Что такое атмосферное давление?

Атмосферное давление, часто называемое давлением воздуха, — это сила, оказываемая весом воздушного столба над определенной точкой на поверхности Земли. На уровне моря среднее атмосферное давление составляет примерно 1013,25 миллибар (мб) или 29,92 дюйма ртути (inHg). Это давление уменьшается с высотой, поскольку плотность воздуха уменьшается по мере движения вниз, а это означает, что при движении вниз воздух уменьшается. Кроме высоты, температура и влажность также значительно влияют на атмосферное давление. Теплый воздух расширяется и становится менее плотным, что приводит к снижению давления, в то время как холодный, сухой воздух плотнее и создает более высокое давление. Эти фундаментальные свойства лежат в основе того, как системы атмосферного давления формируют и влияют на погодные условия во всем мире.

Атмосферное давление традиционно измеряется с помощью барометров. Два распространенных типа - ртутные барометры, которые полагаются на высоту ртутного столба, изменяющегося в ответ на изменения давления, и анероидные барометры, которые используют гибкую металлическую капсулу, которая расширяется или сжимается. Сегодня передовые электронные датчики и спутниковые инструменты предоставляют непрерывные данные о давлении, подавая в сложные погодные модели, которые прогнозируют все от нежных бризов до разрушительных ураганов. Градиент давления - разница в давлении на определенном расстоянии - является основным драйвером ветра, поскольку воздух перемещается из областей более высокого давления в области более низкого давления.

Понимание атмосферного давления имеет решающее значение как для метеорологов, так и для климатологов. Это не только имеет основополагающее значение для прогнозирования ежедневной погоды, но и имеет решающее значение для понимания более крупных климатических систем и их вариаций. Для комплексных образовательных ресурсов такие учреждения, как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) предоставляют подробные объяснения атмосферного давления и его метеорологической важности.

Формирование систем атмосферного давления

Системы атмосферного давления возникают в первую очередь из-за неравномерного нагрева поверхности Земли солнечным излучением. Солнце нагревает экваториальные области более интенсивно, чем полюса, создавая температурные градиенты, которые заставляют воздух расширяться, подниматься или опускаться. В сочетании с эффектом Кориолиса, вызванным вращением Земли, эти температурные различия создают организованные схемы циркуляции в атмосфере. Два преобладающих типа систем давления - системы высокого давления (антициклоны) и системы низкого давления (циклоны), каждый из которых проявляет различные характеристики и погодные последствия.

Системы высокого давления (антициклоны)

Системы высокого давления развиваются, когда воздух охлаждается, становится плотнее и опускается к поверхности. По мере того, как этот нисходящий воздух сжимается, он нагревается адиабатически, то есть нагревается без теплообмена с окружающей средой, подавляя образование облаков. Это приводит к ясному небу, стабильным атмосферным условиям и часто сухой погоде. На поверхности воздух расходится наружу от центра области высокого давления и спирали по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии из-за эффекта Кориолиса.

Эти системы могут производить инверсии оседания, когда слой теплого, сухого воздуха находится над более холодным, влажным воздухом вблизи поверхности. Эта инверсия предотвращает вертикальное движение воздуха и может удерживать загрязняющие вещества под собой, что приводит к смогу и плохому качеству воздуха, особенно в городских условиях. Постоянные системы высокого давления, такие как субтропические максимумы над Атлантическим и Тихим океанами, имеют основополагающее значение для формирования глобального климата, вызывая торговые ветры и способствуя развитию пустынных регионов во всем мире.

  • Спускающийся воздух тормозит образование облаков.
  • Чистое небо и стабильная погода типичны.
  • Легкие ветры распространены вблизи центра.
  • Поверхностный воздух расходится и вращается] наружу.

Для детального визуального и научного объяснения того, как работают системы давления, SciJinks НАСА предоставляет отличные учебные материалы.

Системы низкого давления (циклоны)

Системы низкого давления образуются, когда поднимается теплый, менее плотный воздух, создавая поверхностный вакуум.Окружающий более холодный, более плотный воздух устремляется внутрь, чтобы заполнить эту пустоту, сближаясь с поверхностью и поднимаясь вверх.По мере того, как воздух поднимается, он расширяется и остывает адиабатически, приводя к конденсации, образованию облаков и осадкам. Системы низкого давления проявляют циклоническое вращение: против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии.

Эти системы являются основными двигателями штормовой и нестабильной погоды. Их можно разделить на две категории:

  • Внетропические циклоны:] Эти штормы средней широты связаны с фронтами погоды, где взаимодействуют теплые и холодные воздушные массы, часто вызывая дождь, снег и сильные ветры.
  • Тропические циклоны: Включая ураганы, тайфуны и циклоны, они образуются над теплыми океанскими водами и получают энергию от скрытого тепла, выделяемого во время конденсации влажного воздуха.

Подъем воздуха в системах низкого давления способствует развитию облаков и осадков, создавая нестабильные условия, способствующие штормам и турбулентной погоде.По мере того, как более теплый воздух поднимается вверх, поверхностное давление углубляется, усиливая систему.

  • Воздух поднимается способствует образованию облаков и осадков.
  • Нестабильные атмосферные условия приводят к штормам.
  • Поверхностный воздух сходится и вращается внутрь.
  • Давление продолжает углубляться по мере того, как поднимается теплый воздух.

Глобальная атмосферная циркуляция

Системы атмосферного давления являются неотъемлемыми компонентами глобальной системы циркуляции Земли, которая перераспределяет тепло и влагу вокруг планеты. Классическая трехклеточная модель, включающая в себя ячейки Хэдли, Ферреля и Полярных ячеек, объясняет крупномасштабные закономерности ветров и поясов давления. Эта циркуляция возникает в первую очередь из-за контраста солнечного нагрева между экваториальными и полярными областями, сформированными и модулированными вращением Земли.

Клетка Хэдли

Возле экватора интенсивное солнечное нагревание заставляет воздух нагреваться и подниматься, создавая зону низкого давления, известную как Межтропическая зона конвергенции (ITCZ). Вознесенный воздух движется по полюсу в верхней атмосфере, охлаждаясь при движении. Около 30° широты в обоих полушариях этот воздух опускается, образуя субтропические пояса высокого давления. Поверхностные ветры, возвращающиеся на экватор от этих максимумов, являются торговыми ветрами, которые дуют преимущественно с востока на запад. Исторически эти ветры были жизненно важны для морского судоходства, питая парусные суда в трансокеанских путешествиях.

Нисходящий воздух в субтропиках сухой и стабильный, тормозящий образование облаков и ведущий к некоторым из крупнейших пустынь мира, таким как Сахара, Аравийские и Австралийские пустыни.Эти субтропические максимумы являются полупостоянными чертами и играют решающую роль в регулировании глобального климата.

Феррел и полярные клетки

Между приблизительно 30° и 60° широты доминирует ячейка Ферреля. В этой области поверхностные ветры, известные как Вестерли, дуют от субтропических максимумов к субполярным минимумам. Около 60° широты лежит полярный фронт, где теплый воздух из ячейки Ферреля встречает холодный полярный воздух, в результате чего теплый воздух поднимается и образует полосу низкого давления. Это взаимодействие является основным драйвером штормовых систем средней широты.

Полярная ячейка завершает цикл циркуляции. Холодный, плотный воздух опускается на полюсах, создавая зоны высокого давления, и течет в экваторе, как полярные востока. Этот холодный воздух встречается с более теплыми воздушными массами дальше на юг на полярном фронте, питая развитие шторма. Динамическое взаимодействие между ячейками Феррела и Полярных формирует погодные условия, испытываемые в большей части Соединенных Штатов, Европы и Северной Азии.

  • Торговые ветры (0°-30°) дуют с востока на запад.
  • Вестерлис (30°—60°) дуют с запада на восток.
  • Полярные восточные линии (60°—90°) дуют с востока на запад.

Расположения этих ветровых поясов и систем давления меняются сезонно, влияя на региональный климат.Например, ITCZ мигрирует на север летом в Северном полушарии и на юг зимой, приводя к муссонным осадкам в таких регионах, как Южная Азия, Западная Африка и части Южной Америки.

Влияние на погоду

Системы атмосферного давления оказывают глубокое влияние на погоду, влияя на характер ветра, температуру и осадки. Метеорологи внимательно следят за изменениями давления для прогнозирования предстоящих погодных условий и тяжелых событий. Даже незначительные колебания барометрического давления могут указывать на приближающийся шторм или тенденцию к очистке неба.

Ветровые паттерны и реактивный поток

Ветер возникает потому, что воздух перемещается из областей высокого давления в области низкого давления, но его путь отклоняется эффектом Кориолиса из-за вращения Земли. Атмосферные ветры верхнего уровня особенно важны в системах управления погодой поверхности. Струйный поток, узкая полоса интенсивных западных ветров, расположенных примерно на 9-12 километрах (30 000-40 000 футов) над поверхностью, играет ключевую роль в динамике погоды.

Струйный поток отделяет холодный полярный воздух от более теплого субтропического воздуха и направляет движение систем давления, влияя на штормовые дорожки и температурные модели. Изменения в положении и силе струйного потока могут вызывать постоянные погодные явления. Например, блокировка атмосферы происходит, когда гребни высокого давления задерживают струйный поток, что приводит к длительным волнам тепла, засухам или холодным заклинаниям.

Местные явления ветра также возникают из-за градиентов давления на меньших масштабах. Морские бризы развиваются из-за разницы температур между сушей и морем, создавая локализованные контрасты давления, которые приводят к прохладному воздуху внутри страны в течение дня. Горные и долинные ветры аналогично являются результатом дифференциального нагрева и охлаждения, формируя микроклиматы в горных районах и влияя на местные погодные условия.

Осадки и штормы

Системы низкого давления в первую очередь отвечают за осадки. По мере того, как воздух поднимается и охлаждается, водяной пар конденсируется на микроскопические частицы, называемые ядрами конденсации облаков, образуя облака. Сильные восходящие потоки могут привести к тому, что капли воды станут достаточно большими, чтобы упасть в виде дождя, снега или града. Тип и количество осадков зависят от температурного профиля атмосферы и наличия влаги в системе.

Внетропические циклоны часто производят широко распространенные осадки вдоль фронтальных границ.Теплый сектор перед холодным фронтом может принести устойчивый дождь или снег, в то время как холодный фронт может вызвать интенсивные грозы, шквалистые линии и иногда торнадо, особенно когда атмосферные условия благоприятствуют сильной конвекции.Тропические циклоны, подпитываемые теплыми океанскими водами и скрытым выделением тепла, генерируют проливные дожди, разрушительные штормовые нагоны и экстремальные ветры, часто нанося катастрофический ущерб в прибрежных районах.

Для глубокого понимания того, как различия в давлении приводят к штормовым системам, энциклопедия Britannica предлагает полный обзор.

Сильные прогнозы погоды

Прогнозирование суровой погоды в значительной степени зависит от анализа динамики системы давления. Метеорологи изучают градиенты давления, сдвиг ветра, содержание влаги и атмосферную нестабильность для выпуска часов и предупреждений о таких событиях, как торнадо, ураганы и метели. Образование мезоциклонов - вращающиеся восходящие потоки в грозах сверхячеек - тесно связано с сильным сдвигом ветра и средами низкого давления. Современные технологии, такие как доплеровские радары и спутниковые снимки, позволяют в режиме реального времени отслеживать изменения давления в нескольких масштабах, значительно повышая точность и время выполнения суровых прогнозов погоды.

Влияние на климат

Помимо непосредственной погоды, устойчивое расположение поясов высокого и низкого давления формирует региональные климатические модели в течение длительного времени. Субтропические зоны высокого давления обычно способствуют засушливому и полузасушливому климату, в то время как субполярные зоны низкого давления и ITCZ приносят обильные осадки. Эти устойчивые модели давления являются фундаментальными в определении основных климатических зон и биомов Земли.

Климатические зоны и распределение биомов

Глобальное распределение систем давления и преобладающие ветровые модели существенно влияют на наземные экосистемы и типы биомов.

  • Пустыни и полузасушливые регионы:] Расположенные в основном под субтропическими максимумами около 30° широты, эти районы включают пустыни Сахара, Атакама и Калахари, где опускающийся сухой воздух препятствует осадкам.
  • Тропические тропические леса: Найдены вблизи ITCZ, где постоянный рост воздуха и высокая влажность производят круглогодичное сильное количество осадков, поддерживая пышные леса, такие как Амазонка, Конго и индонезийские тропические леса.
  • Умеренный климат:] Вестерли приносят влажный воздух на западное континентальное побережье, способствуя средиземноморскому и морскому климату, в то время как восточное побережье часто проявляет больше континентальных климатических характеристик.
  • Полярный климат: Высокое давление над полюсами приводит к холодным, сухим условиям с минимальным количеством осадков, эффективно создавая холодные пустыни, такие как Антарктида.

Системы классификации климата, такие как схема Кёппена-Гейгера, в значительной степени зависят от температуры и осадков, сформированных системами давления. Сдвиги в средних положениях поясов давления, вызванные изменением климата, уже вызывают изменения в региональном климате, такие как расширение пустынь и изменения распределения осадков во всем мире.

Изменение климата и телесвязи

Межгодовая и десятилетняя изменчивость климата часто обусловлена колебаниями атмосферного давления в системах по всему миру.

  • Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO): Во время фаз Эль-Ниньо градиент давления в тропической части Тихого океана ослабевает, уменьшая торговые ветры, изменяя циркуляцию океана и меняя глобальные осадки и температурные модели, особенно в Северной и Южной Америке, Азии и Австралии.
  • Североатлантическое колебание (НАО): Это явление отражает изменения разницы давлений между исландским Низким и Азорским Высоким, влияя на экстремальные зимние погодные условия в Европе и восточной части Северной Америки.
  • Мадден-Джулианское колебание (MJO): Тропическое нарушение атмосферного давления и конвекции, распространяющееся на восток, влияя на активность муссонов и образование тропических циклонов.

Эти телесоединения подчеркивают сложную взаимозависимость систем атмосферного давления и глобального климата, подчеркивая сложность климатической системы Земли и важность продолжения исследований и мониторинга.