Сила Кориолиса. Измерение атмосферного давления

Согласно положениям общей теории атмосферной циркуляции, в силу разницы температур над экваториальными регионами земной поверхности возникают области низкого давления, а над полярными регионами — соответственно, высокого.

Это позволяет воздуху высокого давления распространяться с полюсов вдоль поверхности Земли по направлению к экватору. В то время как теоретическое направление циркуляции должно быть именно таким, на практике движение воздушных масс определяется несколькими факторами, наиболее важным из которых является вращение Земли.

Сила, вызываемая вращением Земли вокруг своей оси, называется силой Кориолиса. При ходьбе человек не ощущает воздействия этой силы, поскольку движется с малой скоростью и перемещается на относительно малые расстояния (в сравнении с размером и угловой скоростью вращения Земли). Однако сила Кориолиса оказывает существенное влияние на тела, перемещающиеся на значительные расстояния, — например, воздушные или водные массы.

Воздействие силы Кориолиса приводит к тому, что в северном полушарии массы воздуха отклоняются вправо, двигаясь не по прямой, а по искривлённой траектории. Величина этого отклонения меняется в зависимости от географической широты местности. У полюсов оно максимально, а у экватора снижается до нуля. Величина силы Кориолиса также зависит от скорости движущегося тела: чем выше скорость, тем больше отклонение.

В северном полушарии вращение Земли заставляет воздух смещаться вправо, тем самым изменяя теоретические направления циркуляции воздуха. Влияние вращения Земли приводит к тому, что первоначальный воздушный поток каждого полушария разделяется на три отдельные зоны, или ячейки (рис. 11-5).

В северном полушарии тёплый воздух вблизи экватора поднимается от земной поверхности, перемещается к северу и отклоняется к востоку вследствие вращения Земли. К тому моменту, когда воздух преодолеет третью часть расстояния от экватора до Северного полюса, он уже движется не на север, а на восток. При этом воздух постепенно охлаждается и опускается, образуя на широте 30° пояс высокого давления. Затем воздух начинает двигаться вдоль земной поверхности на юг, по направлению к экватору.

Сила Кориолиса отклоняет поток вправо, создавая пассатные ветра, преобладающие в области от широты 30° до экватора. Аналогичные процессы приводят к возникновению двух других ячеек циркуляции, охватывающих Землю между широтами 30° и 60° и между 60° и каждым из полюсов. В результате, например, в континентальной части США преобладают ветры западного направления.

Циркуляционные движения в атмосфере ещё более усложняются из-за сезонных изменений, различий в рельефе континентов и океанского дна и других факторов, таких, как силы трения, вызванные топографией Земли и тоже влияющих на перемещение воздушных масс.

К примеру, на высотах менее 600 м от земной поверхности трение между поверхностью Земли и атмосферой приводит к замедлению движения воздуха. Трение уменьшает силу Кориолиса, изменяя первоначальное направление ветра. Поэтому направления ветра у поверхности Земли и на высоте всего нескольких сотен метров часто не совпадают.

Измерение атмосферного давления. Атмосферное давления обычно измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. Ст.) или в дюймах ртутного столба («Hg). Для измерения чаще всего используется ртутный барометр (рис. 11-6).

Барометр измеряет высоту столбика ртути, находящейся в запаянной сверху стеклянной трубке. Нижний конец трубки опущен в сосуд с ртутью, открытой для воздействия атмосферы, которая давит на неё с определённой силой. Повышение давления приводит к тому, что уровень ртути в трубке поднимается.

При падении давления ртуть вытекает из трубки, и высота столбика уменьшается. Такие барометры обычно устанавливаются в лабораториях или на метеорологических станциях. Они трудны в транспортировке и неудобны для снятия показаний. Альтернативой ртутному является анероидный барометр, он удобнее в эксплуатации и транспортировке (рис. 11-7).

Анероидный барометр содержит запаянную ёмкость, называемую анероидной коробкой, которая сжимается или расширяется в зависимости от величины атмосферного давления. Посредством механической связи анероидная коробка соединяется с индикатором, который отображает величину давления. Воспринимающая давление часть высотомера любого ЛА, по сути, представляет собой анероидный барометр. Следует заметить, что, в силу погрешности передаточного механизма анероидного барометра, по точности он уступает ртутному.

Для обеспечения единого подхода к измерениям атмосферных параметров было введено понятие международной стандартной атмосферы (ISA). Эти стандартные условия положены в основу работы многих бортовых приборов и применяются при расчёте большей части лётно-технических характеристик любого ЛА. По определению, международной стандартной атмосфере соответствуют следующие условия: давление на уровне моря 1013 мб (760 мм рт. Ст. или 29,92 «Hg) и стандартная температура воздуха 15 °С (59 °F).

Коэффициенты преобразования между единицами измерения следующие: 1 мм рт. Ст. равен примерно 1,33 мб; 1 «Hg соответствует примерно 24 мб; 1 мм рт. Ст. равен приблизительно 0,039 «Hg. Величина атмосферного давления, как правило, находится в пределах от 950 до 1040 мб. Миллибары обычно используются в таблицах постоянного давления и отчётах о параметрах ураганов.

Поскольку метеорологические станции расположены по всему миру, местные значения барометрического давления приводятся к давлению на уровне моря, что позволяет достичь стандартизации при обмене данными. Для преобразования местного давления в давление на уровне моря к значению барометрического давления прибавляется приблизительно 1 мб для каждых 8 метров увеличения высоты (или 1 «Hg для каждых 1000 футов увеличения высоты).

Разность высот, соответствующая разнице давлений в 1 мб, называется барической ступенью. Например, метеостанция, находящаяся на высоте 5000 футов над уровнем моря, при показаниях барометра 24,92 «Hg передаст данные давления на уровне моря 29,92 «Hg (рис. 11-8).

Отслеживая тенденции изменения барометрического давления на большой территории, синоптики могут более точно прогнозировать движение значительных масс воздуха и связанные с этим погодные изменения. Например, тенденция к повышению давления в районе определённой метеорологической станции обычно означает скорое наступление ясной погоды. И наоборот, снижение или резкое падение давления, как правило, указывает на скорое ухудшение погоды и, возможно, приближение грозы или урагана.

Высота и атмосферное давление. С увеличением высоты атмосферное давление падает. В среднем на каждые 8 м увеличения высоты атмосферное давление падает на 1 мб. При снижении давления воздух становится менее плотным или «разрежённым». Снижение давления с увеличением высоты отражает величина, называемая высотой по плотности. С падением давления высота по плотности растёт, что существенным влияет на лётно-технические характеристики ЛА.

Температурные колебания приводят к изменению плотности воздуха, что, в свою очередь, означает изменение атмосферного давления. При этом в атмосфере происходят движения масс воздуха как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, которые имеют форму воздушных течений и ветров. Атмосфера практически постоянно находится в движении, стремясь прийти в состояние равновесия. Это никогда не прекращающееся движение представляет собой цепную реакцию, определяющую вечную изменчивость погоды.