Может ли воздух давить? Что такое ветер?

Вы знаете, что наша планета Земля окружена воздушной оболочкой — атмосферой. В её состав входят азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы.

Толщина атмосферы сотни километров (это установлено благодаря полётам космических аппаратов). Молекулы воздуха движутся непрерывно и беспорядочно. Почему же молекулы не улетают от Земли, почему наша планета сохраняет свою воздушную оболочку? На молекулы воздуха действует сила тяжести, и действие этой силы как раз и «привязывает» молекулы к Земле.

— Но если Земля притягивает атмосферу, тогда её верхние слои действуют на нижние слои?

Это действительно так. В результате огромный слой воздуха — атмосфера создаёт давление. Давление, создаваемое воздушной оболочкой Земли, называют атмосферным давлением.

Атмосферное давление можно рассчитать. Результаты этих расчётов не могут не удивлять. Если принять, что площадь вашего тела составляет 1 м², то на него действует сила 100 000 Н. Это, как будто на вас сразу наступили два средних слона!

— Как же мы живём под таким гигантским давлением?

Мы просто не замечаем этой огромной сжимающей силы. Она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха внутри нас (он растворен даже в нашей крови).

— Так что же, атмосферное давление вообще нельзя обнаружить?

Существование атмосферного давления подтверждают многие интересные опыты. Начнём с самого простого. Возьмём стакан с водой. Накроем его листом бумаги. Перевернём, придерживая рукой лист, а затем уберём руку. Мы видим, что вода из стакана не выливается, лист не отрывается.

Сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие веса налитой воды и разрежённого воздуха в стакане.

А вот ещё один простой опыт, который можно провести дома. Возьмём стеклянную трубку и опустим её в стакан с водой. Затем пальцем закроем верхнее отверстие трубки и вынем трубку из воды. При этом вода не будет вытекать из трубки, так как на столб воды в трубке действует (снизу вверх) атмосферное давление, и вода удерживается в трубке.

Уберём палец, откроем верхнее отверстие трубки. В этом случае атмосфера действует на воду и через верхнее, и через нижнее отверстия. В итоге вода вытекает из трубки под действием силы тяжести.

Интересно, но раньше считали, что такие вот всасывающие насосы работают из-за того, что «природа боится пустоты». Но, например, известно одно письмо генуэзского физика Балиани Галилео Галилею. В 1630 году он написал ему о неудачной попытке устроить сифон для подъёма воды на холм высотою примерно 21 метр. Позже Балиани предположил, что подъём воды в трубе обусловлен давлением воздуха.

Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство и в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами. Почему-то вода не могла подняться выше 10 метров.

Лишь спустя 5 лет итальянский учёный Эванджелиста Торричелли подтвердил догадку Балиани о давлении воздуха. Его знаменитый опыт заключался в следующем. Стеклянную трубку длиной около одного метра, закрытую с одного конца, наполняют ртутью. Затем закрывают свободный конец трубки, трубку переворачивают свободным концом в чашку с ртутью и открывают. Часть ртути при этом вытекает в чашку. А в верхней части трубки образуется безвоздушное пространство, пустота. Но вся ртуть из трубки не вытекает. В трубке остаётся столб жидкости высотой около 760 миллиметров.

Что удерживает жидкость в трубке? И почему ртуть не вытекает из трубки полностью? Этому препятствует давление атмосферы. Следовательно, атмосфера создаёт такое же давление, как и столб ртути высотой около 760 миллиметров.

А самым ярким доказательством существования атмосферного давления является опыт, проведённый в 1654 году немецким физиком Отто фон Герике в городе Магдебурге. Значит он воздушным насосом откачал воздух из полости между двумя металлическими полушариями, сложенными вместе. Давление атмосферы так сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей!

Атмосферное давление играет важную роль в работе многих бытовых и технических устройств. Оно лежит в основе работы пипетки, шприца и прочего. Знакомые многим резиновые присоски используются как в быту, так и на заводах для переноса сложнейших узлов электроники, прикосновение к которым (даже в перчатках) совершенно недопустимо.

Атмосферное давление измеряют барометрами. Простейшим барометром является сосуд со ртутью и трубка, используемые в опыте Торричелли. Но использование стеклянной трубки, наполненной ртутью, для измерения атмосферного давления в повседневной жизни неудобно, да и опасно, ведь пары ртути очень ядовиты. По этой причине на практике измерение атмосферного давления производят с помощью металлического барометра — анероида.

Слово «анероид» в переводе с греческого означает безжидкостный. То есть в самом названии прибора подчёркивается, что он не содержит какой-либо жидкости.

Главной частью анероида является металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) верхней и нижней поверхностями. Воздух из коробочки откачан до большого разряжения.

Когда повышается давление снаружи корпуса, то есть атмосферное давление, то гофрированные поверхности коробочки прогибаются внутрь и тянут прикреплённую к ним упругую пластинку. Уменьшение атмосферного давления возвращает гофрированную поверхность в исходное положение.

Если давление далее уменьшается, то поверхность выпячивается вверх. Стрелка барометра с помощью передаточного механизма опускается по шкале против часовой стрелки, показывая уменьшение давления.

Шкалу анероида предварительно градуируют, то есть наносят деления по показаниям ртутного барометра.

По договорённости атмосферное давление считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой 760 миллиметров при температуре 20 °C. Такое давление называют одной нормальной или физической атмосферой:

1 атм = 760 мм рт. ст.

— А зачем нужно измерять атмосферное давление?

Дело в том, что Торричелли, проводя свои опыты, заметил, что высота ртути в трубке меняется — в разные дни ртуть то опускалась, то поднималась. Это значит, что атмосферное давление непостоянно, оно может уменьшаться и увеличиваться.

Торричелли также заметил, что изменения атмосферного давления связаны с переменой погоды. Так, например, при поступлении влажного воздуха, насыщенного водяными парами, давление уменьшается. Это обусловлено тем, что масса молекул воды заметно меньше массы других молекул атмосферы — азота, кислорода и других. Таким образом, наблюдения за атмосферным давлением помогают составить прогноз погоды.

Погода представляет интерес для всех. Она влияет на наши решения: как и где проводить свободное время, что надеть, выходя на улицу, и так далее. В зависимости от погоды каникулы могут быть приятными или не очень. От погоды часто зависит наше настроение.

Погода определяется состоянием атмосферы в данном месте в данное время. А формирование погоды происходит в самом нижнем слое атмосферы — тропосфере, где сосредоточена основная масса воздуха на нашей планете. Под действием солнечного тепла, а также силы земного притяжения, в тропосфере формируются облака, дождь, снег и ветер. А перемещение воздуха в тропосфере идёт по всем направлениям.

Поток воздуха, который движется около земной поверхности, мы с вами называем ветром.

— А как образуется ветер?

Давайте прогуляемся по берегу моря в жаркий летний день. Вы можете ощутить, что с моря на вас дует освежающий лёгкий ветерок. В чём тут дело?

Вы знаете, что наше Солнце нагревает воздушную оболочку Земли. При этом часть солнечных лучей достигает поверхности планеты. Таким образом нагревается всё земное пространство — почва, моря и океаны, горы и скалы. Но суша нагревается очень быстро, в то время как водная поверхность Земли остаётся ещё холодной.

Да вы и сами можете это проверить. Положите в одну тарелку немного охлаждённой земли, а в другую налейте немного воды примерно той же температуры (можете их поставить на одинаковое время в холодильник). Потом выставьте эти тарелочки на Солнце. Спустя полчаса проверьте температуры земли и воды. Вы заметите, что земля нагреется, а вода все ещё будет оставаться довольно прохладной. Тоже самое происходит и в глобальном масштабе.

Так вот, нагретый сушей воздух более лёгкий, чем холодный. Поэтому он устремляется вверх. А над этим местом устанавливается более низкое атмосферное давление, чем над водой. Пытаясь уравнять давление, более холодный воздух с морей и океанов устремляется к суше. Так возникает движение воздуха с воды на сушу — это и есть ветер. Такой ветер ещё называют дневным или морским бризом.

Ночью происходит всё в точности наоборот. Вода остывает медленнее, чем суша. Поэтому более низкое атмосферное давление устанавливается уже над водой. И движение воздуха происходит от суши к морю. Такой ветер называют ночным или береговым бризом.

По такому же принципу, только в планетарном масштабе, образуются и сезонные ветры — муссоны. Летом они дуют с океана на материк. А зимой — с материка в сторону океана.

— С водой всё понятно. А как ветер образуется там, где нет поблизости больших озёр или морей?

Причиной образования ветра вдали от крупных водоёмов кроется в неравномерности нагревания земной поверхности. От земли воздух нагревается. Он становится легче и поэтому поднимается. У земной поверхности плотность воздуха уменьшается. Поэтому уменьшается и атмосферное давление над этой областью.

На высоте воздух как бы растекается, охлаждается и опускается в соседних областях. Так как холодный воздух более плотный, то там, где он опустился к поверхности земли, атмосферное давление увеличивается. Холодный воздух из области с более высоким давлением начинает двигаться над земной поверхностью в сторону области с более низким давлением.

Так и возникает ветер. При этом, чем больше разница в атмосферном давлении, тем больше скорость ветра.

К формированию ветров приводят также и кратковременные процессы в атмосфере. Они, как правило, происходят хаотически и часто в течение определённого сезона. Такими процессами является образование циклонов, антициклонов и подобных им явлений меньшего масштаба, в частности гроз.

Циклон — это плоский восходящий вихрь с низким атмосферным давлением в центре.

 В циклонах ветры дуют против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке — в Южном. Размеры циклона в поперечнике могут достигать нескольких тысяч километров. Циклоны приносят с собой пасмурную, дождливую и ветреную погоду.

А если циклоны зарождаются где-то в районе тропиков, то очень часто они становятся причиной образования смерчей.

Смерч, или торнадо (так эти вихри называют на Западе) — это атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности Земли, в виде тёмного облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров.

Основной составной частью смерча является воронка, внутри которой воздух опускается, а снаружи поднимается, быстро вращаясь. Из-за этого внутри смерча создаётся область сильно разрежённого воздуха (очень низкое атмосферное давление). Давление это настолько низкое, что замкнутые наполненные газом предметы, в том числе и здания, могут взрываться изнутри из-за разности давлений. В стенках смерча движение воздуха направлено по спирали и нередко достигает скорости более семисот двадцати километров в час.

Самое большое количество смерчей наблюдается на североамериканском континенте, в особенности в центральных штатах США.

Антициклон — это плоский нисходящий вихрь с высоким атмосферным давлением и максимумом в центре.

В области высокого давления воздух опускается. Воздушная спираль раскручивается в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном — против. Антициклоны сопровождаются тихой и малооблачной погодой, преимущественно без осадков.