18. Атмосферное давление и барическое поле
Известно, что пространство, каждой точке которого соответствует значение какой-либо величины, называют полем этой величины. В каждой точке атмосферы имеется определенное давление. Это значит, что давление образует поле, которое называют барическим полем, или полем давления. Давление в каждой точке атмосферы характеризуется одним числовым значением, выраженным в гектопаскалях, т.е. оно является скаляром. Следовательно, барическое поле – скалярное поле.
Как всякое скалярное поле, его можно наглядно представить в трехмерном пространстве семейством поверхностей равных значений данного скаляра, а на плоскости – линиями равных значений. В барическом поле это изобарические поверхности и изобары. Изобарической называется поверхность, в каждой точке которой имеется одно и то же давление. Изобара – линия, соединяющая точки с одинаковым давлением на уровне моря (или на какой-либо поверхности уровня).
Для представления поля давления в трехмерном пространстве в какой-то определенный момент времени выбирают семейство поверхностей равных значений давления, т.е. изобарических поверхностей. Принято, что такими значениями давления являются: 1000, 925, 900, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 25 и 10 гПа.
Это семейство изобарических поверхностей пронизывает всю атмосферу, огибая земной шар. При этом изобарические поверхности пересекают поверхности уровня (поверхности равных высот) под очень малыми углами, порядка нескольких угловых минут. Изобарическая поверхность 1000 гПа проходит вблизи уровня моря.
Изобарическая поверхность 700 гПа располагается около высоты 3 км, поверхность 500 гПа – около высоты 5 км, поверхности 300 и 200 гПа – соответственно около высот 9 и 12 км, т.е. вблизи тропопаузы умеренных широт, поверхность 100 гПа – около 16 км, т.е. вблизи тропической тропопаузы.
На каждой поверхности уровня, включая и уровень моря, изобарические поверхности при пересечении образуют семейство изобар. Таким образом можно получить изобары на уровне моря. Это будет семейство изобар, значения которых будут группироваться около 1000 гПа. На высоте 3 км изобары будут группироваться около 700 гПа, на высоте 5 км – около 500 гПа, на высоте 9 км – около 300 гПа, на высоте 12 км – около 200 гПа, на высоте 16 км – около 100 гПа и т.д.
Точки пересечения изобарических поверхностей с поверхностями уровня в каждый момент времени в разных местах находятся на различных высотах над уровнем моря. Например, изобарическая поверхность 500 гПа над одними географическими районами может располагаться на высоте 6000 м, а над другими – на высоте 5000 м.
Это зависит от распределения давления на уровне моря в каждый момент времени и от средней температуры атмосферного столба в разных местах. Чем ниже температура столба воздуха, тем быстрее давление падает с высотой. Поэтому если даже на уровне моря давление было бы везде одинаковым, то вышележащие изобарические поверхности будут ниже в холодных областях атмосферы и выше в теплых.
Атмосфера находится в непрерывном движении. Это движение связано с непрерывным перераспределением давления на всем земном шаре. В свою очередь непрерывное движение приводит к тому, что форма изобарических поверхностей (барический рельеф) непрерывно меняется не только от точки к точке, но и во времени. Таким образом, барическое поле зависит от географических координат (широты и долготы), высоты и времени.
Исторически раньше всего в метеорологии начали анализировать географическое распределение давления на уровне моря, т.е. строить приземное поле давления с помощью изобар – линий равного давления. Чтобы построить карту изобар, на географическую карту наносят в пунктах расположения метеорологических станций, приведенные к уровню моря значения атмосферного давления, измеренные на этих станциях в один и тот же момент времени. Затем точки с одинаковым давлением соединяют изобарами. Каждая изобара – след пересечения соответствующей изобарической поверхности с уровнем моря.
На карте, охватывающей тот или иной географический район, можно для данного момента времени провести целое семейство изобар (рис. 2). Проводят их так, чтобы каждая изобара отличалась от соседних на 5 гПа. Например, изобары могут иметь значения 990, 995, 1000, 1005, 1010 гПа и т.д. В необходимых случаях используется интерполяция между давлениями на станциях.
На карте барического поля обнаруживаются области с замкнутыми изобарами и самым низким давлением в центре, называемые циклонами или депрессиями, и области с замкнутыми изобарами и самым высоким давлением в центре, называемые антициклонами. Кроме циклонов и антициклонов на карте изобар можно обнаружить и другие формы барического рельефа. Положение изобар от одного момента времени к другому непрерывно меняется: циклоны и антициклоны перемещаются, давление в их центрах понижается или повышается, они возникают в одних географических районах, перемещаются и исчезают в других.
За всеми этими изменениями необходимо следить, поскольку с областями изменения давления связаны изменения погоды. Такие изменения можно обнаружить при сопоставлении ряда карт, составленных для последовательных сроков наблюдений.
Рис. 2. Изобары на уровне моря (гПа) и горизонтальный барический градиент:
стрелками обозначен горизонтальный барический градиент
в шести точках барического поля: Н – циклон, В – антициклон [2]
В настоящее время в практике службы погоды не применяют отдельные карты изобар, а составляют синоптические карты, или карты погоды. На карты погоды возле каждой метеорологической станции, кроме приведенного к уровню моря давления, наносят также цифрами или особыми знаками все метеорологические величины по наземным наблюдениям: температуру, скорость и направление ветра, характеристики облачности, видимость, изменение давления за последние 3 ч, погоду в срок наблюдения и др.
На этих картах и проводят изобары.
В климатологии широко применяют карты изобар для уровня моря, составленные по средним многолетним данным.
Рассматривая изобары на синоптической карте, можно заметить, что в одних местах они проходят гуще, а в других – реже. Очевидно, что в тех местах, где изобары гуще, атмосферное давление меняется в горизонтальном направлении сильнее, а где реже – слабее. Говорят еще: «быстрее» и «медленнее», однако не следует смешивать изменения в пространстве, о которых идет речь, с изменениями во времени.
Если имеется поле какой-либо скалярной величины (например, давления), то количественной мерой изменения этой величины в пространстве является ее градиент. Следовательно, изменение атмосферного давления в горизонтальном направлении можно выразить горизонтальным градиентом давления или горизонтальным барическим градиентом.
Горизонтальным градиентом давления называют вектор, который направлен по нормали к изобаре, в сторону низкого давления и по величине равный производной давления по нормали.
По смыслу горизонтальный градиент давления представляет собой изменение давления на единицу расстояния в горизонтальной плоскости (точнее, на поверхности уровня) в направлении наиболее сильного убывания давления.
Как всякий вектор, горизонтальный градиент давления графически можно представить стрелкой, длина которой пропорциональна числовой величине градиента, а направление совпадает с положительным направлением нормали, в нашем случае в сторону убывания давления (см. рис. 2).
В разных точках барического поля направление и модуль барического градиента, конечно, разные. Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре больше; там, где изобары разрежены, оно меньше. Поскольку изобары проведены через одинаковые интервалы давления, модуль горизонтального градиента давления обратно пропорционален расстоянию между изобарами.