Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

1. Почему важно знать атмосферное давление

Ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние необ­хо­ди­мо знать людям раз­ных про­фес­сий: лет­чи­кам и ме­ди­кам, по­ляр­ни­кам и уче­ным. Ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние – это ве­ли­чи­на, ко­то­рая по­мо­га­ет пред­ска­зы­вать по­го­ду. Если ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние по­вы­ша­ет­ся, это го­во­рит о том, что по­го­да будет хо­ро­шей: зимой – мо­роз­ной, а летом – жар­кой. Если же ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние по­ни­жа­ет­ся, это может пред­ве­щать ухуд­ше­ние по­го­ды: по­яв­ле­ние об­лач­но­сти, вы­па­де­ние осад­ков. Летом – это по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, а зимой – по­теп­ле­ние.

2. Строение атмосферы

С 1951 года, по ре­ше­нию Меж­ду­на­род­но­го гео­фи­зи­че­ско­го союза, при­ня­то де­лить ат­мо­сфе­ру на пять ча­стей (слоев). Это тро­по­сфе­ра, стра­то­сфе­ра, ме­зо­сфе­ра, тер­мо­сфе­ра и эк­зо­сфе­ра. Тер­мо­сфе­ру еще на­зы­ва­ют ионо­сфе­рой. Эти слои не имеют четко вы­ра­жен­ных гра­ниц. Их ве­ли­чи­на за­ви­сит от гео­гра­фи­че­ской ши­ро­ты места на­блю­де­ния и вре­ме­ни (см. рис. 1).

Рис. 1. Стро­е­ние ат­мо­сфе­ры Земли

Раз­де­ле­ние ат­мо­сфе­ры на слои про­во­дят, учи­ты­вая ха­рак­тер из­ме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха с вы­со­той. По мере подъ­ема от по­верх­но­сти Земли тем­пе­ра­ту­ра воз­ду­ха сна­ча­ла убы­ва­ет, а затем на­чи­на­ет воз­рас­тать (см. рис. 2).

.

Рис. 2. Рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха по вы­со­те

Бли­жай­ший к по­верх­но­сти Земли слой воз­ду­ха – тро­по­сфе­ра – наи­бо­лее хо­ро­шо изу­чен. Вы­со­та его над по­ляр­ны­ми об­ла­стя­ми – 8–12 км, над уме­рен­ны­ми – 10–12 км, а над эк­ва­то­ри­аль­ны­ми – 16–18 км. В этом слое со­сре­до­то­че­ны при­мер­но 80% всей массы ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха и ос­нов­ная масса влаги. Слой хо­ро­шо про­пус­ка­ет сол­неч­ные лучи, по­это­му воз­дух в нем на­грет от зем­ной по­верх­но­сти. Тем­пе­ра­ту­ра воз­ду­ха с вы­со­той непре­рыв­но по­ни­жа­ет­ся. Это по­ни­же­ние со­став­ля­ет около 6°С на каж­дый ки­ло­метр. В верх­них слоях тро­по­сфе­ры тем­пе­ра­ту­ра воз­ду­ха до­сти­га­ет минус 55 гра­ду­сов Цель­сия. Цвет неба в этом слое го­лу­бой. В тро­по­сфе­ре про­те­ка­ют почти все яв­ле­ния, опре­де­ля­ю­щие по­го­ду. Имен­но здесь об­ра­зу­ют­ся грозы, ветры, об­ла­ка, ту­ма­ны. Имен­но здесь про­те­ка­ют про­цес­сы, при­во­дя­щие к вы­па­де­нию осад­ков в виде дождя и снега. По­это­му тро­по­сфе­ру на­зы­ва­ют фаб­ри­кой по­го­ды.

Сле­ду­ю­щий слой – стра­то­сфе­ра. Она про­сти­ра­ет­ся от вы­со­ты 18 до 55 км. В ней очень мало воз­ду­ха – 20% всей массы – и почти нет влаги. В стра­то­сфе­ре часто воз­ни­ка­ют силь­ней­шие ветры. Из­ред­ка здесь об­ра­зу­ют­ся пер­ла­мут­ро­вые об­ла­ка, со­сто­я­щие из кри­стал­ли­ков льда (см. рис. 3). При­выч­ных для нас яв­ле­ний по­го­ды здесь не на­блю­да­ет­ся. Цвет неба в стра­то­сфе­ре тем­но-фи­о­ле­то­вый, почти чер­ный.

Рис. 3. Пер­ла­мут­ро­вые об­ла­ка в стра­то­сфе­ре

На вы­со­те от 50 до 80 км рас­по­ло­же­на ме­зо­сфе­ра. Воз­дух здесь еще более раз­ре­жен. Здесь со­сре­до­то­че­но при­бли­зи­тель­но 0,3% всей его массы. В ме­зо­сфе­ре сго­ра­ют вле­та­ю­щие в зем­ную ат­мо­сфе­ру ме­тео­ры. Здесь же об­ра­зу­ют­ся се­реб­ри­стые об­ла­ка (см. рис. 4).

Рис. 4. Се­реб­ри­стые об­ла­ка в ме­зо­сфе­ре

Над ме­зо­сфе­рой до вы­со­ты при­мер­но 800 км на­хо­дит­ся тер­мо­сфе­ра (ионо­сфе­ра). Она ха­рак­те­ри­зу­ет­ся еще мень­шей плот­но­стью воз­ду­ха и спо­соб­но­стью хо­ро­шо про­во­дить элек­три­че­ство и от­ра­жать ра­дио­вол­ны. В тер­мо­сфе­ре об­ра­зу­ют­ся по­ляр­ные си­я­ния (см. рис. 5).

Рис. 5. По­ляр­ное си­я­ние в тер­мо­сфе­ре (ионо­сфе­ре)

По­след­ний слой ат­мо­сфе­ры – эк­зо­сфе­ра. Она про­сти­ра­ет­ся до вы­со­ты по­ряд­ка 10000 км.

3. Измерение атмосферного давления

О том, что воз­дух имеет вес, мы часто за­бы­ва­ем. Между тем, плот­ность воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли при 0°С со­став­ля­ет 1,29 кг/м³.

То, что воз­дух дей­стви­тель­но имеет вес, было до­ка­за­но Га­ли­ле­ем. А уче­ник Га­ли­лея Эван­дже­ли­ста Тор­ри­чел­ли (см. рис. 6) пред­по­ло­жил и смог до­ка­зать, что воз­дух ока­зы­ва­ет дав­ле­ние на все тела, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти Земли. Это дав­ле­ние на­зы­ва­ет­ся ат­мо­сфер­ным дав­ле­ни­ем.

Рас­счи­тать ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние по фор­му­ле рас­че­та дав­ле­ния стол­ба жид­ко­сти нель­зя. Ведь для этого необ­хо­ди­мо знать плот­ность и вы­со­ту стол­ба жид­ко­сти или газа. Но у ат­мо­сфе­ры нет чет­кой верх­ней гра­ни­цы, а плот­ность ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха умень­ша­ет­ся с ро­стом вы­со­ты. По­это­му Тор­ри­чел­ли пред­ло­жил со­вер­шен­но дру­гой спо­соб для на­хож­де­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния.

Рис. 6. Эван­дже­ли­ста Тор­ри­чел­ли (1608–1647)

Тор­ри­чел­ли взял стек­лян­ную труб­ку дли­ной около од­но­го метра, за­па­ян­ную с од­но­го конца, налил в эту труб­ку ртуть и опу­стил труб­ку от­кры­тым кон­цом в чашу с рту­тью. Неко­то­рое ко­ли­че­ство ртути вы­ли­лось в чашу, но боль­шая часть ртути оста­лась в труб­ке. Изо дня в день уро­вень ртути в труб­ке незна­чи­тель­но ко­ле­бал­ся, то немно­го опус­ка­ясь, то немно­го под­ни­ма­ясь.

Дав­ле­ние ртути на уровне а-а₁ со­зда­ет­ся весом стол­ба ртути в труб­ке, так как в верх­ней части труб­ки над рту­тью воз­ду­ха нет (там ва­ку­ум, ко­то­рый по­лу­чил на­зва­ние «тор­ри­чел­ли­е­ва пу­сто­та»). От­сю­да сле­ду­ет, что ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние равно дав­ле­нию стол­ба ртути в труб­ке. Из­ме­рив вы­со­ту стол­ба ртути, можно рас­счи­тать дав­ле­ние, ко­то­рое про­из­во­дит ртуть. Оно будет равно ат­мо­сфер­но­му. Если ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние умень­ша­ет­ся, то столб ртути в труб­ке Тор­ри­чел­ли по­ни­жа­ет­ся, и на­о­бо­рот (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема опыта Тор­ри­чел­ли

4. Миллиметр ртутного столба – внесистемная единица давления

На прак­ти­ке ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние можно из­ме­рять вы­со­той ртут­но­го стол­ба. Если, на­при­мер, ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние равно 780 мил­ли­мет­ров ртут­но­го стол­ба (обо­зна­ча­ет­ся «мм рт. ст.»), то это озна­ча­ет, что воз­дух про­из­во­дит точно такое же дав­ле­ние, как столб ртути вы­со­той 780 мм. В этом слу­чае за еди­ни­цу дав­ле­ния при­ни­ма­ют 1 мм рт. ст. Най­дем со­от­но­ше­ние между этими еди­ни­ца­ми из­ме­ре­ния и из­вест­ной нам еди­ни­цей из­ме­ре­ния дав­ле­ния – пас­ка­лем.

Рас­счи­та­ем дав­ле­ние стол­ба ртути вы­со­той 1 мм. Это можно сде­лать с по­мо­щью из­вест­ной нам фор­му­лы

где ρ = 13 600 кг/м³ – плот­ность ртути,

g = 9,8 Н/кг – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния,

h = 1 мм – вы­со­та стол­ба жид­ко­сти.

Под­ста­нов­ка этих чис­ло­вых зна­че­ний дает:

Таким об­ра­зом, 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

5. Ртутный барометр

На­блю­дая еже­днев­но за из­ме­не­ни­ем уров­ня стол­ба ртути, Тор­ри­чел­ли за­ме­тил, что он может по­вы­шать­ся и по­ни­жать­ся. Также Тор­ри­чел­ли свя­зал эти из­ме­не­ния с из­ме­не­ни­я­ми по­го­ды. Если к труб­ке Тор­ри­чел­ли при­кре­пить вер­ти­каль­ную шкалу, то по­лу­чит­ся про­стей­ший при­бор для из­ме­ре­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния – ртут­ный ба­ро­метр.

Но ис­поль­зо­ва­ние ртут­но­го ба­ро­мет­ра небез­опас­но, так как пары ртути ядо­ви­ты. Впо­след­ствии были со­зда­ны дру­гие при­бо­ры для из­ме­ре­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния, с ко­то­ры­ми вы по­зна­ко­ми­тесь в ходе сле­ду­ю­ще­го урока.