Атмосферное давление

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

(ФГБОУ ВО «ХГУ им. Н.Ф. Катанова»)

Институт естественных наук и математики

Кафедра математики, физики и информационных технологий

Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование

Профили: Математика, Физика

Атмосферное давление (7 класс)

Выполнила

Старцева Полина Викторовна

Группа МФ-41

Курс 4

Абакан, 2025

Введение 3

1. Теория атмосферного давления 4

2. Строение и состав атмосферы. 6

3. Барометрическая формула 9

4. Приборы для измерения атмосферного давления. 11

Заключение 16

Контрольные вопросы 18

Список литературы 18

Каждый день мы слышим прогнозы погоды, в которых упоминается атмосферное давление. Но что это такое и почему это так важно? Атмосферное давление - это сила, с которой воздух давит на поверхность Земли и все находящиеся на ней объекты. Эта сила, несмотря на свою незаметность, оказывает огромное влияние на нашу жизнь. От неё зависят погодные условия, наше самочувствие и даже безопасность полётов.

Несмотря на кажущуюся простоту, атмосферное давление - сложное и многогранное явление. Оно постоянно меняется, подчиняясь множеству факторов. Проблема заключается в том, что недостаточное понимание этих факторов может приводить к неточным прогнозам погоды и, как следствие, к неблагоприятным последствиям.

Атмосферное давление - это сила, с которой атмосфера Земли воздействует на единицу площади поверхности. Эта сила возникает из-за веса воздуха, находящегося над данной поверхностью. Важно понимать, что атмосферное давление - это не статичное явление, а динамическое, постоянно меняющееся под воздействием различных факторов.

Состав атмосферы: атмосфера Земли состоит из смеси газов, в основном азота (78%), кислорода (21%) и небольшого количества других газов, таких как аргон, углекислый газ и водяной пар.

Гравитация: сила тяжести (гравитация) притягивает эти газы к поверхности Земли.

Вес воздуха: вес этого столба воздуха и оказывает давление на поверхность.

Молекулярно-кинетическая теория: с точки зрения молекулярно-кинетической теории атмосферное давление объясняется постоянным хаотичным движением молекул газов, составляющих атмосферу. При столкновении молекул с поверхностью возникает сила, которая воспринимается как давление.

Единицы измерения атмосферного давления.

Паскаль (Па): в системе СИ единицей измерения давления является Паскаль. 1 Паскаль - это давление, оказываемое силой в 1 Ньютон на площадь в 1 квадратный метр (1 Па = 1 Н/м²).

Гектопаскаль (гПа): в метеорологии чаще используется гектопаскаль, равный 100 Паскалям.

Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.): исторически сложившаяся внесистемная единица измерения давления. 760 мм рт. ст. - нормальное атмосферное давление на уровне моря.

Атмосфера (атм): еще одна внесистемная единица. 1 атм приблизительно равна нормальному атмосферному давлению на уровне моря (760 мм рт. ст. или 101325 Па).

Бар (б): 1 бар = 100 000 Па.

Факторы, влияющие на атмосферное давление.

Высота над уровнем моря: с увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. Это связано с тем, что над данной точкой находится меньший столб воздуха. Зависимость между высотой и давлением не является линейной, так как плотность воздуха также уменьшается с высотой.

Температура воздуха: при повышении температуры воздух расширяется, становится менее плотным и, следовательно, оказывает меньшее давление. Таким образом, при повышении температуры атмосферное давление, как правило, понижается.

Влажность воздуха: водяной пар - это газ, который легче основных компонентов атмосферы (азота и кислорода). Поэтому при повышении влажности, то есть при увеличении содержания водяного пара в воздухе, плотность воздуха уменьшается, и атмосферное давление также снижается.

Географическая широта: распределение солнечной энергии по поверхности Земли неравномерно, что приводит к разнице в нагреве воздуха и, следовательно, к разнице в атмосферном давлении на разных широтах. В экваториальной области, где воздух сильно нагревается, формируется область низкого давления, а в районе полюсов, где воздух охлаждается, - область высокого давления.

Циклоны и антициклоны: крупномасштабные атмосферные вихри - циклоны (области низкого давления) и антициклоны (области высокого давления) - оказывают существенное влияние на атмосферное давление в конкретной местности. Циклоны обычно связаны с облачной погодой и осадками, а антициклоны - с ясной и сухой погодой.

Время суток и времена года: в течение суток и в разные времена года также наблюдаются небольшие колебания атмосферного давления, связанные с изменением температуры воздуха и интенсивности солнечного излучения.

Атмосфера Земли - это газовая оболочка, окружающая нашу планету и удерживаемая силой притяжения. Она играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле, защищая нас от вредного космического излучения, регулируя температуру и обеспечивая круговорот воды.

Состав атмосферы:

Атмосфера представляет собой смесь различных газов, твёрдых и жидких частиц (аэрозолей). Основные компоненты сухого воздуха у поверхности Земли:

Азот (N₂): 78,08% (по объему) - наиболее распространенный газ. Он важен для круговорота веществ в природе, но химически относительно инертен.

Кислород (O₂): 20,95% (по объёму) - необходим для дыхания большинства живых организмов и участвует в процессах горения и окисления.

Аргон (Ar): 0,93% (по объему) - инертный газ, образующийся в результате радиоактивного распада в земной коре.

Углекислый газ (CO₂): 0,04% (по объёму) - важный парниковый газ, участвующий в фотосинтезе и регулирующий температуру планеты. Его концентрация постоянно растёт из-за деятельности человека.

Неон (Ne), гелий (He), криптон (Kr), ксенон (Xe): в сумме составляют менее 0,003% (по объёму) - инертные газы, присутствующие в атмосфере в очень малых количествах.

Переменные компоненты:

Водяной пар (H₂O): концентрация сильно варьируется (от 0 до 4%) в зависимости от температуры и географического положения. Водяной пар играет важную роль в формировании облаков, осадков и регулировании температуры.

Озон (O₃): его концентрация невелика (особенно в тропосфере), но озон поглощает вредное ультрафиолетовое излучение Солнца. Большая часть озона находится в стратосфере (озоновый слой).

Аэрозоли: твердые и жидкие частицы, взвешенные в воздухе (пыль, сажа, морские соли, пыльца растений, микроорганизмы). Аэрозоли влияют на формирование облаков, поглощение и рассеивание солнечного света.

Строение атмосферы (слои): атмосфера разделена на несколько слоёв, различающихся по температуре, плотности и составу воздуха.

Рисунок 1. Строение атмосферы.

1. Тропосфера (от поверхности Земли до 8-18 км): самый нижний слой, содержащий около 80% массы всей атмосферы. Здесь сосредоточен почти весь водяной пар, образуются облака и происходят погодные явления. Температура понижается с увеличением высоты (в среднем на 6°C на каждый километр). Высота тропосферы больше над экватором (16-18 км) и меньше над полюсами (8-10 км).

2. Стратосфера (от 8-18 км до 50 км): воздух более разреженный и сухой, облаков практически нет. Содержит озоновый слой, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца. Температура с высотой повышается (от -50°C до почти 0°C) из-за поглощения УФ-излучения озоном.

3. Мезосфера (от 50 км до 85 км): воздух очень разреженный. Температура с высотой резко понижается (до -90°C). В этом слое сгорают большинство метеоров, входящих в атмосферу Земли.

4. Термосфера (от 85 км до 500-1000 км): воздух крайне разреженный. Температура с высотой повышается (до 2000°C и выше) из-за поглощения рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца. Содержит ионосферу — область с высокой концентрацией ионов и свободных электронов, которая отражает радиоволны, обеспечивая дальнюю радиосвязь.

5. Экзосфера (выше 500-1000 км): самый внешний слой атмосферы, постепенно переходящий в космическое пространство. Состоит в основном из водорода и гелия. Частицы газа движутся с очень высокой скоростью и могут покидать атмосферу Земли.

Границы между слоями:

Переходы между слоями атмосферы не являются резкими. Области перехода называются паузами:

• Тропопауза: граница между тропосферой и стратосферой.

• Стратопауза: граница между стратосферой и мезосферой.

• Мезопауза: граница между мезосферой и термосферой.

Значение атмосферы:

• Защита от радиации: атмосфера поглощает большую часть вредного солнечного излучения, включая ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

• Регулирование температуры: атмосфера удерживает тепло у поверхности Земли, создавая умеренный климат, пригодный для жизни. Этот эффект обеспечивается парниковыми газами (водяным паром, углекислым газом, метаном и др.).

• Поддержание жизни: атмосфера содержит кислород, необходимый для дыхания большинства живых организмов, а также углекислый газ, используемый растениями для фотосинтеза.

• Круговорот воды: атмосфера участвует в переносе водяного пара и формировании осадков, обеспечивая круговорот воды на Земле.

• Распространение звука: атмосфера является средой, в которой распространяются звуковые волны.

• Защита от метеоров: атмосфера сжигает большинство метеоров, предотвращая их падение на поверхность Земли.

Атмосфера Земли - сложная и динамичная система, играющая ключевую роль в поддержании жизни на нашей планете. Изучение её строения и состава необходимо для понимания процессов, происходящих в окружающей среде, и для решения глобальных экологических проблем

Атмосферное давление - фундаментальная характеристика состояния атмосферы, играющая ключевую роль в формировании погоды и климата. Мы знаем, что атмосферное давление уменьшается с высотой, но как именно оно меняется? Какова математическая зависимость между давлением и высотой? Ответ на этот вопрос даёт барометрическая формула - мощный инструмент, позволяющий количественно описывать вертикальное распределение атмосферного давления.

Барометрическая формула - это математическое выражение, связывающее атмосферное давление с высотой над уровнем моря. Она позволяет вычислить атмосферное давление на заданной высоте, зная давление на некотором базовом уровне (обычно на уровне моря). Существует несколько вариантов барометрической формулы, основанных на разных упрощениях и допущениях.

В реальной атмосфере температура не является постоянной. Для более точного расчёта необходимо учитывать изменение температуры с высотой. Обычно используют линейную аппроксимацию изменения температуры с высотой:

T(h) = t₀ - yh

где:

• T(h) - температура на высоте h;

• T₀ - температура на уровне моря (h=0);

• γ - температурный градиент (изменение температуры на единицу высоты, обычно около 6,5°C/км в тропосфере).

Подставив это выражение для температуры в уравнение гидростатического равновесия и проведя интегрирование, мы получаем более сложную барометрическую формулу:

p = p₀ * (1 - (γh)/T₀)^(Mg/(Rγ))

Эта формула более точно описывает распределение давления в реальной атмосфере, особенно в тропосфере.

Практическое применение барометрической формулы

• Определение высоты: барометрическая формула может быть использована для определения высоты над уровнем моря по измеренному атмосферному давлению. Это лежит в основе работы высотомеров в самолётах и других летательных аппаратах.

• Прогнозирование погоды: зная распределение давления в атмосфере, можно прогнозировать перемещение воздушных масс и, следовательно, изменение погоды.

• Геофизические исследования: барометрическая формула используется для изучения структуры и динамики атмосферы, а также для калибровки и проверки данных, полученных с помощью спутников и метеорологических зондов.

• Авиация: расчет высоты полета, определение оптимальной высоты полета с учетом расхода топлива.

• Альпинизм: оценка доступности кислорода на больших высотах.

Ограничения барометрической формулы

Важно помнить, что барометрическая формула является приблизительной и имеет свои ограничения:

• Упрощения: формула основана на ряде упрощений, таких как предположение об идеальном газе и постоянстве ускорения свободного падения.

• Реальная атмосфера: в реальной атмосфере температура, влажность и состав воздуха могут значительно меняться, что влияет на точность расчетов.

• Динамические процессы: формула не учитывает динамические процессы в атмосфере, такие как ветер и конвекция, которые также могут влиять на давление.

Барометрическая формула - важный инструмент в физике и метеорологии, позволяющий оценить распределение атмосферного давления по высоте. Несмотря на упрощения, она является полезным приближением для многих практических задач. Понимание основ барометрической формулы помогает глубже осознать процессы, происходящие в атмосфере, и её влияние на нашу жизнь. Дальнейшие исследования в области физики атмосферы направлены на разработку более точных моделей, учитывающих все факторы, влияющие на атмосферное давление.

Атмосферное давление - сила столба воздуха на единицу площади. Измеряется в паскалях (Па), миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или гектопаскалях и(гПа).
Стандартное давление: 760 мм рт. ст. = 1013.25 гПа = 101325 Па.

Атмосферное давление измеряется с помощью приборов, называемых барометрами. Существует несколько типов барометров:

Рисунок 2

1 ) Ртутный барометр. Изобретён Э. Торричелли, представляет собой запаянную с одного конца стеклянную трубку, заполненную ртутью и опущенную открытым концом в чашу с ртутью. Высота столба ртути в трубке пропорциональна атмосферному давлению.

Принцип действия:
давление столба ртути в стеклянной трубке уравновешивает атмосферное давление. Высота ртути пропорциональна давлению: P=ρ⋅g⋅h,
где ρ - плотность ртути, g - ускорение свободного падения, h - высота столба.

Конструкция: стеклянная трубка длиной ≈80 см, запаянная с одного конца, погруженная в чашу со ртутью. Шкала с нониусом для точности.

Точность: эталонный прибор (погрешность ±0.1 мм рт. ст.). Используется в метрологии и для поверки других приборов.

Недостатки: токсичность ртути, хрупкость, зависимость от температуры и гравитации.

Историческая справка.

Опыт Торричелли: доказательство существования атмосферного давления
(1643 г., Италия, физик Евангелиста Торричелли)

Цель опыта: опровергнуть утверждение Аристотеля о том, что “природа боится пустоты” и доказать существование атмосферного давления.

Ход эксперимента:

1. Прибор: стеклянная трубка длиной ~1 м, запаянная с одного конца, чаша с ртутью.

2. Заполнение: трубку полностью заполняли ртутью, закрывали отверстие, после чего переворачивали и погружали открытый конец в чашу со ртутью.

3. Наблюдение: после переворачивания часть ртути выливалась в чашу, но столбик ртути в трубке останавливался на высоте ~76 см (760 мм) над уровнем р в чаше. Над ртутью в трубке образовывалось пустое пространство («торричеллиева пустота») [3].

Физическое объяснение:

1. Причина остановки ртути: давление столба ртути высотой 760 мм внутри трубки уравновешивается давлением атмосферы на поверхность ртути в чаше: Pатм = ρртути * g * h

2. Почему не выливается вся ртуть? Если бы атмосферное давление отсутствовало, ртуть вытекла бы полностью из-за силы тяжести. Опыт доказал: высота столба ртути поддерживается внешним давлением воздуха.

3. Торричеллиева пустота: пространство над ртутью - не идеальный вакуум, но его давление крайне мало (пары ртути при комнатной температуре). Это первая искусственно созданная разреженная среда.

Значение открытия:

1. Доказательство атмосферного давления: опыт подтвердил гипотезу Торричелли - Земля окружена воздушным океаном, который давит на поверхность.

2. Опровержение аристотелевской физики: явление объяснялось не “боязнью пустоты”, а законами механики и равновесия сил.

3. Создание первого барометра: прибор Торричелли стал первым инструментом для измерения атмосферного давления. Единица измерения - мм рт. ст. - используется до сих пор.

4. Влияние на науку: подтолкнул Паскаля к экспериментам с давлением на разной высоте, доказавшим убывание атмосферного давления с высотой.

Расчеты (базовые):

• Стандартное атмосферное давление: Pатм = ρртути * g * h = 13 534 кг/м³ * 9.8 м/с² * 0.76 м ≈ 101 300 Па = 760 мм рт. ст.

• Если бы использовалась вода: высота столба составила бы h воды = Pатм / (ρ_воды * g) = 101 300 / (1000 * 9.8) ≈ 10.3 м. Вот почему Торричелли выбрал ртуть — опыт с водой технически сложен.

Рисунок 3

2 ) Анероид (барометр-анероид). Более компактный и удобный в использовании прибор.

Принцип действия: регистрирует деформацию упругой металлической коробки (сильфона) с разреженным воздухом. При изменении давления коробка сжимается или расширяется, двигая стрелку через систему рычагов.

Конструкция: герметичный гофрированный металлический сильфон, пружина (компенсирует “расплющивание”), передаточный механизм, шкала.

Преимущества: безопасность, портативность, устойчивость к механическим воздействиям.

Погрешности: до ±2–3 гПа из-за гистерезиса материала, температурного расширения. Требует калибровки по ртутному барометру.

Применение:  бытовые барометры, метеозонды, барографы (для непрерывной записи)

Рисунок 4

3 ) Электронный барометр. Современные электронные барометры используют датчики давления, которые преобразуют изменение давления в электрический сигнал. Эти приборы отличаются высокой точностью и позволяют автоматически регистрировать данные [9].

Принцип действия:

Пьезорезистивные: измеряют изменение сопротивления кремниевой мембраны при деформации под давлением.

Емкостные: фиксируют изменение емкости конденсатора, где атмосферное давление сдвигает одну из обкладок.

Преимущества: высокая точность (±0.1 гПа), малый размер, интеграция с системами IoT, GPS, метеостанциями. Данные можно передавать и обрабатывать.

Применение: смартфоны, авиация, профессиональные метеорологические станции, альтиметры.

Рисунок 5

4) Гипсотермометр (Кипятильный барометр).

Принцип действия: основан на зависимости температуры кипения жидкости от давления. Измеряя температуру кипения дистиллированной воды с термометром, давление вычисляют по формуле.  Tкип=f(P).

Погрешность: ±1–2 мбар. Используется редко из-за сложности сравнения с анероидами и электронными приборами.

Таблица 1

Рассмотрено строение и состав атмосферы: анализ показал, что атмосфера Земли представляет собой сложную, динамичную газовую оболочку, состоящую из смеси постоянных газов (азот, кислород, аргон) и переменных компонентов (пары воды, CO₂, озон и др.). Выявлена четкая вертикальная стратификация (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера), где каждый слой характеризуется специфическими температурным режимом, плотностью и химическим составом. 

Изучена барометрическая формула: изучение барометрической формулы (гипсометрического закона) подтвердило ее ключевое значение в объяснении закономерного убывания атмосферного давления с высотой. Показано, что экспоненциальная зависимость давления от высоты является прямым следствием условия гидростатического равновесия и уравнения состояния идеального газа. Формула не только описывает вертикальный градиент давления, но и позволяет количественно оценивать изменения плотности воздуха и парциального давления кислорода, что критически важно для прогнозирования физиологических условий на разных высотах и в авиации.

Рассмотрен механизм образования атмосферного давления: исследование физической природы атмосферного давления на основе молекулярно-кинетической теории газов (МКТ) позволило установить, что давление является макроскопическим проявлением непрерывных хаотических ударов молекул воздуха о поверхность. Давление атмосферы на любую точку поверхности равно весу вышележащего столба воздуха. Основное уравнение МКТ наглядно связало давление с микроскопическими параметрами: концентрацией молекул, их массой и средней кинетической энергией (зависящей от температуры). Этот механизм объясняет саму суть давления как результата статистического усреднения огромного числа элементарных взаимодействий.

Изучены приборы для измерения атмосферного давления: в работе систематизированы классические и современные методы измерения атмосферного давления. Показано историческое и методологическое значение ртутного барометра Торричелли как эталонного прибора, принцип действия которого основан на прямом уравновешивании давления столбом жидкости. Описаны конструкция, преимущества и ограничения массово применяемых барометров-анероидов, использующих упругую деформацию металлической коробки. Особое внимание уделено цифровым (электронным) барометрам на основе пьезорезистивных или емкостных сенсоров, отличающихся высокой точностью, малыми габаритами и интеграцией в автоматизированные системы.

Атмосферное давление является интегральным показателем состояния земной атмосферы, возникновение и изменение которого имеют строгое физическое обоснование, описываемое фундаментальными законами термодинамики, гидростатики и молекулярно-кинетической теории. Оно является неотъемлемым элементом окружающей среды, оказывающим значимое влияние на широкий спектр природных процессов и, что особенно важно, на здоровье и самочувствие человека.

Представленное всестороннее изучение феномена атмосферного давления - от его фундаментальных основ до практических аспектов измерения и учета влияния на организм - подчеркивает междисциплинарное значение данной темы в физике, метеорологии, приборостроении, экологии и медицине. Исследование и мониторинг атмосферного давления сохраняют высокую научную и практическую актуальность для решения задач прогнозирования погоды, обеспечения безопасности в авиации и альпинизме, а также совершенствования методов профилактики и охраны здоровья людей в условиях меняющейся окружающей среды.

1) Из за чего возникает атмосферное давление? (из-за веса воздуха, находящегося над данной поверхностью)

2) Что притягивает газы к поверхности Земли? (гравитация/ сила притяжения)

3) Что является единицей измерения давления с системе СИ? (Паскаль)

4) С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается или увеличивается и почему? (уменьшается, это связано с тем, что над данной точкой находится меньший столб воздуха)

5) Как называется самый нижний слой, содержащий около 80% массы всей атмосферы? (тропосфера)

6) Как называется самый внешний слой атмосферы, постепенно переходящий в космическое пространство? (экзосфера)

7) Что позволяет количественно описывать вертикальное распределение атмосферного давления? (барометрическая формула)

8) С помощью какого прибора измеряется атмосферное давление? (барометр)

1. Матвеев, А. Н. Молекулярная физика : учеб. пособие для вузов / А. Н. Матвеев. - 5-е изд., стер. - Санкт-Петербург : Лань, 2010. - 395 с. -Текст: электронный.

2. Сивухин, Д. В. Общий курс физики : учеб. пособие для вузов : в 5 т. Т. 2 : Термодинамика и молекулярная физика / Д. В. Сивухин. - 5-е изд., испр. - Москва : Физматлит, 2006. - 543 с. - Текст: электронный.

3. Иванов, П. П. Измерение атмосферного давления с помощью микроконтроллера / П. П. Иванов - Текст: электронный // Современные научные исследования и инновации. - 2015. - № 12, ч. 2. - С. 123-128.

4. Петров, А. А. Влияние атмосферного давления на физиологическое состояние человека / А. А. Петров, Б. Б. Сидоров - Текст: электронный // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. - 2021. - № 4. - С. 55-60.

5. Анохин, В. Ф. Метеорология и климатология : учеб. пособие для вузов / В. Ф. Анохин. - Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 2005. - 480 с. -Текст: электронный.

6. Данилов, А. Д. Физика атмосферы / А. Д. Данилов, М. Н. Власов. - Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 1994. - 288 с. - Текст: электронный.

7. Зверев, А. С. Синоптическая метеорология : учебник для гидрометеорологических техникумов / А. С. Зверев. - Ленинград : Гидрометеоиздат, 1977. - 711 с. - Текст: электронный.

8. Качурин, Л. Г. Атмосферное давление и его влияние на образование осадков / Л. Г. Качурин - Текст: электронный // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. - 2000. - Т. 36, № 4. - С. 501-511.

9. Сидоров, П. И. Современные методы измерения атмосферного давления / П. И. Сидоров, Н. В. Петрова - Текст: электронный // Датчики и системы. - 2018. - № 10. - С. 25-29.

10. Вернадский, В. И. Биосфера и ноосфера / В. И. Вернадский. - Москва : Айрис-пресс, 2007. - 576 с. - Текст: электронный.