Атмосферное давление и изменение температуры с высотой

Воздух кажется невесомым, но он имеет массу: кубический метр воздуха у поверхности весит около 1,3 кг, а весь столб атмосферы над квадратным сантиметром — примерно 1 кг. Этот вес и есть атмосферное давление. Оно действует во все стороны одинаково, поэтому мы его не замечаем: изнутри тела давление такое же.

Число 760 пришло из опыта. В 1643 году итальянец Эванджелиста Торричелли запаял с одного конца стеклянную трубку длиной около метра, наполнил её ртутью, перевернул и опустил открытым концом в чашку со ртутью. Ртуть из трубки частично вылилась, но не вся: столбик высотой около 760 мм остался стоять. Держал его не «страх пустоты», как думали раньше, а давление наружного воздуха на поверхность ртути в чашке. Так появился барометр и единица «миллиметр ртутного столба».

Поэтому нормальным атмосферным давлением договорились считать 760 мм рт. ст. на уровне моря при 0 °C (в физике то же самое записывают как 1013 гПа). Всё, что выше этого значения, называют повышенным давлением, ниже — пониженным. Реальные значения на метеостанциях России обычно лежат в промежутке примерно от 730 до 790 мм рт. ст.

В ОГЭ единица важна не сама по себе, а тем, что числа в задании 5 надо просто сравнить между собой: где больше — там антициклон, где меньше — циклон. Никаких переводов в гектопаскали от ученика не требуют, но понимать, что 748 и 772 — это разница почти в три сантиметра ртутного столба и совершенно разная погода, полезно.

Чем выше поднимаемся, тем меньше воздуха остаётся над головой, а значит, тем меньше его вес. Отсюда главное правило темы: чем выше точка, тем ниже атмосферное давление. У самой поверхности падение идёт примерно на 10 мм рт. ст. на каждые 100 м подъёма — это и есть рабочая цифра школьной задачи.

Правило «10 мм на 100 м» точно работает только в нижнем километре. Выше воздух разрежен, и одинаковый подъём отнимает всё меньше миллиметров: на высоте около 5,5 км давление падает вдвое (примерно 380 мм рт. ст.), а на вершине Эвереста (8848 м) остаётся около 230 мм — меньше трети от нормы. Поэтому альпинисты выше 8000 м идут с кислородными баллонами: кислорода в воздухе по-прежнему 21 %, но самого воздуха на вдох приходится втрое меньше.

В задании 5 это правило работает в обе стороны. Если в таблице даны города, а в условии сказано, на какой высоте они лежат, самое низкое давление будет у самого высокогорного пункта, самое высокое — у того, что ниже всех над уровнем моря. Если высоты не даны, значит, сравнивают не высоты, а барические области: область высокого давления — антициклон, область низкого — циклон.

Следите за формулировкой. Вопрос «где давление наибольшее» и вопрос «где действует циклон» — разные: во втором случае ищут минимум. Ошибка здесь стоит целого балла, а в работе из 31 балла это заметная потеря.

Давление меняется не только с высотой, но и от нагрева. При нагревании воздух расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх; у поверхности при этом остаётся меньше воздуха, и давление падает. При охлаждении наоборот: воздух сжимается, тяжелеет, опускается, давление растёт.

Из этого простого механизма вырастает почти вся климатология, которую спрашивают в ОГЭ.

Над экватором воздух весь год сильно нагрет, поднимается — и там образуется постоянный пояс низкого давления. Поднявшийся воздух охлаждается, водяной пар конденсируется, поэтому у экватора круглый год ливни.

В тропических широтах этот воздух, растекшись в верхних слоях, опускается — образуются пояса высокого давления. Опускающийся воздух нагревается и удаляется от насыщения, облака не образуются: так на 20–30° широты выстроились крупнейшие пустыни планеты — Сахара, Аравийская, Калахари, Большая Песчаная.

В умеренных широтах снова пояс низкого давления, у полюсов — высокого, потому что там воздух холодный и тяжёлый.

Тот же механизм в меньшем масштабе даёт бризы на побережье: днём суша нагревается быстрее воды, над ней давление ниже, и ветер дует с моря на сушу; ночью суша быстрее остывает, и бриз меняет направление на противоположное. И тот же механизм в масштабе материка даёт муссоны, от которых зависит климат российского Дальнего Востока. Ветер всегда дует из области высокого давления в область низкого — это единственное, что нужно помнить, чтобы восстановить любую из этих картинок.

Кажется логичным, что на вершине горы теплее: там ближе к Солнцу. На деле разница расстояний ничтожна (Эверест приближает нас к Солнцу на девять километров из ста пятидесяти миллионов), а температура на вершине минусовая даже в тропиках.

Причина в том, что воздух почти прозрачен для солнечных лучей. Коротковолновое излучение Солнца проходит сквозь атмосферу, почти не нагревая её, и поглощается земной поверхностью. Нагретая поверхность излучает тепло в длинноволновом диапазоне, а вот его-то водяной пар и углекислый газ задерживают охотно. Получается, что тропосфера греется не сверху, от Солнца, а снизу, от земли. Чем дальше от нагретой поверхности, тем холоднее: в среднем на 0,6 °C каждые 100 м. За это же отвечает и высота снеговой линии: в Альпах она лежит около 2800 м, на Кавказе — около 3000–3500 м, а в экваториальных Андах поднимается почти до 5000 м, потому что у подножия там жарче.

Граница тропосферы — там, где падение температуры прекращается: 8–10 км над полюсами и 16–18 км над экватором (над экватором тёплый воздух расширяется и «раздувает» слой выше). На верхней границе тропосферы около −56 °C. Выше, в стратосфере, температура начинает расти, потому что там лежит озоновый слой, поглощающий ультрафиолет.

Есть и исключение из правила 0,6 °C — температурная инверсия, когда холодный воздух застаивается в котловине, а над ним лежит более тёплый. Зимой в Восточной Сибири это обычное дело: в Оймяконской котловине морозы сильнее, чем на соседних склонах. В расчётном задании 13 инверсию не учитывают — там всегда работает средний градиент, и в условии об этом прямо сказано словами «понижается в среднем».

Формулировка линии 13 в банке практически неизменна: «При подъёме в тропосфере температура воздуха понижается в среднем на 0,6 °C через каждые 100 м. Определите температуру воздуха на вершине горы…» Дальше меняются только числа и направление счёта.

Порядок действий один и тот же. Первое: найти разность высот в метрах. Второе: разделить её на 100 — получится число «сотен метров». Третье: умножить на 0,6 — получится, на сколько градусов изменится температура. Четвёртое: вычесть при подъёме, прибавить при спуске.

Вид первый, прямой. Дана температура у подножия и высота вершины. Считаем поправку и вычитаем. Ответ может оказаться отрицательным — так и записывают, со знаком минус.

Вид второй, со смещённым подножием. Подножие лежит не на уровне моря, а, скажем, на высоте 500 м. Тогда в расчёт идёт разность высот, а не абсолютная высота вершины: 3000 − 500 = 2500 м.

Вид третий, обратный. Известны температуры внизу и наверху, нужно найти высоту горы. Тогда делят разность температур на 0,6 и умножают на 100. Например, если внизу +24 °C, а наверху 0 °C, то 24 : 0,6 = 40, и высота равна 40 × 100 = 4000 м.

Проверка порядка величины: на каждый километр подъёма приходится ровно 6 °C. Гора 3000 м даёт 18 °C разницы, 2000 м — 12 °C. Если в ответе получилось изменение в сотню градусов, значит, разделили не на то число.