(d). Atmospheric Pressure

Introduction

Air is a tangible material substance and as a result has mass. Każdy obiekt z masą jest pod wpływem uniwersalnej siły znanej jako grawitacja. Prawo powszechnej grawitacji Newtona mówi, że dwa dowolne obiekty oddzielone od siebie w przestrzeni przyciągają się z siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Na Ziemi grawitacja może być również wyrażona jako siła przyspieszenia wynosząca około 9,8 metra na sekundę na sekundę. W wyniku działania tej siły, prędkość dowolnego obiektu spadającego w kierunku powierzchni Ziemi przyspiesza (1. sekunda – 9,8 metra na sekundę, 2. sekunda – 19,6 metra na sekundę, 3. sekunda – 29,4 metra na sekundę, i tak dalej) aż do osiągnięcia prędkości końcowej.

Grawitacja kształtuje i wpływa na wszystkie procesy atmosferyczne. Powoduje ona, że gęstość i ciśnienie powietrza maleją wykładniczo w miarę oddalania się od powierzchni Ziemi. Rysunek 7d-1 poniżej modeluje średnią zmianę ciśnienia powietrza wraz z wysokością nad powierzchnią Ziemi. Na tym wykresie ciśnienie powietrza na powierzchni jest przedstawione jako wynoszące około 1013 milibarów (mb) lub 1 kilogram na centymetr kwadratowy powierzchni.

Rysunek 7d-1: Zmiana średniego ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością.

Pomiar ciśnienia atmosferycznego

Każdy instrument, który mierzy ciśnienie powietrza, nazywany jest barometrem. Pierwszy pomiar ciśnienia atmosferycznego rozpoczął się od prostego eksperymentu przeprowadzonego przez Evangelistę Torricelliego w 1643 roku. W swoim eksperymencie Torricelli zanurzył rurkę, uszczelnioną na jednym końcu, w pojemniku z rtęcią (patrz rysunek 7d-2 poniżej). Ciśnienie atmosferyczne następnie zmuszony rtęci w górę do rury do poziomu, który był znacznie wyższy niż rtęci w pojemniku. Torricelli ustalono z tego eksperymentu, że ciśnienie atmosfery jest około 30 cali lub 76 centymetrów (jeden centymetr rtęci jest równa 13.3 milibary). Zauważył również, że wysokość rtęci zmienia się wraz ze zmianami zewnętrznych warunków pogodowych.

Barometr Torricellego

Rysunek 7d-2: Schemat przedstawiający konstrukcję barometru Torricellego.

Najczęstszym typem barometru używanym w domach jest barometr aneroidowy (rysunek 7d-3). Wewnątrz tego przyrządu znajduje się mała, elastyczna metalowa kapsułka zwana komórką aneroidową. W konstrukcji urządzenia wewnątrz kapsuły wytwarza się podciśnienie, tak że niewielkie zmiany ciśnienia powietrza na zewnątrz powodują rozszerzanie się lub kurczenie kapsuły. Rozmiar komory aneroidowej jest następnie kalibrowany, a każda zmiana jej objętości jest przenoszona przez sprężyny i dźwignie na ramię wskazujące, które wskazuje odpowiednie ciśnienie atmosferyczne.

Rysunek 7d-3: Barometr aneroidowy.

Dla celów klimatologicznych i meteorologicznych standardowe ciśnienie na poziomie morza wynosi 76,0 cm lub 29,92 cali lub 1013,2 milibarów. Naukowcy często używają kilopaskali (kPa) jako preferowanej jednostki do pomiaru ciśnienia. 1 kilopaskal jest równy 10 milibarom. Inną jednostką siły używaną czasem przez naukowców do mierzenia ciśnienia atmosferycznego jest niuton. Jeden milibar równa się 100 niutonom na metr kwadratowy (N/m2).

Ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi

Rysunek 7d-4 opisuje średnie miesięczne ciśnienie na poziomie morza dla powierzchni Ziemi. Animacja ta wskazuje, że ciśnienie powietrza na powierzchni zmienia się zarówno przestrzennie jak i czasowo. W miesiącach zimowych (od grudnia do lutego) obszary wysokiego ciśnienia rozwijają się nad środkową Azją (wyż syberyjski), u wybrzeży Kalifornii (wyż hawajski), w środkowej części Ameryki Północnej (wyż kanadyjski), nad Hiszpanią i północno-zachodnią Afryką rozciągającą się na podzwrotnikowy północny Atlantyk (wyż azorski) oraz nad oceanami na półkuli południowej w strefie podzwrotnikowej. Obszary niskiego ciśnienia występują tuż na południe od Wysp Aleuckich (Niż Aleucki), na południowym krańcu Grenlandii (Niż Islandzki) oraz na szerokościach geograficznych od 50 do 80° na południe.

W miesiącach letnich (od czerwca do sierpnia) znika szereg dominujących zimowych układów ciśnienia. Zniknął wyż syberyjski nad środkową Azją oraz dominujące układy niskiego ciśnienia w pobliżu Wysp Aleuckich i na południowym krańcu Grenlandii. Wyż hawajski i azorski nasilają się i rozszerzają na północ w kierunku swoich basenów oceanicznych. Układy wysokiego ciśnienia nad oceanami subtropikalnymi na półkuli południowej również nasilają się i rozszerzają na północ. Nowe obszary dominującego wysokiego ciśnienia rozwijają się nad Australią i Antarktydą (Południowy Wyż Polarny). Regiony niskiego ciśnienia tworzą się nad środkową Azją i południowo-zachodnią Azją (Niż Azjatycki). Te układy ciśnienia są odpowiedzialne za letnie deszcze monsunowe w Azji.

Przyglądniemy się tej grafice ponownie w temacie 7p, gdy omawiana będzie cyrkulacja globalna.