§ 19. Изменение давления воздуха с высотой

Определения и обозначения

Атмосферное давление — давление, оказываемое воздухом на поверхность Земли и находящиеся на ней тела. Воздух невидим, но имеет массу и действует на предметы. Это понятие помогает объяснить, почему воздух влияет на всё вокруг, хотя мы обычно его не замечаем.

Давление воздуха с высотой — атмосферное давление, измеренное на определённой высоте над уровнем моря. Уровень моря используют как условную точку, от которой удобно отсчитывать высоту места. Такое определение нужно, чтобы сравнивать давление, например, у подножия и на вершине горы.

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. Он показывает, насколько сильно воздух давит в месте наблюдения. Сравнивая показания барометра в разных местах, можно определить, где давление больше, и сделать вывод о различии высот.

Как это устроено

Воздух состоит из мельчайших частиц и обладает массой, хотя сам по себе невидим. Земля притягивает эти частицы, поэтому воздух не разлетается в космос, а окружает планету. Из-за массы воздух давит на поверхность и предметы, как и другие вещества. Это действие воздуха и называют атмосферным давлением.

У поверхности Земли на человека давит не только воздух рядом с ним, но и весь столб воздуха, который находится выше. Можно представить этот столб как высокий слой воздуха от наблюдателя до верхней границы атмосферы. Чем больше воздуха расположено над местом, тем сильнее его давление на это место. Поэтому высота наблюдателя влияет на показание барометра.

Когда человек поднимается вверх, например по склону горы, над ним остаётся всё меньшая часть воздушного столба. Причина в том, что нижние участки горы находятся под большим количеством воздуха, а выше часть этого воздуха уже расположена ниже наблюдателя. Короткий столб воздуха давит слабее длинного. Поэтому давление при подъёме уменьшается, а при спуске обычно увеличивается.

С высотой воздух становится менее плотным: в одинаковом объёме пространства оказывается меньше воздуха. Это связано с тем, что нижние слои атмосферы сжимаются весом воздуха, расположенного выше, а высоко над землёй такое сжатие слабее. Менее плотный воздух оказывает меньшее давление. Значит, уменьшение давления связано и с сокращением столба воздуха над человеком, и с тем, что верхние слои разреженнее.

Изменение давления можно обнаружить с помощью барометра. Если измерить давление у подножия, на склоне и на вершине, показания прибора можно сравнить: обычно они будут уменьшаться по мере подъёма. Барометр измеряет именно давление, а не высоту. Однако по изменению его показаний можно понять, где давление выше или ниже, и сопоставить это с высотой мест.

Как меняется атмосферное давление с высотой

Чтобы пользоваться таблицей, двигайтесь от подножия к вершине: высота увеличивается, а столб воздуха над наблюдателем становится короче. Вместе с ним уменьшается и атмосферное давление. Таблица показывает общее сравнение, а не точные числовые значения для конкретной горы.

Разбор задач

Задача 1

В двух местах одновременно измерили атмосферное давление: у подножия холма и на его вершине. Нужно определить, где давление будет больше. Для этого сравним высоту мест и количество воздуха над наблюдателями. Числовые вычисления не нужны: достаточно установить, какое место ниже.

1. Подножие холма находится ниже вершины.
2. Над подножием расположен более длинный столб воздуха, чем над вершиной.
3. Более длинный столб воздуха оказывает большее давление.

Ответ: давление больше у подножия холма. Там над наблюдателем находится больше воздуха, чем на вершине.

Задача 2

Показания барометра у подножия горы выше, чем на вершине. Нужно объяснить, почему один и тот же прибор показывает разные значения. Сначала вспомним, что барометр измеряет давление, а не высоту. Затем сравним, сколько воздуха находится над каждым местом.

1. У подножия человек находится ниже, поэтому над ним расположен более длинный столб воздуха.
2. Этот столб давит сильнее, и атмосферное давление у подножия оказывается выше.
3. На вершине столб воздуха короче, поэтому давление и показание барометра меньше.

Ответ: прибор показывает разные значения, потому что на разной высоте над наблюдателями находится разное количество воздуха. У подножия давление больше, а на вершине меньше.

Задача 3

На нескольких точках маршрута измерили давление барометром. Нужно по показаниям определить, где наблюдатель находился выше всего. Сравним показания между собой: не требуется знать точную высоту каждой точки. Используем связь между давлением и высотой.

1. Найдите среди измерений наименьшее показание барометра.
2. При подъёме столб воздуха над человеком становится короче, поэтому давление уменьшается.
3. Значит, точке с наименьшим показанием соответствует наибольшая высота среди мест измерения.

Ответ: наблюдатель находился выше всего в точке, где барометр показал наименьшее давление. Это вывод по сравнению показаний, а не прямое измерение высоты.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что давление с высотой увеличивается. Так можно подумать, представляя подъём как приближение к воздуху, но над человеком при этом остаётся меньше воздуха. Проверь себя: на вершине столб воздуха короче, значит, давление ниже.
• Ошибка: думать, что невидимый воздух не давит. Мы не видим воздух и поэтому можем забыть о его действии, однако он имеет массу. Проверь себя: воздух окружает предметы, а его давление можно измерить барометром.
• Ошибка: путать высоту места с длиной столба воздуха над ним. При подъёме высота растёт, но столб воздуха над наблюдателем становится короче. Проверь себя: чем выше место, тем меньше воздуха остаётся над ним.
• Ошибка: считать, что барометр прямо измеряет высоту. Прибор показывает давление, а связь с высотой помогает сделать вывод о положении наблюдателя. Проверь себя: на шкале барометра указано давление, а не высота местности.

Связь с другими темами

Чтобы понять атмосферное давление, нужно знать, что воздух окружает Землю, имеет массу и оказывает давление. Эти свойства помогают объяснить, почему показания барометра меняются при подъёме. Знание о давлении пригодится при изучении погоды и ветра: оно помогает разбираться в том, как наблюдают за состоянием атмосферы. Барометр относится к метеорологическим приборам — приборам, которые используют для наблюдений за погодой.

Что запомнить

• Воздух имеет массу и оказывает давление.
• Атмосферное давление создаётся воздухом над наблюдателем.
• При подъёме столб воздуха над человеком становится короче.
• С увеличением высоты атмосферное давление уменьшается.
• Барометр служит для измерения атмосферного давления.
• Меньшее показание барометра обычно соответствует большей высоте.