Атмосферное давление — это сила, с которой воздух воздействует на поверхность Земли, обусловленная его весом. Оно уменьшается с высотой по нескольким причинам, связанным с физикой газов, структурой атмосферы и законами термодинамики.
1. Зависимость давления от высоты: общая тенденция
Атмосферное давление уменьшается с высотой, и это происходит по экспоненциальному закону. Причина этого в том, что с увеличением высоты количество воздуха (и, следовательно, масса) над вами уменьшается. Атмосфера состоит из различных газов (в основном, азота и кислорода), и с увеличением высоты эти газы становятся более разреженными.
Общая формула для давления:
P(h)=P0⋅e−MghRTP(h) = P_0 cdot e^{-frac{Mgh}{RT}}
где:
P(h)P(h) — давление на высоте hh,
P0P_0 — давление на уровне моря (около 1013,25 мбар),
MM — молекулярная масса воздуха (около 29 г/моль),
gg — ускорение свободного падения (приблизительно 9,81 м/с²),
hh — высота,
RR — универсальная газовая постоянная,
TT — температура воздуха (в Кельвинах).
Это экспоненциальное уменьшение объясняется тем, что с высотой понижается плотность воздуха, и количество молекул на определенном участке сечения (например, в кубическом метре) уменьшается. Это также означает, что с высотой частота столкновений молекул между собой и с поверхностью также уменьшается, что снижает давление.
2. Почему давление уменьшается с высотой?
Гравитационное притяжение: Атмосфера Земли держится за счет гравитации. Чем выше мы поднимаемся, тем меньше молекул и их масса находятся над нами, то есть вес воздуха, который оказывает давление, уменьшается. Это — основной фактор, почему давление снижается с высотой.
Разреженность воздуха: Атмосфера состоит из газов, и с высотой их плотность уменьшается, так как молекулы газа стремятся к состоянию меньшей плотности. Например, на уровне моря молекулы азота и кислорода более плотно упакованы, чем на высоте 5 км.
Температурные изменения: В разных слоях атмосферы температура меняется, что также влияет на давление. На определённых высотах, например в стратосфере, температура может увеличиваться с высотой, что влияет на распределение давления и плотности.
3. Как изменяется давление с высотой в атмосфере?
В нижних слоях атмосферы (до 11 км): В этом слое атмосферное давление сильно зависит от высоты. За каждые 100 м подъема давление уменьшается примерно на 12 мбар (при стандартных условиях). На уровне моря оно составляет 1013 мбар, а на высоте 5 км — уже около 540 мбар.
Скорость изменения давления: На высотах до 10–15 км атмосферное давление уменьшается почти в 10 раз. Затем, с высотой, снижение становится более плавным.
В стратосфере (с 20 км и выше): Изменение давления с высотой замедляется, и на высоте 20–30 км давление может быть всего лишь 1% от давления на уровне моря.
4. Состав атмосферы и давление
Атмосфера Земли состоит из нескольких слоёв, каждый из которых характеризуется различной температурой, давлением и плотностью:
Тропосфера: Это слой атмосферы, где происходит основная часть метеорологических явлений (облака, дожди, ветер). Атмосферное давление в этом слое наиболее высокое и резко уменьшается с высотой.
Стратосфера: Здесь давление падает медленно, и температура с высотой может увеличиваться, особенно из-за поглощения ультрафиолетового излучения солнца.
Мезосфера и термосфера: В этих слоях атмосферное давление очень низкое, и молекулы газа сильно разрежены.
5. Роль температуры и плотности в изменении давления
С температурой связано несколько эффектов:
Газы с увеличением температуры расширяются, а с уменьшением — сжимаются.
Температура воздуха влияет на его плотность. Чем выше температура, тем выше средняя скорость молекул, и тем менее плотен воздух.
На больших высотах температура воздуха постепенно падает (в тропосфере), что влияет на плотность и, следовательно, на давление. Например, на высоте 5 км температура может составлять около -20°C, что значительно снижает плотность воздуха.
6. Примерная зависимость давления от высоты в реальных условиях
На уровне моря давление 1013,25 мбар.
На высоте 1 км давление будет примерно 900 мбар.
На высоте 5 км давление снижается до примерно 540 мбар.
На высоте 10 км давление — 260 мбар.
На высоте 20 км давление — 50 мбар.
На высоте 50 км давление всего 1 мбар.
7. Практическое значение изменения давления с высотой
Климат и погодные явления: Атмосферное давление связано с погодой и климатом. Высокое давление обычно связано с ясной и сухой погодой, а низкое — с облачностью и дождями.
Влияние на людей: На высотах более 2500 м давление становится таким, что человек может столкнуться с гипоксией — недостатком кислорода. Это приводит к необходимости адаптации организма (например, увеличение количества красных кровяных клеток, что позволяет эффективнее переносить кислород).
Высокогорье: В горах атмосферное давление снижено, что требует от организма адаптации. Также при снижении давления уменьшается концентрация кислорода в воздухе.
Заключение
Таким образом, атмосферное давление с высотой уменьшается из-за разреженности воздуха, изменений температуры и гравитационного притяжения. Это уменьшение происходит экспоненциально, и наиболее выражено на первых 10–15 км.
