Атмосферное давление

Что такое атмосферное давление

Частицы воздуха притягиваются к Земле гравитационной силой. Из-за многослойности атмосферы каждый ее слой оказывает давление на нижний, из-за чего плотность воздуха и давление на низких уровнях значительно выше. Весь воздух на планете весит 51 х 1014 тонн. На человека в среднем оказывается давления воздуха весом 15 тонн.

Колебания атмосферного давления говорят о прогнозируемой погоде. Например, если давление опускается ниже нормы, чаще всего ожидается пасмурная погода и дождь. Высокое давление может говорить о солнечной погоде.

Единица измерения мм рт. ст. произошла от способа измерения давления воздуха при помощи барометра. Классический представитель барометра способен уравновесить давление с помощью столбика жидкости (ртути). Это вещество оказалось подходящим из-за своей высокой плотности и низкого давления насыщенного пара при комнатной температуре.

Способ измерения атмосферного давления предложил в XVII веке итальянский ученый Эванджелиста Торричелли. Опыт ученого заключался в следующем: Торричелли взял стеклянную трубку длиной около 1 м, которая была запаяна с одного края, и наполнил ее ртутью. Ученый плотно закрыл открытое отверстие трубки и, перевернув ее, опустил в чашу с налитой заранее ртутью. Торричелли открыл отверстие трубки и наблюдал, как одна часть ртути оказалась в емкости, а другая осталась в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, оказалась равной примерно 760 мм, а остальное пространство занимал воздух. Ученый пришел к выводу, что высота столба ртути говорит о давлении, которое она производит; оно, в свою очередь, равняется атмосферному давлению.

Как влияет состав атмосферы на давление

Состав атмосферы включает в себя большое количество газов:

1. Азот — 78,08%.
2. Кислород — 20,95%.
3. Аргон — 0,93%.
4. Углекислый газ — 0,03%.
5. Неон — 0,0018%.
6. Гелий — 0,0005%.
7. Криптон — 0,0001%.
8. Водород — 0,00005%.
9. Ксенон — 0,000009%.

Атмосфера состоит из нескольких слоев, первый из которых называется пограничным и составляет толщину 1-2 км. Остальные слои поднимаются до космического пространства в такой последовательности:

1. Тропосфера. В тропосфере содержится порядка 80% всего атмосферного воздуха. Верхняя граница этого слоя может располагаться на высоте от 8 до 18 км.
2. Стратосфера. На нее приходится 20% от общего объема воздушного запаса. Стратосфера располагается на высоте от 11 до 50 км.
3. Мезосфера. Слой атмосферы располагается на высотах от 40-50 до 80-90 км.
4. Термосфера. Слой атмосферы, нижняя граница которого 80-90 км, а верхняя — 800 км.
5. Экзосфера. Внешний слой земной атмосферы, который находится выше отметки в 700-800 км.

Каждый слой атмосферы отличается плотностью. С повышением высоты над Землей слои атмосферы теряют свою плотность, поэтому давление также снижается. 

Чему равно нормальное давление в паскалях

За 1 Па принято такое давление, которое создается силой 1 Н, приходящейся на участок в 1 м². Данные единицы измерения связаны между собой, что можно наблюдать на примере давления жидкости (ртути).

Давление столба жидкости устанавливается по следующей формуле:

\(p\;=\;\rho gh\)

где:

• h — высота столба жидкости, м;
• p — давление в жидкости на глубине h, Паскаль;
• g — ускорение свободного падения, 9.81 м/c²;
• ρ — плотность жидкости, кг/м³.

Так как плотность ртути ρ = 13600 кг/м³, а длина столбика с жидкостью равна 760 мм, то:

\(p=13600\;кг/м^3\times9,83\;Н/кг\times0,76\;м=\;101292,8\;Па\)

Для записи значения давления в Паскалях необходимо учитывать, что 1 мм рт.ст. = 133,3 Па.

Как влияет на человека

Человеческий организм нормально функционирует при атмосферном давлении 750 мм. рт. ст. Изменение этого показателя негативно сказывается на самочувствии и вызывает определенные симптомы. Например, повышенное давление может привести к ушной задолженности, боли во всем теле. Пониженное давление также вызывает неприятные ощущения и телесную боль.

Также самочувствие человека зависит от высоты, на которой он находится:

1. 1-2 км. Нормальное самочувствие, высота никак не влияет на физиологические отклонения.
2. 2-4 км. На данной высоте могут возникать отклонения в сердечно-сосудистой системе. У человека могут появиться проблемы с органами чувств.
3. 4-5 км. Самочувствие значительно может ухудшиться.
4. 6-8 км. Высота серьезно влияет на здоровье. Данная зона считается критической.
5. 8 и более км. Высота считается смертельной. Человек может находиться в этой зоне без кислорода только около 3 минут.

Зависимость самочувствия от высоты происходит из того, что повышение атмосферного давление сопровождается поглощением газов, а понижение — их выделением, что вызывает закупорку сосудов.

Возможные реакции артериального давления на изменение атмосферного давления (АД):

• повышение АД приводит к повышению артериального (свойственно для гипотоников);
• изменение АД приводит к незначительному изменению артериального;
• снижение АД приводит к росту артериального (свойственно для гипертоников).

Аномально высокое атмосферное давление вызывает ухудшение самочувствия. Основные группы риска:

1. Патологии сердца и сосудов (высокое АД нарушает кровообращение, становится одной из причин прединфарктного и прединсультного состояния).
2. Кожные заболевания (высокое АД сушит кожу, становится причиной ее шелушения, язв, дерматозов).
3. ХОБЛ (обструктивная болезнь легких).
4. Астма, хронические бронхиты.
5. Поражения ЦНС (высокое АД повышает риск рецидива).
6. Психические отклонения (высокое АД может стать фактором, провоцирующим психозы, обострения шизофрении и депрессивно-маниакальных состояний).

Измерение атмосферного давления

Существует несколько видов барометров:

1. Чашечный ртутный барометр. Устройство называется чашечным, так как открытый конец вертикально расположенной трубки погружается в чашу со ртутью. На стеклянной трубке прибора прикреплена шкала с делениями для того, чтобы вести отсчет высоты столбика ртути. Под давлением воздуха ртуть поднимается или опускается, что говорит об изменении атмосферного давления.
2. Ртутный сифонный барометр. У этого устройства есть барометрическая трубка, которая закреплена на доске со шкалой, градуированной в миллиметрах ртутного столба. К низу трубка изогнута на 180°. Верхний, более длинный, левый конец трубки запаян, а правый, более короткий, открыт и сообщается с атмосферой. Если давление повышается, то уровень ртути у открытого конца трубки становится ниже, у запаянного — выше. При повышении ртути занимается пространство верхней части трубки.
3. Барометр-анероид. Данный прибор действует благодаря изменению размеров металлической коробки, наполненной разреженным воздухом, под действием атмосферного давления. В конструкции барометра отсутствуют жидкости; он небольшой и удобен в использовании. Минус анероида заключается в подверженности влиянию температуры окружающей среды, из-за чего со временем может изменять упругость его пружин. Из-за этого недостатка современные устройства оборудованы дугообразным термометром, который поправляет показания прибора с учетом температуры.
4. Барограф. Данное устройство способно автоматически записывать изменения внешней среды. Анероидный барограф состоит из гафрированных коробок, которые изменяются под воздействием давления, передаточного механизма, барабана с часовым механизмом и корпуса. Прибор осуществляет запись с помощью диаграммной ленты и пера. Часто такие приспособления использовались в плавании для предсказания погоды. Кривая барограммы могла обозначать выпуклость, обращенную вверх, что говорило о быстром понижении давления и ухудшении погоды. Обозначение выпуклости, обращенной вниз, говорило о медленном понижении показателя и ослаблении ветренности, улучшения погодных условий. Показания прибора могут регистрироваться каждый час, а при интенсивном изменении внешний условий промежутки регистрации сокращаются.
5. Электронный барометр. Данный прибор считается самым современным на рынке барометров. Принцип работы устройства основывается на преобразовании линейных показателей обычного барометра-анероида в электронный сигнал, который обрабатывается микропроцессором и выводится на жидкокристаллический экран. Прибор небольшой по размеру и удобен в использовании; часто приобретается для туризма, рыбалки, дачи, поездок.