Вертикальный градиент давления и барическая ступень

Барические ступени

давление атмосферы непрерывно изменяется по вертикали и в горизонтальном направлении. По мере увеличения высоты места давление понижается, так как уменьшается столб воздуха и его плотность. Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа, называется барической (барометрической) ступенью. У земной поверхности при давлении 1000 гПа и температуре 0°С она равна 8 м/гПа. С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает, т. е. она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, – вертикальный барический градиент, т. е. изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0°С и давлении 1000 мб он равен 12,5 гПа.

Пространственное распределение атмосферного давления называют барическим полем. Распределение давления по вертикали изображается с помощью изобарических поверхностей – воображаемых поверхностей в атмосфере, соединяющих точки с одинаковым атмосферным давлением. На их расположение в пространстве большое влияние оказывает температура. При одинаковом давлении у земной поверхности одни и те же изобарические поверхности в теплом воздухе (например, на экваторе) лежат выше, чем в холодном (например, на полюсах). Это объясняется тем, что в холодном и более плотном воздухе давление с высотой уменьшается быстрее, т. е. барическая ступень там меньше, чем в теплом воздухе. Рельеф изобарических поверхностей в тропосфере показывается на специальных картах с помощью изогипс – линий равной высоты над уровнем моря, на которых лежит в данном месте та или иная изобарическая поверхность. Такие карты носят название карт абсолютной барической топографии (AT). В синоптической практике принято анализировать изобарические поверхности 850, 700, 500, 300 и 200 мб, лежащие соответственно на высотах около 1,5, 3, 5, 7 и 9 км.

Изменение давления на уровне моря показывается с помощью изобар – линий на карте, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря. Принято показывать изобары, кратные 5 мб, например 995, 1000, 1005, 1010 мб и т. д. Изобары, подобно горизонталям на топографических картах, могут иметь разнообразную конфигурацию. То же можно сказать и об изогипсах, которые, по сути дела, являются теми же горизонталями – линиями равных высот.

Изобары и изогипсы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называется барическим минимумом или циклоном. Система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называется барическим максимумом или антициклоном. На высоте в циклонах изобарические поверхности, не касающиеся поверхности Земли, прогнуты вниз в виде воронок и образуют замкнутые понижения, а в антициклонах, наоборот, выгнуты вверх в виде замкнутых куполов. Кроме замкнутых барических систем, у Земли и в тропосфере выделяются незамкнутые системы: ложбины, гребни и седловины.

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.