Атмосферное давление и плотность воздуха

С давних пор принято выражать атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба, это связано с устройством основного прибора для его измерения – ртутного барометра. В этом приборе, известном из школьного курса физики, атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути; по изменениям высоты ртутного столба можно судить об изменениях.

Классические опыты Торричелли (1643 г.) показали, что среднее (нормальное) давление атмосферного воздуха у земной поверхности на уровне моря уравновешивает давление столба ртути высотой 760 мм (0.76 м). Плотность ртути (ρ_рт) равна 13590 кг/м³. Если учесть, что плотность воды 1000 кг/м³, получим, что слой воды, который уравновешивает атмосферное давление, равен 0,76´(13590 / 1000) = 10,33 м.

Другой принцип измерения атмосферного давления, широко применяемый в таких приборах, как анероиды, барографы, метеорографы, радио­зонды, основан на деформациях упругой и пустой внутри металлической коробки при изменениях внешнего давления [85]. Приборы этого типа градуируются по показаниям ртутного барометра (рис. 1.2).

В СИ (Международная система единиц) давление измеряется в паскалях (Па). Среднюю величину атмосферного давления в Паскалях можно рассчитать, определив силу тяжести (G) столба ртути высотой h = 0.76 м и сечением w = 1 м²: G = (w ´ h) ´ ρ_рт ´ g =101322 (Па), где g – ускорение силы тяжести.

С учетом этих данных, зная площадь земной поверхности и превышение материков над уровнем моря, можно вычислить общий вес всей атмосферы. Общая масса атмосферы немного больше 5 ´ 10²¹ г, или 5 ´ 10¹⁵ т, что примерно в миллион раз меньше, чем масса собственно Земного шара. При этом половина всей массы атмосферы находится в ее нижнем слое толщиной 5 км, три четверти – в слое толщиной 10 км и 95 % – в нижнем слое толщиной 20 км.

В метеорологии используется единица давления – миллибар (мб), или гектопаскаль(гПа) (1 гектопаскаль = 1 миллибар = 100 паскаль). Давление в 1 гПа эквивалентно давлению 0.76 мм ртутного столба. Среднее атмосферное давление у поверхности Земли на уровне моря равно 1013 гПа (колеблется от 919 – до 1106 гПа). С высотой давление быстро падает, и на отметке 50 км уже составляет около 1.0 гПа, а на высоте 100 км – менее 0.001 гПа.