Атмосферное давление. Воды суши. Водохранилища. Болото

Содержание

Глава I Атмосферное давление

1. Единицы измерения давления
2. Нормальное давление
3. Изменение давления с высотой
4. Барическая ступень и вертикальный градиент давления
5. Распределение давления у земной поверхности и его причины
6. Центры действия атмосферы

  Глава II Воды суши. Водохранилища. Болото.

1. Водохранилища. Особенности строения их котловин. Баланс воды и режим водохранилищ. Влияние водохранилища на окружающие ландшафта.
2. Болота. Образование болот. Типы болот. Болота как особые природные системы. Водный баланс болот. Термический режим болот. Осушение и использование болот. Закономерности в распространении болот. Охрана болот.

Список  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава I Атмосферное давление

     Атмосферное давление — это сила давления воздушного столба на единицу площади. Исчисляется  оно в килограммах на 1 см2 поверхности, но так как раньше оно измерялось только ртутными манометрами, то условно принято выражать эту величину в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Нормальным атмосферным давлением является 760 мм рт. ст., или 1,033 кг/см2, что принято считать за одну атмосферу (1 ата).

     При выполнении отдельных видов работ  иногда приходится работать при повышенном или пониженном атмосферном давлении, причем эти отклонения от нормы иногда бывают в значительных пределах (от 0,15— 0,2 ата до 5 — 6 ата и более).

Единицы измерения атмосферного давления

Атмосфера, окружающая земной шар, оказывает давление на поверхность земли и на все  предметы, находящиеся над землей. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха, простирающегося до внешней периферии атмосферы  и имеющего сечение 1 см².

Атмосферное давление впервые измерил итальянский  ученый Эванджелиста Торричелли в 1644 году. Прибор представляет собой U-образную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца и заполненную ртутью. Так как в верхней части трубки воздуха нет, то давление ртути в трубке создается только весом столбика ртути в трубке. Таким образом, атмосферное давление равно давлению столбика ртути в трубке и высота этого столбика зависит от атмосферного давления окружающего воздуха: чем больше атмосферное давление, тем выше столбик ртути в трубке и, следовательно, высота этого столбика может быть использована для измерения атмосферного давления.

Нормальным  атмосферным давлением (на уровне моря) принято значение 760 мм ртутного столба (мм. рт. ст.) при температуре 0°С. Если давление атмосферы, например, 780 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.

Наблюдая  день за днем за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что  эта высота меняется, причем изменения  атмосферного давления как-то связаны  с изменением погоды. Прикрепив рядом  с трубкой вертикальную шкалу  Торричелли получил простой прибор для измерения атмосферного давления – барометр. Позже стали измерять давление с помощью барометра-анероида ("безжидкостный"), в котором не используется ртуть, а давление измеряется с помощью металлической пружинки. На практике перед снятием показаний необходимо слегка постучать пальцем по стеклу прибора для преодоления трения в рычажной передаче.

На основе трубки Торричелли сделан станционный чашечный барометр, который является основным прибором для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях в настоящее время. Он состоит из барометрической трубки диаметром около 8 мм и длиной около 80 см, опущенной свободным концом в барометрическую чашку. Вся барометрическая трубка заключена в латунную оправу, в верхней части которой сделан вертикальный разрез для наблюдения мениска ртутного столба.

При одном  и том же атмосферном давлении высота ртутного столба зависит от температуры и ускорения свободного падения, которое несколько меняется в зависимости от широты и высоты над уровнем моря. Чтобы исключить  зависимость высоты ртутного столба в барометре от этих параметров, измеренную высоту приводят к температуре 0°С и ускорению свободного падения на уровне моря на широте 45° и, введя инструментальную поправку, получают давление на станции.

В соответствии с международной системой единиц (система СИ) основной единицей для  измерения атмосферного давления является гектопаскаль (гПа), однако, в обслуживании ряда организаций разрешается применять  старые единицы: миллибар (мб) и миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.).

1 мб = 1 гПа; 1 мм рт.ст. = 1.333224 гПа

Пространственное  распределение атмосферного давления называется барическим полем. Барическое поле можно наглядно представить с помощью поверхностей, во всех точках которых давление одинаково. Такие поверхности называются изобарическими. Для получения наглядного представления о распределении давления на земной поверхности строят карты изобар на уровне моря. Для этого на географическую карту наносят атмосферное давление, измеренное на метеорологических станциях и приведенное к уровню моря. Затем точки с одинаковым давлением соединяют плавными кривыми линиями. Области замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называются барическими максимумами или антициклонами, а области замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называются барическими минимумами или циклонами.

Атмосферное давление в каждой точке земной поверхности  не остается постоянным. Иногда давление меняется во времени очень быстро, иногда же оно довольно долго остается почти неизменным. В суточном ходе давления обнаруживаются два максимума  и два минимума. Максимумы отмечаются около 10 и 22 часов по местному времени, минимумы около 4 и 16 часов. Годовой  ход давления сильно зависит от физико-географических условий. Над континентами этот ход  заметнее, чем над океанами. 

Нормальное  атмосферное давление

     Так как воздух имеет массу и вес, он оказывает давление на соприкасающуюся  с ним поверхность. Подсчитано, что  столб воздуха высотой от уровня моря до верхней границыатмосферы давит на площадку в 1 см с такой же силой, как и гиря в 1 кг 33 г. Человек и все другие живые организмы не чувствуют этого давления, так как оно уравновешивается их внутренним давлением воздуха. При подъеме в горах уже на высоте 3000 м человек начинает чувствовать себя плохо: появляется одышка, головокружение. На высоте более 4000 м может пойти кровь из носа, так как разрываются кровеносные сосуды, иногда человек даже теряет сознание. Все это происходит потому, что с высотой атмосферное давление уменьшается, воздух становится разреженным, уменьшается количество кислорода в нем, а внутреннее давление у человека не изменяется. Поэтому в самолетах, летающих на большой высоте, кабины закрыты герметически, и в них искусственно поддерживается такое же давление воздуха, как и у поверхности Земли. Измеряется давление с помощью специального прибора — барометра — в мм ртутного столба.

Установлено, что на уровне моря на параллели 45°  при температуре воздуха 0°С атмосферное давление близко к тому давлению, какое производит столб ртути высотой 760 мм. Давление воздуха при таких условиях называют нормальным атмосферным давлением. Если показатель давления больше, то оно считается повышенным, если меньше — пониженным. При подъеме в горы на каждые 10,5 м давление уменьшается примерно на 1 мм ртутного столба. Зная, как изменяется давление, с помощью барометра можно вычислить высоту места.

Давление  изменяется не только с высотой. Оно  зависит от температуры воздуха и от влияниявоздушных масс. Циклоны понижают атмосферное давление, а антициклоны его повышают.

Изменение давления с высотой

     Давление  воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости  от различных процессов, происходящих в атмосфере. «Нормальным» атмосферным  давлением условно считается  давление, равное 760 мм рт. ст., т. е. одной (физической) атмосфере.

Давление  воздуха на уровне моря во всех пунктах  земного шара близко в среднем  к одной атмосфере. Поднимаясь вверх  от уровня моря, мы заметим, что давление воздуха уменьшается; соответственно убывает его плотность: воздух становится все более и более разреженным. Если открыть на вершине горы сосуд, который был плотно закупорен  в долине, то часть воздуха из него выйдет. Наоборот, в сосуд, закупоренный на вершине, войдет некоторое количество воздуха, если его открыть у подножья горы. На высоте около 6 км давление и  плотность воздуха уменьшаются  примерно вдвое. 
Каждой высоте соответствует определенное давление воздуха; поэтому, измеряя (например, при помощи анероида) давление в данной точке на вершине горы или в корзине аэростата и зная, как изменяется атмосферное давление с высотой, можно определить высоту горы или высоту подъема воздушного шара. Чувствительность обычного анероида 
 
Рис. 295. Самолетный альтиметр. Длинная стрелка отсчитывает сотни метров, короткая — километры. Головка К позволяет подводить нуль циферблата под стрелку на поверхности Земли перед началом полета 
настолько велика, что стрелка указателя заметно передвигается, если поднять анероид на 2—3 м. Поднимаясь или опускаясь по лестнице с анероидом в руках, легко заметить постепенное изменение давления. Такой опыт удобно производить на эскалаторе станции метро. Часто градуируют анероид непосредственно на высоту. Тогда положение стрелки указывает высоту, на которой находится прибор. Такие анероиды называют альтиметрами (рис. 295). Ими снабжают самолеты; они позволяют летчику определять высоту своего полета. Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровне моря сжат весом всей атмосферы Земли, а более высокие слои атмосферы сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере или в любом другом газе, находящемся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление в жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу вверх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице. 
 
Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другой, чем для жидкостей. В самомделе, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат будем откладывать высоты h, 2h, 3h и т. д. над каким-нибудь уровнем (например, над уровнем моря), а по оси абсцисс — давление р (рис. 296). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты h. Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты h, равный rgh. Но с увеличением высоты плотность воздуха убывает. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме вверх давление будет убывать неравномерно: на малой высоте, где плотность воздуха больше, давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем медленнее уменьшается давление.

В нашем  рассуждении мы считали, что давление во всем слое толщины h одно и то же; поэтому мы получили на графике ступенчатую (штриховую) линию. Но, конечно, убывание плотности при подъеме на какую-нибудь определенную высоту происходит не скачками, а непрерывно; поэтому в действительности график имеет вид плавной линии (сплошная линия на графике). Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией. 
Для небольших по высоте объемов воздуха (комната, воздушный шар) достаточно пользоваться маленьким участком графика; в этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости. В самом деле, при малом изменении высоты плотность воздуха меняется незначительно.

Если  имеется некоторый объем какого-либо газа, отличного от воздуха, то в  нем давление также убывает снизу  вверх. Для каждого газа можно  построить соответствующий график. Ясно, что при одном и том  же давлении внизу давление тяжелых  газов будет убывать с высотой  быстрее, чем давление легких газов, так как столбик тяжелого газа весит больше, чем столбик легкого  газа той же высоты.

 
Барическая ступень  и вертикальный градиент давления

     Вертикальный  градиент зависит, в первую очередь  от самого давления, а также температуры  воздуха. Поэтому в нижнем слое атмосферы  давление наибольшее, особенно при  низких температурах. Барическая ступень  — это высота, на которую нужно  подняться или опуститься, чтобы  давление изменилось на 1 мб. Одним из частных решений основного уравнения статики является барометрическая формула Лапласа, учитывающая влажность воздуха и зависимость ускорения силы тяжести от высоты и широты места. По этой формуле можно определить превышение одного пункта над другим на определенной географической широте, располагая наблюдениями над давлением, температурой воздуха и упругостью водяного пара в рассматриваемых пунктах. Формула Лапласа, дающая высокую точность расчетов, часто используется в более упрощенном виде — допускают, что воздух сухой, и не учитывают зависимость ускорения силы тяжести от широты и высоты. Зная две из трех входящих в барометрическую формулу величин (давление, температура, высота), нетрудно определить третью. Таким образом высота двух пунктов вычисляется с точностью до 1 м. И хотя это можно сделать с помощью геодезических методов, по барометрической формуле и метеорологическим наблюдениям проще и быстрее, что особенно важно в горных районах. Можно также вычислить распределение давления по высоте и решить задачу приведения давления к уровню моря и ряд других практически важных задач. 
Для существования человека убывание давления с высотой имеет очень большое значение. На больших высотах у человека наступает так называемая горная болезнь — гипоксия, или кислородное голодание, т. е. кровь здесь недостаточно насыщается кислородом. Люди не могут селиться выше 5200 м — этот предел зафиксирован в Перу. В Индии встречаются поселения на высоте до 4000 м. Выше 7000 м человек не может жить и работать без кислородной маски. Лишь некоторые птицы поднимаются до высоты 7—9 км.