Ciśnienie
atmosferyczne
1.Definicje:
Ciśnienie atmosferyczne jest to siła nacisku słupa powietrza o wysokości
równej wysokości atmosfery od danego poziomu do jej górnej granicy i o
powierzchni jednostkowe.
Może być też:
a) Ciśnienie atmosferyczne to ciśnienie wywierane przez ciężar atmosfery.
b) Ciśnienie atmosferyczne określa nacisk słupa atmosfery na jednostkę
powierzchni Ziemi
c) Ciśnienie atmosferyczne jest siłą wywieraną na jednostkę powierzchni
Cząsteczki gazów składających się na powietrze wywierają ciśnienie we
wszystkich kierunkach. Najwyższe ciśnienie jest przy powierzchni ziemi
ponieważ jest wywierane przez całe powietrze zawarte w słupie o jednostkowej
podstawie.
Wartość ciśnienia zależy od:
1. wysokości słupa atmosfery znajdującego się nad powierzchnią pomiaru,
2. gęstości powietrza znajdującego się w słupie atmosfery nad powierzchnią
pomiaru,
3. wartości przyspieszenia ziemskiego (siły ciężkości)
Ciśnienie normalne jest to ciśnienie, które równoważy słup rtęci o
wysokości 760mm, w temperaturze 0 C, na poziomie morza, na 45
szerokości geograficznej.Jako pierwszy pomiaru ciśnienia atmosferycznego dokonał
Toricelli w 1643 roku. Toricelli uważany jest też za twórcę
pierwszego barometru rtęciowego
Jednostki ciśnienia atmosferycznego
a) milimetry słupa rtęci
b) milibary
c) hektopaskale
1 mm Hg = 1,33 hPa
1 hPa = 0,75 mm Hg
1 hPa = 1mbarZasady pomiaru ciśnienia
atmosferycznego
Jeżeli zamknięta na jednym końcu i opróżniona
z powietrza rurka szklana zostanie umieszczona
w naczyniu z rtęcią to wówczas pod wpływem
ciśnienia atmosferycznego rtęć wypełni rurkę do
poziomu, przy którym ciśnienie hydrostatyczne
zrównoważy ciśnienie atmosferyczne
Podobnie będzie gdy nalejemy rtęci
do jednostronnie zamkniętej rurki,
wygiętej w kształcie litery U. Usunięcie
powietrza z zatopionego ramienia rurki
spowoduje podniesienie się w nim
poziomu rtęci powyżej jej menisku
w ramieniu otwartym. W zależności
od zmian ciśnienia zmieniać się
będzie wysokość słupka rtęci.
P1
- ciśnienie wywierane przez
powietrze na poziomie A.
P2
- ciśnienie wywierane przez słup
rtęci na poziomie A.
P0
- ciśnienie nad słupem rtęci, w
przybliżeniu równe zero. P2 = P0
+pgh ; P1=P2
; P0
=0
Dlatego:
P2 = pgh Gdzie:
ρ - gęstość cieczy (tu rtęci),
g - przyspieszenie ziemskie
h - wysokość słupa cieczy.
Wysokość tę można uznać za miarę ciśnieniaPrzyrządy
Barometry
cieczowe deformacyjne
naczyniowe
lewarowe
lewarowo- naczynioweBarometry naczyniowe – najszerzej stosowane
w meteorologii
Barometr rtęciowy ( stacyjny)
Budowa i zasada działania:
1. Rurka barometryczna zatopiona u góry,
wypełniona rtęcią, ponad rtęcią jest próżnia
2. Metalowe naczyńko wypełnione rtęcią , w
pokrywie naczynka jest otwór zakręcany
śrubą , jej częściowe odkręcenie powoduje
dopływ powietrza do rtęci co umożliwia
pomiar ciśnienia
3. metalowa obudowa,
4. skala z noniuszem umożliwiająca pomiar z
dokładnością do 0,1 hPa (0,1 mm Hg)
5. Termometr
Podczas wzrostu ciśnienia część rtęci ze
zbiorniczka przemieszcza się do rurki,
wydłużając w ten sposób słup rtęci,
podczas spadku ciśnienia słup rtęci opada
a poziom rtęci w naczyńku podnosi sięBarometr FortinaBarometry deformacyjne
Aneroid
Budowa:
Czujnik – puszka Vidiego
płaska zamknięta puszka pozbawiona powietrza
wykonana z cienkiej i sprężystej karbowanej blachy,
wewnątrz której ciśnienie jest obniżone puszka ta
ulega deformacjom - przy wzroście ciśnienia jej
ścianki ulegają ściskaniu, w przypadku spadku
ciśnienia siły sprężystości blachy starają się ją
"rozszerzyć". W rezultacie zmiany ciśnienia powodują
zmiany "grubości" puszki Vidiego
Układ dźwigni; wskazówka i skala
(zmiany ciśnienia, za pomocą systemu odpowiednich
przekładni przenoszone są na ruch wskazówki
pomiarowej przyrządu, przesuwającej się na tle skali).
Dodatkowo może być układ kompensujący
wpływ zmian temperatury przyrządu na jego
wskazania (układ kompensujący rozszerzalność
termiczną jego metalowych części).
. Wewnątrz przyrządu karbowana powierzchnia
puszki Vidiego i mechanizm przenoszący
deformacje puszki Vidiego na wskazówkę
pomiaru ciśnienia (czarna).
Druga wskazówka (złota) daje się przekręcać
pokrętłem, po pomiarze ustawia się ją tak, aby
pokrywała wskazówkę pomiarową.
Przy następnym pomiarze ciśnienia można
dzięki temu ocenić, w którą stronę (wzrost,
spadek) i o jaką wielkość nastąpiła zmiana
ciśnienia.
Aneroid jest wyposażony w dwie skale -,
zewnętrzna
wewnętrzna - w hPa (lub mb).
Przed odczytem ciśnienia należy delikatnie
stuknąć paznokciem w szybkę przyrządu. Barograf
przyrząd samopiszący (mierzący i
rejestrujący przebieg
ciśnienia atmosferycznego)
Budowa:
• kilka (zazwyczaj 4-6) puszek Vidiego
połączonych szeregowo (bateria), tak,
aby uzyskać odpowiednio dużą
amplitudę deformacji i odpowiednio dużą
siłę, pozwalającą na pokonanie oporów
tarcia pisaka o papier.
• system dźwigni zakończony wskazówką
z pisakiem, przylegającym do bębna
• bęben napędzany mechanizmem
zegarowym; na bęben nałożony jest
pasek papieru ( barogram) ze skalą
czasową i wartościami ciśnienia
atmosferycznego
• Zasada działania:
odkształcenia puszek są przekazywane
przez system dźwigni na barogram
Barograf
dobowy tygodniowyBarometry na stacjach automatycznych
Na stacjach automatycznych
montuje się barometr PMT16A –
barometr pojemnościowy
silikonowy
dokładny, zachowuje dokładność
przez długi okres czasu, kontrola1
raz w roku
stabilny w szerokim zakresie
temperatury
Instalacja- płyta główna
rejestratora danychSprowadzanie wskazań barometru do
warunków normalnych
Wysokość słupka rtęci w barometrze zależy nie tylko od ciśnienia atmosferycznego
ale również od:
a) Temperatury powietrza
b) Wielkości przyciągania ziemskiego zależnej od:
Szerokości geograficznej i wysokości n. p. m.
Wraz ze wzrostem wysokości maleje wysokość słupa atmosfery, maleje również
mierzone ciśnienie. Zmiany ciśnienia wraz z wysokością na pierwszych 2000 m od
powierzchni morza zachodzą szybko - przy wzroście wysokości o około 8 m ciśnienie
atmosferyczne maleje o 1 hPa. W rezultacie, pomiary wykonane w tym samym
punkcie i tym samym czasie na różnych wysokościach, dadzą odmienne wartości
ciśnienia.
Dodatkowo na zmiany ciśnienia w tym samym punkcie wpływać będą zmiany
temperatury powietrza.
. Sprowadzanie wskazań barometru do
warunków normalnych
Wskazania barometru sprowadza się do warunków normalnych czyli
a) Wysokość 0 m n.p.m.
b) Szerokość geograficzna 45 °
c) temperatura powietrza równa 0°C.
d) Wprowadzamy więc poprawki w zależności od warunków, w których mierzymy
ciśnienie; jest to poprawka ze względu na:
e) temperaturę powietrza
f) Wysokość n.p.m.
g) Szerokość geograficzną
korzystamy z gotowych, stabelaryzowanych wartości poprawek, znak poprawki
musimy , w zależności od warunków, wprowadzić samodzielnie.!!!
temperatura Wysokość n.p.m. Szerokość geograficzna
Znak
poprawki
< 0 > 0 <0 m >0 m < 45 >45
+ - + - - +Niwelacja barometryczna
Dla porównywania pomiarów ciśnienia oraz przedstawiana jego
zmian w przestrzeni zachodzi potrzeba doprowadzenia
ciśnienia do postaci porównywalnej, czyli redukcji ciśnienia do
poziomu morza
Zależność ciśnienia od wysokości i temperatury wykorzystano
do tzw. niwelacji barometrycznej.
Zależność ciśnienia od wysokości wyraża ogólny wzór:
tzw wzór Babineta
Umożliwia on w sposób uproszczony obliczenie różnicy wysokości
dwóch punktów, jeżeli znane są panujące w nich jednocześnie
ciśnienie i temperatura powietrza
h=8000
2(p1+ p2)
p1+ p2
1+at
śr
gdzie a =0,004
Ciśnieniem atmosferycznym nazywamy siłę parcia jaką wywiera na powierzchnię
ziemi pionowy słup powietrza (Kaczorowska).
Ciśnieniem normalnym nazywamy ciśnienie wywierane przez atmosferę na 45 stopni
szerokości geograficznej odniesione do poziomu morza i temperatury 0 stopni C.
mm Hg
mbar
bar = 1000000 dyn/cm
2
Pascal = 1 N/m
2
1hPa = 100 Pa
mb = hPa
1 hPa = 3/4 mmHg
1 mmHg = 4/3 hPa
Atmosfera to powłoka gazowa, której masa wynosi 5.3 * 10
15
t, dzięki czemu
wywiera ona na powierzchnię Ziemi ciśnienie, które średnio na poziomie morza i 45
0
szerokości geograficznej równoważy 760 mm Hg w barometrze. Mierzy się więc
ciśnienie ciężarem słupa powietrza o poziomej podstawie jednostkowej (np. 1 m
2
) i
wysokości równej wysokości atmosfery.
Przy wyprowadzeniu jednostek ciśnienia wykorzystuje się definicję ciśnienia
normalnego.
1. Objętość rtęci w rurce o pow. 1m
2
V = F ∗ h = 1m
2
∗ 0.76 m = 0.76 m
3
2. Masa rtęci m = V ∗ d = 0.76 * 13600 = 10336 kg
gdzie: d - gęstość rtęci = 13600 kg/m
3
3. Siła parcia Fp = m ∗ g = 10336 kg ∗ 9.81 m/s
2
= 101396.8 kg m/sek
2
4. Ciśnienie p = Fp / pow. = 101396.8 Pa = 1013.9 hPa
stąd:
760 mmHg = 1013.9 hPa
1 mmHg = 1.33 hPa
1 hPa = 0.74 mmHg
Zależność ciśnienia od wysokości i temperatury wykorzystano do tzw. niwelacji
barometrycznej. Jednym ze wzorów uwzględniających wzajemną zależność
wymienionych wielkości jest wzór Babineta.
Stopień baryczny jest to wysokość na jaką należy się wznieść lub obniżyć by ciśnienie
zmieniło się o jednostkę.
Stopień baryczny wykorzystuje się przy redukcji ciśnienia do poziomu morza. Tak
wyliczone wartości ciśnień służą za podstawę do wykreślania map synoptycznych.
Przykład
Stacja meteorologiczna leży na wysokości 300 m n.p.m.. Ciśnienie zmierzone o godz.
13
00
wyniosło 1000 hPa a temperatura 15
0
C. Jakie będzie ciśnienie zredukowane do
poziomu morza?
Stopień baryczny obliczony wg wzoru h’ wynosi 8.48 m.
Następnie liczymy przybliżoną wartość ciśnienia na poziomie morza:
P = 1000 + 300/8.48 = 1035,38 hPa.
W kolejnym kroku liczymy średnie ciśnienie dla warstwy pomiędzy poziomem morza
a stacją:
Pśr= (1000+ 1035.4)/2 = 1017.7 hPa
Kolejnym krokiem jest znalezienie średniej temperatury dla warstwy powietrza j.w. :
Pionowy gradient temperatury wynosi około 0.6
0
C na 100 m, co znaczy, że na
poziomie morza temperatura jest wyższa o 1.8
0
C w porównaniu z temperaturą
stacji. Temperatura na poziomie morza wynosi więc 15 + 1.8 = 16.8
0
C.
Obliczamy teraz ponownie bardziej dokładnie stopień baryczny, a następnie ciśnienie
zredukowane:
h’ = 8000/1017.7 [ 1 + 0.004(16.8 + 15)/2] = 8.36 m.
Pzr= 1000 + 300/8.36 = 1035.88 hPa