VII. CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE

Gazy stanowiące mieszaninę tworzącą atmosferę ziemską, jako cząstki materii

posiadają masę. W obrębie oddziaływania grawitacji Ziemi masa ta wywiera swym

ciężarem nacisk, który nazywa się ciśnieniem atmosferycznym. Ciśnienie jest więc

ciężarem słupa powietrza oddziaływującym na daną powierzchnię. Wartość ciśnienia

wyraża się wielkością siły przypadającą na jednostkę powierzchni. W układzie SI,

jednostką ciśnienia jest 1 Pascal (Pa), to znaczy siła jednego Newtona

oddziaływująca na 1 m2. Ponieważ, relatywnie do wartości notowanych w

atmosferze jest to wielkość stosunkowo mała, w związku z tym w meteorologii za

podstawę uznaje się 1 hektopaskal (hPa), czyli 100 Pa. Wartość wynosząca 1013,16

hPa, zmierzona na poziomie morza, przy temperaturze 0oC i w szerokości

geograficznej 45o nosi nazwę normalnego ciśnienia atmosferycznego. Odchylenia

ciśnienia w górę i w dół, zmierzonego i zredukowanego do powyższych warunków,

określane są jako ciśnienie wysokie bądź niskie.

Ciśnienie zmienia się wraz z wysokością. Wynika to przede wszystkim z tego, że

w coraz to wyższych partiach atmosfery zmniejsza się słup naciskającego powietrza

oraz obniża się tzw. geopotencjał (potencjał jednostki masy podniesionej na

jednostkę wysokości wynikający z przeciwstawienia się jednostce siły ciężkości).

Geopotencjał punktu w atmosferze jest funkcją odległości tego punktu od poziomu

morza i wartości przyśpieszenia ziemskiego. To ostatnie zależy także od wysokości

nad poziomem morza i szerokości geograficznej (Ziemia jest geoidą nieco

spłaszczoną na biegunach). W rzeczywistości punktem odniesienia dla zmian

przyśpieszenia jest środek Ziemi, jednak dla uproszczenia przyjmujemy poziom

morza i dla średniej jego wartości geopotencjał oznaczamy liczbą 0. Gdyby na

wielkość ciśnienia w przekroju pionowym atmosfery wpływała tylko zmiana

geopotencjału, to malałoby ono liniowo wraz z wysokością. Tak jednak nie jest,

zmiany te mają charakter nieliniowy z powodu tego, iż atmosfera jako mieszanina

ściśliwych gazów najgęstsza jest przy Ziemi, zaś wraz z wysokością masa

jednostkowa atmosfery maleje. W sumie ciśnienie (p) w danym punkcie opisuje

uproszczony wzór:

gdzie:

g(z) funkcja zmiany przyśpieszenia wraz ze zmianą odległości od środka Ziemi

ρ(z) funkcja zmiany masy objętościowej powietrza wraz ze zmianą wysokości

z – wysokość n.p.m.

Rozważania nad zależnością ciśnienia od wysokości muszą uwzględniać tzw

prawa gazowe, wśród nich przede wszystkim równania stanu gazu doskonałego. Dla

większości zjawisk zachodzących w atmosferze można bowiem przyjąć, iż powietrze

zachowuje się prawie jak gaz doskonały. Równanie stanu gazu doskonałego ujmuje

zależności pomiędzy ciśnieniem, a temperaturą. Znając objętość i temperaturę

danego wycinka atmosfery możemy obliczyć ciśnienie gdyż:

pV = RT

gdzie:

V - objętość właściwa [m3/kg]

T - temperatura w skali bezwzględnej [K]

R - stała gazowa [J/kgK]

Rys.21. Zmiana ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością w zależności od średniej

temperatury słupa powietrza.

Ciśnienie atmosferyczne

57

W równaniach mających zastosowanie do opisu atmosfery stała gazowa jest

średnią ważoną stałych właściwych dla gazów składowych. Bardzo ważnym jest

również prawo Daltona, stwierdzające, że między innymi ciśnienie mieszaniny gazów

jest sumą ciśnień cząstkowych (parcjalnych). W praktyce meteorologicznej wynika z

niego to, iż gdy w stałej temperaturze i do stałej objętości powietrza doprowadza się

parę wodną to ciśnienie tego powierza rośnie.

Ponieważ ciśnienie w danym punkcie atmosfery rozchodzi się równomiernie we

wszystkich kierunkach, więc siły te wzajemnie znoszą się i stąd obiekty na Ziemi nie

ulegają odkształceniu pod wpływem tego zjawiska. Jedynie wtedy gdy zamknięta

przestrzeń, odcięta jest od dopływu powietrza atmosferycznego i charakteryzuje się

mniejszą gęstością powietrza, to siły ciśnienia wywierają nacisk na ścianki

przestrzeni zamkniętej mogąc je odkształcić. Przy wyższej gęstości wewnątrz niż na

zewnątrz odkształcenie odbywało się będzie z tego kierunku.

W pionowym przekroju atmosfery najbardziej charakterystycznym zjawiskiem,

jak już wspomniano, jest spadek ciśnienia wraz z wysokością. Jest on jednak różny

w zależności od temperatury powietrza. W powietrzu chłodnym zmiany ciśnienia

zachodzą w mniejszej skali niż w ciepłym (rys. 21). Odnosząc te zmiany do jednostki

wysokości uzyskamy wskaźnik zwany gradientem barycznym, pionowym.

Odwrotnością gradientu jest tzw. stopień barometryczny, który informuje na jakiej

odległości w pionie ciśnienie zmienia się o jednostkę.

Znajomość zmian ciśnienia wraz z wysokością ma duże znaczenie praktyczne.

Możliwa jest dzięki temu tzw. niwelacja barometryczna, czy też określenie wysokości

nad poziom morza obiektów latających. Żyjący w XIX wieku J. Babinet opracował

wzór, który wyraża zależność pomiędzy średnią temperaturą dwóch punktów,

różnicą ich wysokości oraz ciśnieniem. Podstawowa postać wzoru wygląda

następująco:

gdzie:

z1-z2 – różnica wysokości

8000 – wysokość tzw. atmosfery jednorodnej (8000 m)

p1,2 - wielkości ciśnienia w punktach z1 i z2

tm – średnia temperatura powietrza w punktach z1 i z2

α - współczynnik rozszerzalności gazów (1/273)

Poszczególne punkty atmosfery charakteryzuje określona wartość ciśnienia –

wszystkie punkty o identycznych wartościach można sobie wyobrazić jako

płaszczyzny. Noszą one w meteorologii nazwę powierzchni izobarycznych.

Ciśnienie atmosferyczne

58

Dokonując przekroju powierzchni izobarycznych płaszczyzną do nich prostopadłą

uzyskamy obraz, który wskazuje, iż powierzchnie baryczne obszarów ciepłych mają

kształt wypukły, a chłodnych wklęsły. Wynika to z różnicy gradientów ciśnień.

Płaszczyzny izobaryczne na przecięciu z powierzchnią ziemi znaczą linie zwane

izobarami. Izobary są liniami analogicznymi do tych, które obrazują poziomy rozkład

temperatur. Z charakterystyki powierzchni izobarycznych wynika, iż na każdym

dowolnym poziomie przecięcia, obraz izobar będzie inny. Z tego powodu, aby

uzyskać prawidłową informację o rozkładzie poziomym ciśnienia na kuli ziemskiej,

należałoby dokonywać pomiarów na tej samej wysokości, najlepiej na poziomie

morza. Ponieważ jest to jednak niemożliwe, stosuje się zasadę, iż wszystkie pomiary

dokonane na dowolnej wysokości redukuje się do tej powierzchni i temperatury 0oC,

stosując wyżej wskazany wzór Babineta.

Rys. 22. Rozkład ciśnień i kierunki ruchu powietrza w głównych układach barycznych

Ciśnienie atmosferyczne w przestrzeni poziomej tworzy charakterystyczne układy

zwane układami barycznymi. Najprostszymi z nich są niż i wyż. Ten pierwszy

występuje wtedy gdy w danym miejscu ciśnienie jest niższe od tego, które jest

właściwe dla przylegających obszarów. Na mapie synoptycznej sytuacja taka ma

postać koncentrycznie ukształtowanych linii izobar, z których każda następna,

zewnętrzna reprezentuje wyższą wartość ciśnienia. Przeciwna sytuacja panuje w

wyżu. Wtedy jednak, gdy środkowy obszar obniżonego ciśnienia ma postać

Ciśnienie atmosferyczne

59

wydłużoną i jest otoczony z dwóch stron przestrzeniami o ciśnieniu podwyższonym,

to taki układ nazywa się zatoką. Wydłużony obszar wysokiego ciśnienia w środku

układu określany jest mianem klina podwyższonego ciśnienia. Na granicy pomiędzy

dwoma niżami plasuje się przestrzeń będąca wałem wysokiego ciśnienia, zaś dwa

sąsiadujące wyże oddziela tzw. bruzda. Czasem można się dopatrzyć sytuacji gdy

krzyżuje się sąsiedztwo dwóch układów wyżowych i dwóch niżowych (wyże, kliny,

niże, zatoki), wtedy przestrzeń zamknięta przez te charakterystyczne rozkłady

ciśnień określana jest jako siodło baryczne. Wszystkie te układy prezentuje wyżej

zamieszczony rysunek 22.

Pomiaru ciśnienia atmosferycznego możemy dokonać, używając różnych

przyrządów. Najstarszym historycznie jest barometr rtęciowy. Ogólna zasada

funkcjonowania tego instrumentu polega na zmianie wysokości słupa rtęci, zawartej

w szklanej rurce, w wyniku zmiany ciśnień. Barometr składa się z naczynia na rtęć i

zanurzonej w niej rurki szklanej (900 mm długości i średnicy 10 mm) od dołu

otwartej, zaś od góry zamkniętej, pozbawionej powietrza (tzw. próżnia

barometryczna). Z tego właśnie powodu ciśnienie działające na powierzchnię rtęci w

zbiorniku powoduje przenikanie jej do rurki na taką wysokość, że ciężar wypchniętej

rtęci zrównoważy wartości ciśnienia. Tak więc ciężar słupa rtęci, od poziomu

dolnego końca rurki aż do górnego menisku, odpowiada dokładnie aktualnie

panującemu ciśnieniu. Całość zamknięta jest w metalowej obudowie, do której

przytwierdzono skalę usytuowaną na wysokości 700 mm. Dla oznaczeń wartości

ciśnienia przyjęto pierwotnie wysokość słupa rtęci w rurce i wyrażano je w mm Hg.

Stosowanie tej skali w układzie SI okazało się wysoce niedogodne, więc korzystając

z prostej relacji wartości, zakłada się drugą skalę – w hPa - na obudowie barometru

lub odczyty w mm przelicza się na hPa. Zależność pomiędzy aktualną, a

historycznymi (choć często jeszcze obecnie wykorzystywanymi) jednostkami

kształtuje się następująco:

1 hPa = 1 mbar = 0,75 mm Hg = 0,75 Torr

1 mm Hg = 1 Torr = 1,333 hPa = 4/3 mbar

Odczytów ze skali barometru dokonuje się z dokładnością do dziesiątej części

milimetra, (hPa), umożliwia to zintegrowanie skali barometru z noniuszem. Pomiar

ciśnienia, dokonany przy pomocy barometru, musi zostać skorygowany o poprawki

mające charakter techniczny i systemowy. Do poprawek technicznych należy korekta

instrumentalna, czyli wartość, która informuje o odchyleniach pomiaru danym

barometrem, w porównaniu do wskazań przyrządu wzorcowego. Wartość poprawki

instrumentalnej zapisana jest w metryczce przyrządu. Druga tego typu korekta

dotyczy temperatury w jakiej dokonywany jest pomiar (np. temperatury

pomieszczenia). W tym przypadku korzystamy z danych tabelarycznych, które służą

Ciśnienie atmosferyczne

60

do wyeliminowania z odczytu błędu wynikłego z faktu rozszerzalności rtęci pod

wpływem temperatury.

Korekty systemowe sprowadzają dokonane odczyty do postaci umożliwiającej

wykorzystanie pomiarów dla określenia sytuacji barycznej w przestrzeni (np. na

mapach synoptycznych). W tym przypadku zastosowanie mają wzory Babineta.

Obliczamy więc ciśnienie na poziomie morza, biorąc pod uwagę średnią z

temperatury odczytanej w danym miejscu i temperatury 0oC (można też skorzystać

ze znajomości przeciętnej wielkości stopnia barometrycznego - 7,9m/hPa).

Dodatkowo korygujemy wynik o odchyłkę wynikającą z położenia danego punktu na

północ lub południe od szerokości geograficznej 45o (wynika to z faktu, iż Ziemia

jest geoidą i w związku z tym, w zależności od szerokości geograficznej, różna jest

odległość punktu na poziomie morza od środka planety, a to z kolei zmienia wartość

grawitacji ziemskiej). W naszych szerokościach geograficznych poprawkę tę

dodajemy, gdyż wyższe przyśpieszenie ziemskie powoduje nieznaczne przykurczenie

słupa rtęci.

Rys. 23. Schemat działania barometru rtęciowego

Inna jest zasada działania aneroidu przyrządu, który mierzy ciśnienie,

wykorzystując jako sensor jego zmian tzw. puszkę Vidiego. Puszka wykonana jest z

falistej blachy dla umożliwienia jak największej powierzchni styku powietrza

atmosferycznego z daną objętością. W jej wnętrzu panuje dość duże podciśnienie

Ciśnienie atmosferyczne

61(niecałkowita próżnia), stąd też zmiany ciśnienia na zewnątrz powodują zmiany

objętości puszki. Dla zwiększenia efektywności działania wewnątrz, oprócz pewnej

ilości powietrza, znajduje się także sprężyna. Zmiany objętości przenoszone są

systemem dźwigni na ruch wskazówki wobec odpowiednio usytuowanej skali.

Aneroid jest przyrządem o dużej bezwładności i mniejszej dokładności. Jest jednak

dogodniejszy w stosowaniu w różnych warunkach, ponieważ odczyty wymagają

jedynie korekty instrumentalnej oraz możliwa jest jego znaczna miniaturyzacja. Na

bazie aneroidów budowane są przyrządy samopiszące zwane barografami.

Najnowsze tendencje w rozwoju tej grupy instrumentów meteorologicznych dotyczą

połączenia sensorów wrażliwych na zmiany ciśnienia z modułami elektronicznymi, co

powoduje, że odczyt korygowany jest zawsze automatycznie, a ciśnienie może być

próbkowane w dowolnych przedziałach czasowych. Tego typu przyrządy

automatycznie wyznaczają też tzw. tendencję baryczną, czyli kierunek zmian

ciśnienia w ciągu określonego przedziału czasowego. Wszystko to jest to możliwe

dzięki zastosowaniu specjalnych przetworników (transducers) oraz mikroprocesorów.


wiatromierz Wilda instalowany bywa na słupie o wysokości 10 m.



Wiatr jako czynnik pogodowy określany bywa kilkoma parametrami, tj.

kierunkiem, prędkością, siłą i porywistością. Kierunek odnosi się do geograficznych

stron świata z których napływają cząsteczki, a nie stron, ku którym się one

przemieszczają. Najprostsza skala obejmuje 4 podstawowe i 4 pośrednie kierunki

(N, NE, E, SE, S, SW, W, NW), czasem jednak stosowana jest też skala 16-

kierunkowa. Można również parametr ten określać w stopniach kątowych,
poczynając od 0 dla kierunku północnego i dalej odpowiednio, zgodnie z ruchem

wskazówek zegara, aż do 360o.

Prędkość wiatru podawana bywa najczęściej w metrach na sekundę, chociaż

bardziej przemawiającą do wyobraźni jednostką (skojarzenie z prędkością pojazdów)

jest kilometr na godzinę. Zwyczajowo, prędkość określana bywa też w skalach

opisowo-punktowych. Najbardziej znana jest skala Beauforta. Obejmuje ona 13

stopni (0 do 12) od ciszy do huraganu (12o – przy prędkości wiatru powyżej 32,7

m/s). Do wyznaczenia stopnia skali służą wskaźniki wizualne, typowe dla sytuacji

spotykanych w przyrodzie.

Siła wiatru to nacisk masy cząsteczek atmosfery na przeszkodę, wyrażamy ją

tradycyjnie w kG/m2 lub zgodnie z układem SI w N/m2. Siła wiatru jest

proporcjonalna do jego prędkości przy założeniu, że mamy do czynienia z

jednakową gęstością powietrza. Powietrze chłodniejsze, czy zawierające większą

ilość wilgoci, przy tej samej prędkości będzie napierało z większą siłą. Siła wiatru to

wskaźnik mówiący o jego wpływie na otoczenie, na które oddziałuje w sensie

pogodowym, a także wskaźnik dający pogląd na możliwości wykorzystania

podmuchów powietrza jako naturalnego, czystego źródła energii.

Prędkość wiatru na danej wysokości, w zależności od klasy szorstkości terenu,

określa formuła:


Wiatr może wiać ze stałą siłą prędkością i w stałym kierunku, bądź parametry te

mogą podlegać częstym zmianom. W tym ostatnim przypadku mamy do czynienia z

wiatrem porywistym. Porywistość określa się maksymalnym odchyleniem prędkości

wiatru od jego prędkości średniej. Porywy podaje się wtedy, gdy prędkość

pojedynczego takiego zjawiska, w ciągu ostatnich 10 minut, przewyższa prędkość

średnią o 5 i więcej m/s. Do pomiaru parametrów wiatru służy między innymi klasyczny przyrząd zwany

wiatromierzem Wilda (rys. 26). Umieszcza się go na wysokości 10 m nad

powierzchnią gruntu. Składa się on z dwóch zespołów, to jest wskaźnika kierunków

obracającego się względem prętów określających 8 kierunków stron świata i

chorągiewki wskazującej prędkość. Wskaźnik, w postaci klina złożonego z dwóch

kawałków blachy, obraca się na osi, zakończonej po drugiej stronie kulą (walcem o

stożkowatej podstawie). To właśnie kula wskazuje kierunek wiatru, gdyż zawsze

ustawia się ona ku stronie świata skąd napływa powietrze. Chorągiewka prędkości

zbudowana jest z jednego płata blachy. W położeniu wyjściowym ustawiona jest

ona na osi prostopadle do kierunku wiatru. Pod jego wpływem wychyla się ku górze,

tak że obserwator może ustalić wartość odchylenia w stosunku do prętów specjalnej

skali. Po ustaleniu pręta, do którego sięga średnie wychylenie w ciągu 2 minut,

można określić prędkość wiatru korzystając z odpowiednich tabel.
ROZKŁAD CIŚNIENIA W PIONIE

• POWIERZCHNIA IZOBARYCZNA – im wyżej tym ciśnienie mniejsze

• Wyż i niż baryczny – gdy powietrze jest zimne, to ciśnienie szybko się zmienia i odwrotnie; ciśnienie przy samej ziemi (im bliżej) to ciepłe powietrze

ROZKŁAD CIŚNIENIA W POZIOMIE

(przy powierzchni ziemi)

• Równik – obniżone

• Podzwrotnik – wyższe

• Zwrotnik – niż

• Bieguny – wyż

„Zatoka” – wew. Najmniejsze ciśnienie niż baryczny „Klin” – wew. Największe ciśnienie wyż baryczny

Cyrkulacja planetarna:
Ogólna cyrkulacja atmosfery obejmuje wszystkie aspekty przemieszczania się mas powietrza oraz spowodowany tymi ruchami przepływ i wymianę różnych form energii w układzie planetarnym.
Uwarunkowanie cyrkulacji atmosfery:
- ilość energii słonecznej dochodzącej do powierzchni Ziemi,
- kształt Ziemi,
- rozmieszczenie lądów i mórz,
- ruch obiegowy oraz obrotowy.
1. Równikowy pas ciszy.
2. Strefa międzyzwrotnikowa – nad równikiem powietrze ogrzewa się i unosi do góry – powstaje wyż. Powietrza wędruje górą – tworzą się antypasaty, schładza się i obniża. Wiatry wiejące do równika to pasaty. Komórka Hadleya.
3. Strefa umiarkowana – ośrodek wyżowy, przeważają wiatry zachodnie. Komórki Farrela.
4. 35˚C – gwałtowne ruchy mas powietrza w górnych warstwach atmosfery – prądy strumieniowe.
5. Strefa okołobiegunowa – strefa wiatrów wschodnich. Komórki okołobiegunowe (planetarne).
Cyrkulacja monsunowa:
Jest ona charakterystyczna dla zwrotnikowej Azji Południowo – Wschodniej, a także dla Afryki i Ameryki Północnej. Polega ona na przemieszczaniu się ciepłych mas powietrza w dwóch kierunkach:
- zimą znad lądu nad morze (monsun zimowy – powietrza suche, nie niesie opadów),
- latem znad morza nad ląd (monsun letni – powietrze wilgotne z opadami)
Cyklony tropikalne:
Pojawiają się w wyniku dużego spadku ciśnienia atmosferycznego w masach powietrza bardzo ciepłego i wilgotnego. Poruszają się z bardzo dużą prędkością. Rodzą się w pasie powyżej 5˚ szerokości N i S. Wirowy ruch powietrza, oko cyklonu
- huragany (Antyle, Ameryka Środkowa i Północna)
- cyklony (Indie)
- tajfuny (Azja Południowo – Wschodnia)
Masy powietrza i fronty atmosferyczne