Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
1
Ciśnienie atmosferyczne
Ciśnienie atmosferyczne – jest to siła nacisku słupa powietrza o wysokości równej
wysokości atmosfery i o powierzchni jednostkowej.
Ciśnienie jest to siła ciężaru przypadająca na jednostkę powierzchni
S
F
p
]
[
]
[
]
[
2
m
N
Pa
gdzie:
F (siła) = m g
[g cm/s
2
]
m (masa) =V
[V (objętość) cm
3
; (gęstość) g/cm
3
]
Ostatecznie ciśnienie wyraża się wzorem:
S
g
V
p
Ciśnienie normalne – jest to takie ciśnienie atmosferyczne, które równoważy słup rtęci o
wysokości 760 mm przy temperaturze 0 C, na poziomie morza i na szerokości geograficznej
45 .
Jednostki:
mm Hg, hPa
1mm Hg = 1,33 hPa
1 hPa = 0,75 mm Hg
Poprawki barometryczne
Do pomiaru ciśnienia służą barometry. Pierwszy barometr skonstruował Toricelli w 1643r.
Przy obserwacjach meteorologicznych stosuje się barometry cieczowe, deformacyjne i
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
2
elektroniczne. Wskazania zależą nie tylko od ciśnienia atmosferycznego, ale także od wielu
innych czynników:
o
Temperatury rtęci i barometru
o
Wysokości n.p.m.
o
Szerokości geograficznej
o
Dokładności budowy barometru
W celu uzyskiwania porównywalności wyników pomiarów ciśnienia atmosferycznego
stosowane są następujące poprawki:
1. poprawka na temperaturę (c
t
)
Ma ona na celu wyeliminowanie wpływu temperatury na wskazania barometru. Jako
standardowy przyjmuje się pomiar ciśnienia w temperaturze 0 C. W związku z tym poprawka
ta przyjmuje następujące wartości:
Jeżeli t > 0 C, to c
t
< 0
t < 0 C, to c
t
> 0
2. poprawka na szerokość geograficzną (c )
Przyspieszenie siły ciężkości wzrasta od równika ku biegunom. Za standardową przyjmuje się
jego wartość odpowiadającą równoleżnikowi = 45 .
Jeżeli > 45 , to c > 0
< 45 , to c < 0
3. poprawka na wysokość bezwzględną (c
h
)
Przyspieszenie ziemskie maleje w miarę oddalania się os środka ciężkości Ziemi (tzn. w
miarę wzrostu wysokości bezwzględnej). Za standardową przyjmuje się jego wartość na
poziomie morza.
Jeżeli h > 0 m, to c
h
< 0
h < 0 m, to c
h
> 0
4. poprawka instrumentalna (c
i
)
Ma na celu wyeliminowanie niedokładności wykonania barometru na jego wskazania; jest
określana indywidualnie dla każdego barometru.
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
3
Na stacjach określa się poprawki:
-
poprawka na ciężkość normalną jest równa sumie poprawek, których wielkość
uzależniona jest od zmian przyspieszenia siły ciężkości, tzn. poprawki na szerokość
geograficzną i poprawki na wysokość bezwzględną
c
g
= c + c
h
-
poprawka stała jest równa sumie trzech poprawek, których wielkość na danej stacji
meteorologicznej nie ulega zmianie, tzn. poprawki na szerokość geograficzną, poprawki na
wysokość bezwzględną i poprawki instrumentalnej:
c
s
= c + c
h
+ c
i
- poprawka na temperaturę
Zmiany ciśnienia wraz z wysokością - Niwelacja Barometryczne
Niwelacją barometryczną nazywamy obliczenie różnicy wysokości dwóch punktów na
podstawie różnicy wartości ciśnienia atmosferycznego w tych punktach.
Wzór Babineta
_
2
1
2
1
1
)
(
2
8000
t
p
p
p
p
H
gdzie: p
1
, p
2
– ciśnienie atmosferyczne
_
t
- to średnia temperatura powietrza w tych punktach [= (t
1
+ t
2
)/2]
- współczynnik rozszerzalności objętościowej gazów = 1/273
Wzór Babineta nie uwzględnia zawartości pary wodnej w powietrzu oraz zmian siły
ciężkości, dlatego można go stosować tylko przy różnicach wysokości nie przekraczających
400 m, a wyniki otrzymywane przy jego użyciu cechują się mniejszą dokładnością niż w
przypadku niwelacji geodezyjnej 1m.
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
4
Wzór Laplace’a (stosowany przy dokładniejszych obliczeniach):
18400
)
10
14
,
3
1
(
)
2
cos
002644
,
0
1
(
377
,
0
1
)
003663
,
0
1
(
ln
7
2
1
z
z
p
e
t
p
p
m
m
gdzie: p
1
, p
2
– ciśnienie atmosferyczne
t
m
– średnia temperatura powietrza w C
e/p – średni stosunek ciśnienia pary wodnej do ciśnienia atmosferycznego między
dwoma poziomami
- szerokość geograficzna
z
m
– średnia wysokość nad poziomem morza
z – różnica wysokości w metrach
Stopień Baryczny
(wyraża wielkość zmian ciśnienia w pionie)
Stopień baryczny jest to różnica wysokości odpowiadająca zmianie ciśnienia
atmosferycznego o jednostkę.
Wielkość stopnia barycznego można wyznaczyć przekształcając wzór Babineta.
t
p
H
1
8000
'
Gradient Baryczny
Pionowy gradient baryczny – jest to wektor opisujący wielkość spadku ciśnienia na jednostkę
wysokości:
h
p
G
B
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
5
Redukcja Barometryczna
Ciśnienie atmosferyczne maleje wraz ze wzrostem wysokości n.p.m. Stacje meteorologiczne
położone są na różnych wysokościach. W związku z tym wyniki pomiarów ciśnienia
atmosferycznego obarczone są wpływem wysokości, różnym dla każdej stacji. Aby było
możliwe sporządzenie mapy rozkładu ciśnienia, wyniki jego pomiarów powinny być
zredukowane do określonego, stałego poziomu wysokości, za który przyjmuje się poziom
morza.
Redukcją barometryczną nazywamy obliczenie ciśnienia, jakie byłoby w danym punkcie,
gdyby znajdował się on na poziomie morza.
gdzie: H
s
– wysokość punktu pomiarowego
H’ – stopień baryczny
Mapa rozkładu ciśnienia atmosferycznego
Mapa rozkładu ciśnienia atmosferycznego wykreślana jest na podstawie
ciśnienia
zredukowanego do poziomu morza.
Izobary – są to linie styczności powierzchni izobarycznych z powierzchnią ziemi.
Powierzchnie izobaryczne – są to powierzchnie o jednakowych wartościach ciśnienia
atmosferycznego.
W oparciu o otrzymany układ izobar określa się położenie i rodzaj układu barycznego.
Rodzaje układów barycznych
p
H
H
p
s
z
'
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
6
Niż baryczny (cyklon) – układ ciśnienia o izobarach domkniętych, w którym ciśnienie
maleje w kierunku centrum układu.
Wyż baryczny (antycyklon) – układ ciśnienia o izobarach
domkniętych, w którym ciśnienie wzrasta w kierunku
centrum układu.
Zatoka niskiego ciśnienia – peryferyjna część niżu barycznego, w
której ciśnienie maleje w kierunku symetrii osi układu (obszar
atmosfery o obniżonym ciśnieniu położony pomiędzy dwoma
obszarami o ciśnieniu wyższym); przyjmuje kształt litery V.
Klin wysokiego ciśnienia – peryferyjna część wyżu barycznego, w której ciśnienie wzrasta
w kierunku osi symetrii układu (obszar atmosfery o podwyższonym ciśnieniu położony
pomiędzy dwoma obszarami o ciśnieniu niższym); przyjmuje kształt litery U.
Niż baryczny.
Wyż baryczny.
Zatoka niskiego ciśnienia.
Klin wysokiego ciśnienia.
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
7
1010
hPa
1005
hPa
1010
hPa
1005
hPa
1015
hPa
Bruzda niskiego ciśnienia – układ ciśnienia o izobarach otwartych, położony miedzy
między dwoma układami wysokiego ciśnienia, w którym ciśnienie maleje w kierunku osi
symetrii układu.
Bruzda niskiego ciśnienia.
Wał wysokiego ciśnienia – układ ciśnienia o izobarach otwartych, położony między dwoma
układami niskiego ciśnienia, w którym ciśnienie wzrasta w kierunku osi układu.
Wał wysokiego ciśnienia.
Siodło baryczne – obszar pola ciśnienia znajdujący się
pomiędzy dwoma układami wysokiego i dwoma układami
niskiego ciśnienia.
W
W
1010
hPa
1015
hPa
1010
hPa
1015
hPa
1005
hPa
W
W
N
N
Siodło baryczne
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
8
Rycina 1. Ruch powietrza w niżu i wyżu barycznym
Rycina 2. Główne układy baryczne na świecie w styczniu (źródło: http://www.wiking.edu.pl)
Ciśnienie atmosferyczne. Główne układy baryczne
Agnieszka Krzyżewska, Mateusz Dobek. Zakład Meteorologii i Klimatologii UMCS
9
Rycina 2. Główne układy baryczne na świecie w styczniu (źródło: http://www.wiking.edu.pl)