Зміст
Над головою кожної людини знаходиться стовп повітря висотою близько 100 кілометрів. Він важить — і тисне на все живе постійно. Якби цей тиск раптом зник, наслідки були б миттєвими і драматичними. Але ми живемо під цим тиском все життя і навіть не помічаємо його.
У цій статті розберемо, що таке атмосферний тиск, яким є нормальне значення, від чого він залежить і як його вимірюють.
Що таке атмосферний тиск повітря
Атмосферний тиск — це сила, з якою стовп повітря атмосфери діє на одиницю площі земної поверхні. Простіше кажучи: повітря має масу, а маса під дією гравітації створює вагу. Ця вага і є тиском, який повітря чинить на все, що знаходиться під ним — землю, будівлі, людей, воду.
На рівні моря над кожним квадратним сантиметром поверхні знаходиться стовп повітря, що важить близько одного кілограма. Множачи на площу людського тіла, виходить, що на середню людину постійно діє сила в кілька тонн. Ми цього не відчуваємо, бо тиск діє з усіх сторін рівномірно, а внутрішній тиск нашого організму його компенсує.
“Атмосферний тиск падає з висотою, оскільки він створюється лише шаром атмосфери, що лежить вище точки вимірювання. У глибоких шахтах, навпаки, тиск збільшується.”
Чому ми не відчуваємо тиск повітря
Тіло людини складається переважно з рідин і м’яких тканин, які майже не стискаються. Внутрішній тиск організму врівноважений із зовнішнім атмосферним — і саме ця рівновага дозволяє не помічати багатотонне навантаження, яке діє на нас щосекунди.
Помітити тиск повітря можна тільки при його різкій зміні — наприклад, при швидкому підйомі на висоту в літаку закладає вуха. Це організм реагує на різницю тиску, що не встигла зрівноважитися.
Нормальний тиск повітря: яке значення
Нормальний атмосферний тиск — це умовний еталон, прийнятий для розрахунків і порівнянь. Він визначається як тиск на рівні моря при температурі 0°C на широті 45°.
Числові значення нормального тиску в різних одиницях:
- 760 мм ртутного стовпчика (мм рт. ст.);
- 101 325 Па (паскалів);
- 101,325 кПа (кілопаскалів);
- 1013,25 гПа (гектопаскалів) або мбар (мілібар);
- 1,01325 бар;
- 1 атмосфера (атм) — за визначенням.
У повсякденному житті в Україні найчастіше використовують мм рт. ст. — саме в цих одиницях видають показники в прогнозах погоди і на побутових барометрах.
Реальний тиск завжди трохи відрізняється від норми
760 мм рт. ст. — це орієнтир, а не фіксована константа. Реальний тиск на рівні моря коливається залежно від погоди, пори року і географічної широти приблизно в межах 641–816 мм рт. ст. на різних точках планети.
Для конкретного міста чи місцевості «норма» — це не 760 мм рт. ст., а середнє значення тиску саме для цієї висоти над рівнем моря і кліматичної зони. Наприклад, для Києва, що розташований на висоті близько 179 метрів, типовий нормальний тиск становить приблизно 745–748 мм рт. ст.
Формула атмосферного тиску
Базова фізична формула тиску — універсальна для будь-якої рідини або газу:
P = ρ × g × h
де:
- P — тиск (Па);
- ρ — густина речовини (кг/м³);
- g — прискорення вільного падіння (9,8 м/с²);
- h — висота стовпа речовини (м).
Для атмосфери ця формула працює лише в теорії — на практиці її напряму застосувати неможливо.
Чому формулу P = ρgh не можна використати напряму для атмосфери
Є дві причини, чому пряме застосування базової формули для атмосферного тиску не дає коректного результату.
- Густина повітря не постійна — вона зменшується з висотою. Формула P = ρgh передбачає однорідну густину по всій висоті стовпа, а в атмосфери це не так.
- Точну висоту атмосфери визначити неможливо — вона поступово переходить у космічний простір без чіткої межі, і умовно її приймають за приблизно 100 км.
Через це для атмосфери використовують барометричну формулу — вона враховує, що тиск і густина зменшуються експоненційно з висотою:
P(h) = P₀ × e^(−Mgh/RT)
де P₀ — тиск на рівні моря, M — молярна маса повітря, R — універсальна газова стала, T — температура.
Для практичних потреб найчастіше використовують спрощене правило: атмосферний тиск зменшується приблизно на 1 мм рт. ст. на кожні 10–11 метрів підйому, або приблизно на 100 мм рт. ст. на кожен кілометр висоти.
Від чого залежить тиск повітря
Тиск повітря — величина непостійна. На неї впливають кілька факторів одночасно.
Висота над рівнем моря
Це найбільш значущий і передбачуваний фактор. Чим вище — тим менший шар атмосфери залишається над точкою вимірювання, тим менший тиск.
| Висота (м) | Тиск (мм рт. ст.) | Тиск (кПа) |
|---|---|---|
| 0 (рівень моря) | 760 | 101,3 |
| 500 | 716 | 95,5 |
| 1000 | 674 | 89,9 |
| 2000 | 596 | 79,5 |
| 3000 | 526 | 70,1 |
| 5000 | 405 | 54,0 |
| 8848 (Еверест) | 235 | 31,4 |
На вершині Евересту тиск становить лише близько 30% від тиску на рівні моря. Саме тому там настільки важко дихати без кисневих балонів — повітря фізично менш густе, у кожному вдиху значно менше молекул кисню.
Температура повітря
Температура впливає на тиск через зміну густини. Тепле повітря розширюється і стає легшим — воно піднімається вгору і чинить менший тиск на поверхню. Холодне повітря, навпаки, стискається, стає важчим і опускається — тиск зростає.
“Атмосферний тиск залежить від температури повітря. При нагріванні повітря розширюється, піднімається вгору і менше тисне на поверхню.”
Саме тому над прогрітими океанами і континентами влітку формуються області низького тиску, а над холодними регіонами взимку — області високого тиску. Ця різниця тиску і є причиною руху повітряних мас, тобто вітру.
Вологість повітря
Волога повітря трохи легше за сухе при однаковій температурі — молекула водяної пари H₂O легша за середню молекулу сухого повітря. Тому при підвищенні вологості тиск незначно знижується, хоча цей ефект набагато менший за вплив температури і висоти.
Погодні системи — циклони і антициклони
Атмосферний тиск розподілений на Землі нерівномірно і утворює зони низького тиску (циклони) і високого тиску (антициклони).
- циклон — область низького тиску, повітря піднімається вгору, що часто супроводжується хмарністю, опадами і вітром;
- антициклон — область високого тиску, повітря опускається, погода зазвичай ясна і стабільна.
Саме рух цих систем і визначає щоденні зміни погоди, які ми бачимо в прогнозах.
Як виміряти тиск повітря
Для вимірювання атмосферного тиску використовують барометри. Існує кілька типів приладів.
- Ртутний барометр — класичний прилад, винайдений італійським фізиком Еванджелістою Торрічеллі у 1643 році. Складається із запаяної з одного кінця трубки, заповненої ртуттю і зануреної у відкриту посудину з ртуттю. Висота стовпчика ртуті в трубці показує тиск.
- Барометр-анероїд — механічний прилад без рідини. Усередині знаходиться герметична металева коробка, яка деформується при зміні тиску. Деформація через систему важелів передається на стрілку шкали. Саме такі прилади найчастіше зустрічаються в побуті.
- Електронний барометр — використовує датчики тиску на основі п’єзоелектричних або ємнісних елементів. Вбудовані в смартфони, метеостанції і навіть деякі смарт-годинники.
- Висотомір (альтиметр) — фактично той самий барометр, але шкала переведена у значення висоти через відому залежність тиску від висоти. Використовується в авіації і альпінізмі.
Чому атмосферний тиск важливий у повсякденному житті
Знання про атмосферний тиск має практичне значення в багатьох сферах.
- Метеорологія — зміна тиску є одним із головних показників, за яким прогнозують погоду. Швидке падіння тиску зазвичай передує погіршенню погоди.
- Авіація — пілоти використовують показники атмосферного тиску для визначення висоти польоту і налаштування висотомірів.
- Медицина — люди, чутливі до перепадів тиску, можуть відчувати головний біль або зміни самопочуття при різких змінах погоди.
- Альпінізм і висотні роботи — на великій висоті низький тиск означає менше кисню в повітрі, що вимагає акліматизації.
- Побутова техніка — присоски, вакуумні пакувальники, деякі типи насосів працюють завдяки різниці тиску всередині і зовні пристрою.
Атмосферний тиск — одна з тих величин, що постійно діють на нас, формують погоду і визначають можливості людини на висоті, але залишаються непомітними в щоденному житті. Розуміння того, як він змінюється і чому, допомагає краще орієнтуватися як у прогнозах погоди, так і в шкільній фізиці.
