как изменяется атмосферное давление при подъеме на высоту

Атмосферное давление — это сила, с которой воздух давит на поверхность Земли. Оно зависит от множества факторов, но в первую очередь от высоты над уровнем моря. При подъеме на высоту атмосферное давление снижается, и этот процесс имеет четкую закономерность, которую можно объяснить через несколько основных физических принципов.

1. Основные причины снижения давления с высотой:

Атмосфера Земли состоит из множества газов, в основном азота (78%) и кислорода (21%), а также углекислого газа, водяного пара и других веществ в меньших количествах. Атмосферное давление объясняется весом этой массы воздуха. На уровне моря атмосфера имеет максимальную плотность, а следовательно и давление. Чем выше мы поднимаемся, тем меньше воздуха остается «над нами», и, соответственно, меньше его масса, которая оказывает давление на поверхность.

Основные причины снижения давления:

• Снижение плотности воздуха: С увеличением высоты воздух становится разреженным, молекулы воздуха находятся дальше друг от друга, а значит, меньше молекул взаимодействуют с поверхностью.

• Гравитационное воздействие: На уровне моря воздух более сжато распределен из-за силы тяжести. Чем выше, тем слабее это воздействие, и воздух теряет свою плотность.

• Температурные эффекты: С высотой температура воздуха обычно понижается (хотя в стратосфере и выше могут быть другие закономерности), что также влияет на его плотность.

2. Зависимость давления от высоты (кривая давления):

Атмосферное давление с высотой уменьшается экспоненциально, и это можно описать формулой барометрического уравнения:

$$P(h)=P_0\cdot \exp \left(\frac{-Mgh}{RT}\right)$$

где:

• $P(h)$ — атмосферное давление на высоте $h$,

• $P_0$ — давление на уровне моря,

• $M$ — молекулярная масса воздуха,

• $g$ — ускорение свободного падения,

• $h$ — высота,

• $R$ — универсальная газовая постоянная,

• $T$ — температура воздуха.

Эта формула объясняет, что давление на высоте $h$ резко падает с увеличением высоты. Однако изменение давления с высотой зависит также от температуры, которая может варьироваться в зависимости от региона и времени года.

3. Температурная зависимость:

Температура воздуха и высота также сильно взаимосвязаны. В troposphere (первый слой атмосферы, до высоты 8-15 км) температура воздуха обычно снижается на 6,5°C на каждый километр подъема. Это также способствует уменьшению плотности воздуха и снижению давления. В стратосфере ситуация меняется — температура начинает повышаться с высотой, что может замедлить падение давления.

4. Практическое уменьшение давления с высотой:

• На уровне моря: Среднее атмосферное давление составляет около 1013 гПа (гектопаскаля) или 1 атм.

• На высоте 1 км (1000 м): Давление снижается примерно до 900 гПа. Это приблизительно 89% от давления на уровне моря.

• На высоте 5 км (5000 м): Давление составляет около 540 гПа, то есть примерно 53% от давления на уровне моря.

• На высоте 10 км (10000 м): Давление снижается до 260-300 гПа, что равно примерно 25-30% от уровня моря.

• На высоте 15 км: Давление будет около 200 гПа или 20% от уровня моря.

• На высоте 30 км: Давление в стратосфере может снизиться до 30-40 гПа.

5. Почему это важно?

Снижение давления на высоте имеет несколько важных последствий:

• Кислород: Чем выше, тем меньше молекул кислорода в воздухе, и это делает дыхание более затрудненным. На высоте 5000 м содержание кислорода в воздухе составляет примерно 50% от уровня на уровне моря. Это вызывает гипоксию — дефицит кислорода в организме.

• Физиологические эффекты: На больших высотах снижение давления может привести к заболеваниям, таким как горная болезнь, которая вызывает головные боли, тошноту, головокружение и слабость.

• Технологические аспекты: Авиаперелеты, высокогорные исследования и альпинизм также зависят от изменений давления. Например, в кабине самолетов создается искусственное давление, чтобы компенсировать разреженность воздуха на больших высотах.

6. Практическая часть — как измеряется давление:

Атмосферное давление можно измерить с помощью барометров, которые бывают различных типов:

• Ртутный барометр: Использует столбик ртути, который колеблется в зависимости от изменений давления.

• Мембранный барометр: Использует чувствительную мембрану, которая изгибается при изменении давления, и это движение преобразуется в числовое значение.

7. Как мы компенсируем падение давления:

Когда человек или животное поднимается на большую высоту, организм начинает адаптироваться к изменяющимся условиям. Например, у альпинистов и людей, которые поднимаются на большие высоты, часто возникает необходимость акклиматизации — процесса, при котором организм постепенно адаптируется к меньшему количеству кислорода.

В некоторых случаях, например, на борту самолета, давление в салоне поддерживается искусственно на уровне 2000-3000 метров, чтобы избежать слишком сильных изменений в организме пассажиров.

Таким образом, атмосферное давление на высоте изменяется согласно естественным физическим законам, и это изменение имеет широкие последствия как для природных явлений, так и для человеческой деятельности.