цифра и является показателем нормального атмосферного давления.

Атмосферное давление зависит от высоты местности над уровнем моря. На возвышенности показатели могут отличаться от идеальных, но при этом они тоже будут считаться нормой.

Нормы атмосферного давления в разных регионах

С повышением высоты атмосферное давление понижается. Так, на высоте пять километров показатели давления будут примерно в два раза меньше, чем внизу.

Из-за расположения Москвы на возвышенности, нормой давления здесь считаются показатели 747-748 мм столба. В Санкт-Петербурге нормальное давление – 753-755 мм ртутного столба. Такая разница объясняется тем, что город на Неве расположен ниже по сравнению с Москвой. В некоторых районах Петербурга можно встретить норму давления в идеальные 760 мм ртутного столба. Для Владивостока нормальным давлением является 761 мм ртутного столба. А в горах Тибета – 413 мм ртутного столба.

Воздействие атмосферного давления на людей

Человек ко всему привыкает. Даже если показатели нормального давления низкие по сравнению с идеальными 760 мм ртутного столба, но являются нормой для данной местности, людям будет .

На самочувствие человека влияет резкое колебание атмосферного давления, т.е. понижение или повышение давления хотя бы на 1 мм ртутного столба в течение трех часов

При понижении давления возникает нехватка кислорода в крови человека, развивается гипоксия клеток организма, учащается сердцебиение. Появляются головные боли. Наблюдаются затруднения со стороны дыхательной системы. Из-за плохого кровоснабжения человека могут беспокоить боли в суставах, онемение пальцев.

Повышение давления ведет к переизбытку кислорода в крови и тканях организма. Повышается тонус сосудов, что ведет к их спазмам. Вследствие чего нарушается кровообращение организма. Могут возникать нарушения зрения в виде появления «мушек» перед глазами, головокружения, тошнота. Резкое повышение давления до больших величин может привести к разрыву ушной барабанной перепонки.

Источники:

• Какое атмосферное давление считается нормальным?

Известно, что есть люди особо чувствительные к погоде. Речь идет о тех, кто на перепады давления реагирует изменением самочувствия. Нередко бывает, что и при смене места жительства ухудшается состояние здоровья – так организм реагирует на смену давления, оно может отличаться от привычных показателей.

Инструкция

Достаточно легко человек переносит повышение атмосферного давления, только при исключительно высоких показателях отмечаются нарушения в работе дыхательной системы, сердца. Как правило, реакция заключается в небольшом снижении частоты и замедлении дыхания. Если давление чрезмерно , то может наблюдаться сухость кожных покровов, чувство небольшого онемения, сухость во рту, но все эти состояния, как правило, не причиняют чрезмерного дискомфорта.

Если повышенное давление окружающей нас атмосферы мы переносим легко, то понижение давления чревато проблемами. Во-первых, сердцебиение становится частым и неравномерным, что некоторым людям может причинять серьезные неудобства. Падение давления приводит к небольшому кислородному голоданию организма, из-за чего и возникают такие . Как только снижается давление в атмосфере в целом, и парциальное кислородное давление. В результате человек получает пониженный объем кислорода, и обычным дыханием восполнить запасы уже не получается.

Специалисты рекомендуют при понижении атмосферного давления при особой чувствительности к перепадам отдыхать, меньше двигаться, отказаться от спорта и активной работы. Следует больше времени проводить на свежем воздухе, желательно на природе. Откажитесь от тяжелой пищи, не употребляйте , не курите. Пищу употребляйте небольшими порциями, но часто. Можно седативные чаи и легкие (посоветовавшись предварительно с врачом).

Человек проводит свою жизнь, как правило, на высоте поверхности Земли, которая близка уровню моря. Организм в такой ситуации испытывает давление окружающей атмосферы. Нормальной величиной давления принято считать 760 мм ртутного столба, также такую величину называют «одна атмосфера». Давление, которое мы испытываем снаружи, уравновешивается внутренним давлением. В связи с этим организм человека не ощущает тяжести атмосферы.

Атмосферное давление может меняться в течение суток. Его показатели также зависят от сезона. Но, как правило, такие скачки давления происходят в рамках не более двадцати-тридцати миллиметров ртутного столба.

Подобные колебания не заметны для организма здорового человека. Но вот у лиц, страдающих гипертонической болезнью, ревматизмом и другими заболеваниями, эти перемены способны вызвать нарушения функционирования организма и ухудшение общего самочувствия.

Пониженное атмосферное давление человек может ощутить, когда находиться на горе и взлетает на самолете. Основной физиологический фактор высоты это пониженное атмосферное давление и, вследствие этого, пониженное парциальное давление кислорода.

Организм реагирует на пониженное атмосферное давление, прежде всего, усилением дыхания. Кислород на высоте разряжен. Это вызывает возбуждение хеморецепторов сонных артерий, а оно передается в продолговатый мозг к центру, который отвечает за усиление дыхания. Благодаря этому процессу, легочная вентиляция человека, который испытывает пониженное атмосферное давление, возрастает в необходимых пределах и организм получает достаточный объем кислорода.

Важным физиологическим механизмом, который запускается при пониженном атмосферном давлении, считается усиление деятельности органов, отвечающих за кроветворение. Проявляется этот механизм в увеличении количества гемоглобина и эритроцитов в крови. В таком режиме организм способен транспортировать больше кислорода.

Видео по теме

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.

Интенсивность развития горной болезни в зависимости от высоты.

Высота, м	Признаки
800-1000	Высота переносится легко, однако у некоторых людей наблюдаются небольшие отклонения от нормы.
1000-2500	Физически нетренированные люди испытывают некоторую вялость, возникает легкое головокружение, учащается сердцебиение. Симптомов горной болезни нет.
2500-3000	Большинство здоровых неакклиматизированных людей ощущает действие высоты, однако ярко выраженных симптомов горной болезни у большинства здоровых людей нет, а у некоторых наблюдаются изменения в поведении: приподнятое настроение, излишняя жестикуляция и говорливость, беспричинное веселье и смех.
3000-5000	Проявляется острая и тяжело протекающая (в отдельных случаях) горная болезнь. Резко нарушается ритм дыхания, жалобы на удушье. Нередко возникает тошнота и рвота, начинаются боли в области живота. Возбужденное состояние сменяется упадком настроения, развивается апатия, безразличие к окружающей среде, меланхоличность. Ярко выраженные признаки заболевания обычно проявляются не сразу, а в течение некоторого времени пребывания на этих высотах.
5000-7000	Ощущается общая слабость, тяжесть во всем теле, сильная усталость. Боль в висках. При резких движениях - головокружение. Губы синеют, повышается температура, часто из носа и легких выделяется кровь, а иногда начинается и желудочное кровотечение. Возникают галлюцинации.

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

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.

Кроме ртутного барометра, существует ещё и барометр-анероид (греч. - безжидкостный. Его так называют потому, что он не содержит ртути). Это металлический барометр, по форме напоминающий часы только с одной стрелкой.

Строение барометра-анероида

Его механизм довольно прост. Он состоит из металлический коробочки с гофрированными краями, из которой выкачан воздух. Чтобы атмосферное давление эту коробочку не раздавило, ей крышка оттягивается пружиной вверх. При уменьшении атмосферного давления, пружина выпрямляет крышку, а при увеличении крышка прогибается вниз и оттягивает пружину.

С помощью придаточного механизма к пружинке подключена стрелка-указатель, которая передвигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой прикреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Следовательно, если стрелка указывает на цифру 750, значит атмосферное давление сейчас равняется 750 мм рт. ст.

Атмосферное давление измеряется, так же для того, чтобы предсказать погоду на ближайшие дни. Барометр в метеорологическом деле - незаменимая вещь.

Атмосферное давление на различных высотах

В жидкости давление зависит от плотности жидкости и от высоты столба. Так же мы знаем, что жидкость малосжимаема. Из этого следует, что на всех глубинах плотность жидкости практически одинакова и давление зависит только от высоты.

С газами всё намного сложнее , так как они сильно сжимаемы. А чем сильнее мы сожмём газ, тем больше станет его плотность, следовательно, он произведёт большее давление, так как давление газа создаётся ударами молекул о поверхность тела.

Около поверхности Земли все слои воздуха максимально сжаты слоями, которые находятся над ними. Но если мы будем подниматься, то слоёв воздуха, которые сжимают тот, где мы находимся, будет всё меньше и меньше, следовательно, плотность воздуха будет уменьшаться и давление из-за этого будет уменьшаться.

Если в небо запустили воздушный шар, то с высотой, давление воздуха на поверхность шара будет всё уменьшаться и уменьшаться. Это происходит потому, что уменьшается плотность и высота столба воздуха.

Наблюдения за атмосферным давлением показывают, что среднее давление столба ртути на уровне моря при 0°С равняется 760 мм рт. ст. = 1013 гПа. Это называют нормальным атмосферным давлением.

Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление.

В среднем, при подъёме на каждые 12 м атмосферное давление уменьшается примерно на 1 мм. рт. ст.

Если мы знаем зависимость давления от высоты, то по показаниям барометра мы можем определить, ни какой высоте над уровнем моря мы находимся. Для этого существует специальный тип барометра-анероида, который называется высотомер, который используется в авиации и при подъёмах на горы.