Что такое атмосферное давление

Воздух давит на каждую поверхность: это и есть атмосферное давление.

В прогнозе погоды рядом с температурой стоит ещё одно число: например, 1000 гПа или около 750 мм рт. ст. Оно относится к воздуху вокруг нас, но по одной цифре трудно понять, много это или мало. Давайте сначала почувствуем, откуда давление берётся, а потом разберёмся, что на самом деле показывает барометр и почему в горах два приложения могут давать разные значения для одного места.

В статье вы узнаете:

• Почему невидимый воздух давит на предметы
• Почему нас не раздавливает
• Как почувствовать разницу давлений
• Почему на горе давление ниже
• Как читать барометр и прогноз
• Почему показания станции и карты различаются

Что именно давит, если воздух невидим

Воздух состоит из молекул, которые непрерывно движутся и сталкиваются с предметами. Каждое столкновение передаёт совсем небольшой толчок. Столкновений очень много, поэтому их общее действие на поверхность оказывается заметным. Давление показывает, какая сила приходится на единицу площади. Это не особое вещество и не «сила, направленная только сверху».

Земля притягивает воздух и удерживает вокруг себя атмосферу. Верхние слои давят на нижние, поэтому у поверхности молекулы в среднем расположены теснее и давление обычно выше, чем на горе. Удобно представить столб воздуха над каждым квадратным сантиметром, но не стоит воображать неподвижный кирпич из воздуха. Молекулы движутся во все стороны, и давление действует на вертикальную стену и на нижнюю сторону предмета тоже. Такое объяснение через движение молекул и вес вышележащего воздуха даёт учебный материал Национальной метеослужбы США.

При стандартном давлении на каждый квадратный сантиметр поверхности приходится сила около 10 ньютонов, примерно как вес предмета массой один килограмм. Звучит страшно, если забыть о воздухе и жидкостях с другой стороны поверхности. Именно разница давлений заставляет стенку прогибаться.

Почему нас не раздавливает

Представьте пустую открытую бутылку. Воздух есть и снаружи, и внутри. Он давит на стенку с двух сторон, поэтому бутылка сохраняет форму. Если удалить из закрытой бутылки большую часть воздуха, снаружи останется прежнее атмосферное давление, а внутри оно станет меньше. Мягкая стенка втянется внутрь. Причина не в том, что давление снаружи вдруг «включилось». Изменился баланс.

С телом та же важная идея: жидкости и газы внутри создают встречное давление. Воздух окружает нас со всех сторон, ткани и внутренние жидкости поддерживают форму, поэтому постоянное внешнее давление не сплющивает тело. Именно сравнение давления снаружи и внутри важно для деформации. Об этом рассказывает материал NOAA об атмосфере.

Иногда разницу всё же удаётся почувствовать. В самолёте или на горной дороге давление окружающего воздуха меняется, а давление в полости среднего уха может подстроиться не сразу. Тогда закладывает уши. Человек реагирует на разницу по сторонам барабанной перепонки, а не на магическое достижение какой-то одной цифры «ниже нормы». Сходный принцип работает в присоске на гладком стекле: под ней остаётся меньше воздуха или давление ниже, а наружный воздух прижимает её к поверхности.

Хорошая проверка мысли: если в комнате давление одинаково по обе стороны обычного стекла, сила воздуха на одну сторону почти уравновешена силой на другую. При резкой разнице, например в герметичной камере, то же стекло пришлось бы рассчитывать на большую нагрузку. Поэтому вопрос «сколько килограммов воздуха давит на меня?» без второй стороны приводит к пугающему, но бесполезному числу.

Опыт со шприцем: почувствуйте разницу давлений

Нужен чистый небольшой шприц без иглы. С открытым носиком поставьте поршень на отметку примерно 2 мл: внутри останется воздух. Закройте отверстие пальцем и осторожно вытяните поршень до 4–5 мл. Сопротивление вырастет; если ослабить усилие, поршень обычно пойдёт назад. Уберите пальцы с его пути и не тяните резко. Теперь сравните с движением поршня на те же деления при открытом носике: воздух входит свободно, поэтому тянуть легче.

Когда носик закрыт, запертый воздух занимает больший объём, а его давление падает. Снаружи давление остаётся почти прежним и толкает поршень внутрь. Ваши пальцы, тянущие поршень наружу, соперничают именно с разностью давлений. Внутри при этом не образовалась идеальная пустота: воздух остался, да и трение уплотнения влияет на ощущение. Поэтому опыт показывает механизм, а не даёт точного измерения давления.

Если и с открытым отверстием поршень ходит туго, возьмите другой шприц: трение у них бывает разным. Не тяните до поломки. В опыте нет жидкости, нагрева и иглы.

Почему давление уменьшается с высотой

Поднимитесь от подножия к вершине горы. Воздух не исчезает, но над вами оказывается меньшая часть атмосферы. Вес вышележащего воздуха меньше, и давление снижается. Воздух на высоте обычно становится менее плотным: в том же объёме оказывается меньше молекул. Именно это стоит за бытовой фразой «разреженный воздух».

Представьте две одинаковые площадки, одну внизу долины, другую выше по склону. Над нижней находится больше воздуха, чем над верхней. Поэтому, даже если в обоих местах безветренно и солнечно, барометры покажут разные значения. Разница высот здесь важнее вида погоды. На одной и той же высоте давление тоже меняется, когда над местом перемещаются воздушные массы: поэтому барометр не застывает на одном показании.

Долина и вершина: два барометра, разная высота

Иногда дают правило вроде «один миллиметр ртутного столба на каждые десять метров подъёма». Это только грубая подсказка возле поверхности. Выше меняются плотность и температура воздуха, поэтому давление не убывает с высотой строго равными шагами. Для точной оценки нужны измерения или расчёт с учётом условий, а не одно умножение.

Пониженное давление само по себе не говорит, сколько кислорода в процентах в обычном воздухе. На высоте доля кислорода остаётся близкой к прежней, но общее число молекул в каждом вдохе меньше. Если хотите исследовать связь плотности газа с давлением и температурой в учебной модели, можно отдельно задать эти два параметра в калькуляторе плотности газа. Это модель выбранного газа, а не готовая оценка самочувствия на горе.

Как барометр получает число

Барометр измеряет давление окружающего воздуха. В современном электронном приборе чувствительный элемент немного деформируется под действием давления, а электроника превращает изменение в показание. Не всякий телефон имеет встроенный барометр; если приложение показывает давление без датчика, оно может брать сведения с метеостанции или из погодного сервиса. Поэтому местоположение и источник данных тоже важны.

Раньше давление часто измеряли высотой столба ртути. Отсюда название «миллиметры ртутного столба». В подробностях устройства и истории можно разобраться в статье почему у давления столько единиц. Для чтения сегодняшнего прогноза достаточно понять, что гПа и мм рт. ст. не обозначают два разных явления: они показывают одну величину в разных шкалах.

У барометра есть ещё одно полезное свойство: он фиксирует давление там, где стоит. На верхнем этаже показание совсем немного ниже, чем внизу того же дома; на вершине горы отличие уже существеннее. Цифровое значение в погодном приложении может быть не прямым местным измерением, а приведённым к общей высоте. Перед сравнением нужно узнать, какая цифра показана.

Что означают 760 мм рт. ст. и 1013 гПа

Стандартная атмосфера равна ровно 101 325 Па, то есть 1013,25 гектопаскаля; в шкале ртутного столба это 760 мм рт. ст. Такой ориентир удобен для физических расчётов и перевода единиц. Он не обещает, что барометр у вашего дома всегда должен показывать ровно 760. В горах фактическое давление ниже уже из-за высоты, а на одной высоте погода меняет его день ото дня.

Приставки помогают читать длинное число: 1 гПа = 100 Па, поэтому 1000 гПа = 100 000 Па. Один гектопаскаль численно равен одному миллибару. Значит, 1000 гПа и 1000 мбар в прогнозе совпадают. Если перевести 1000 гПа в мм рт. ст., получится примерно 750 мм. Это не «падение на 250 пунктов», а одна и та же физическая величина в разных единицах.

Проверьте на своём значении: в конвертере давления выберите гектопаскали как исходную единицу, введите число из прогноза и переведите его в миллиметры ртутного столба. Например, 1000 гПа даст около 750,06 мм рт. ст. При обратной проверке 760 мм рт. ст. вернут примерно 1013,25 гПа. Смотрите на название единицы возле числа, прежде чем сравнивать показания.

Большое число паскалей не означает, что «погода тяжёлая». Шкала просто мелкая: один паскаль равен одному ньютону на квадратный метр. Чтобы обойтись без пяти нулей, метеорологи используют гектопаскали. История, почему в быту прижились именно эти и ртутные единицы, интересна отдельно, но для реального прогноза важнее понять следующий вопрос.

Почему барометр и погодная карта могут не совпасть

Есть фактическое давление у станции: сколько давит воздух на её высоте. Есть давление, приведённое к уровню моря: расчёт того, какое число показал бы барометр, если бы станция стояла на уровне моря. Погодные карты часто показывают второе значение, чтобы можно было сравнить долину и горный город с одной точки отсчёта.

Представьте горную станцию, где датчик показывает около 900 гПа. На карте для того же района может быть около 1010 гПа после приведения к уровню моря. Это не обязательно ошибка и не мгновенное изменение воздуха. Первое число измерено на реальной высоте прибора, второе вычислено для сравнения с соседними районами. Поправка зависит от высоты и температуры, поэтому эти два числа приведены только как пример.

Проверяйте подпись в приложении или на карте: «давление на станции», «на вашей высоте», «приведено к уровню моря», sea-level pressure. Если подписи нет, не сопоставляйте домашний барометр и карту как две одинаковые меры. Сначала убедитесь, что совпадают высота отсчёта, время и единица. Это три проверки, которые полезнее поиска универсальной «нормы» для любого города.

Если сравнить фактическое давление на вершине и у берега, гора почти всегда будет казаться областью «низкого давления». Пересчёт к уровню моря убирает большую часть разницы из-за высоты. Тогда на карте лучше видно, где давление отличается из-за погоды.

Что давление рассказывает о погоде

Если на карте в одном районе давление выше, а в соседнем ниже, возникает сила, связанная с этим различием, и воздух начинает перемещаться. Так рождается ветер. На реальное направление влияют также вращение Земли и трение о поверхность; поэтому ветер на карте не обязан дуть строго по прямой от метки «высоко» к метке «низко». Подробнее этот механизм разобран в статье почему дует ветер.

Область низкого давления часто связана с восходящим воздухом, облаками и осадками, высокого - с опусканием воздуха и более ясной погодой. Но одна цифра барометра не является прогнозом дождя. Нужно учитывать расположение фронтов, влажность, движение воздушных масс и время года. Тем более нельзя заключить «завтра будет шторм» только потому, что домашнее давление отличается от 760 мм рт. ст.

Представьте, что один и тот же сервис показывает в вашем городе 1012 гПа вчера и 1004 гПа сегодня, оба раза с приведением к уровню моря. Разница составляет 8 гПа, давление упало. Это наблюдение говорит, что ситуация меняется; дальше смотрите прогноз ветра, облачности и осадков. Если вчера было 1012 гПа на карте, а сегодня домашний барометр показал 1004 гПа на вашей высоте, вы смешали два способа отсчёта, и вывод об изменении пока ненадёжен.

Для сравнения во времени выбирайте одно и то же место или сервис, одинаковую единицу и одинаковый тип давления. Для сравнения городов выбирайте значения, приведённые к общему уровню моря. Сравнение «мой барометр на горе против береговой станции» без такой поправки отвечает прежде всего на вопрос о высоте, а не о приближающемся циклоне.

Частые вопросы

Атмосферное и артериальное давление связаны? Это разные измерения. Барометр показывает давление окружающего воздуха; тонометр измеряет давление крови в артериях относительно окружающего давления. Одинаковая единица «мм рт. ст.» не делает показания барометра и тонометра взаимозаменяемыми.

Если давление ниже 760 мм, это всегда циклон? Нет. Сначала выясните высоту места и тип показания. На горе фактическое давление может быть заметно ниже стандартной атмосферы при разной погоде. О циклоне судят по карте давления, приведённого к общему уровню отсчёта, и по окружающей картине.

Воздух давит только сверху? Нет. Гравитация делает давление внизу больше, чем наверху, но молекулы движутся во все стороны. Поэтому воздух действует и на боковую стенку бутылки, и на её дно. Открытая бутылка держит форму, потому что внутри на стенку давит воздух тоже.

Нужно ли покупать барометр, чтобы следить за погодой? Нет. Достаточно открытого источника наблюдений с ясной подписью единиц и уровня отсчёта. Собственный прибор полезен, если хочется сравнивать изменения именно у себя дома, но точность зависит от его калибровки и места установки.

Главное

Атмосферное давление создаёт воздух, который движется, сталкивается с поверхностями и удерживается возле Земли гравитацией. При обычных условиях нас не сминает, потому что есть встречное давление внутри тела; особенно заметна именно разность давлений. С высотой значение падает, поэтому 760 мм рт. ст. является стандартным ориентиром, а не обязательной цифрой для каждого города. Откройте свой прогноз и проверьте три вещи: единицу, высоту отсчёта и изменение относительно вчерашнего дня. После этого число на барометре начнёт что-то объяснять.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.