一年四季同一个地方的气压是如何变化的?
气压变化与季节天气的关系
初中物理告诉我们:“大气压力的变化与天气密切相关。一般来说,晴天的气压比阴天高,冬天的气压比夏天高。”即使是老师,也往往很难把这种叙事解释清楚。笔者认为,这个问题可以归结为温度、湿度、空气流量和大气压的关系。我来说说我的初步认识。
1.大气压力与天气的关系:晴天大气压力高于阴天(雨天)。
首先,我们来分析一下空气密度对大气压的影响。我们通常所说的大气层是地球周围的整个空气层。除了氮气、氧气、二氧化碳等气体外,还含有水蒸气和灰尘。我们把水蒸气少(即湿度低)的空气称为“干空气”,水蒸气多(即湿度高)的空气称为“湿空气”。不要认为“干”的东西就一定比“湿”的东西好。水蒸气的分子量是18.016,所以干燥的空气分子比水蒸气分子重。在相同条件下,干燥空气的密度也高于水蒸气的密度。晴天时,空气是含水量低、密度大的“干燥空气”,所以大气压力比较大。阴天(雨天),空气中含有大量水分,属于“湿空气”,但密度较小,所以大气压力相对较低。
另外,晴天大气压力高的另一个原因是气流运动对大气压力的影响。正常情况下,地面不断向大气有效辐射长波,同时大气也不断向地面反向辐射。晴天时,地面的热量可以通过对流气体层的有效辐射和向上发散输送到外部。在阴天,云覆盖高层大气,减少了对流层大气的向外散度。云对保存地表和加热液体层的作用被称为“温室效应”。这样,多云地区的大气扩张更加剧烈,导致多云地区的大气侧向(水平)向外扩散,使得多云地区的空气向外流动。当然,阴天的密度也会降低,导致阴天的气压比晴天低。
2.大气压力与季节的关系:冬季大气压力高于夏季。
气温的变化是气压变化的一个很重要的原因。当空气冷却时,空气收缩,密度增加,单位面积的空气柱重量增加,空气压力也增加。所以冷空气的到来总是伴随着气压的升高;当暖空气到来时,气压往往会下降。冬天是冷空气的世界,夏天是暖空气的世界,所以很明显,冬天气压高,夏天气压低。需要注意的是,由于空气的密度随着海拔高度的增加而降低,所以一般来说,气压的高低是在同一海拔高度进行比较的,最常用的是海平面气压。
3.气压与时间的关系:早晚气压高于中午气压。
对于同一个地区,在一天的不同时间,地面上的气压会有所不同,称为气压日变化。在一天中,地球表面的大气压力有一个最大值和一个最小值。早晚气温相对较低,大气中的空气相对干燥,相对湿度比中午低,属于“干燥空气”。这两个原因造成早晚空气密度比较高,所以早晚气压比较高。到了中午,大气不断积累热量,使其温度上升,空气湿度增加。当温度上升时,大气逐渐向上移动并发散。下午15 ~ 16,大气向上和辐散运动的速度达到最大,大气湿度也达到较大值。由于这两个因素的影响,中午的气压比早晚的低。
4.气压随地理纬度的变化
地球表面大气的成分变化很大,是水蒸气。人们把水蒸气多的空气称为“湿空气”,水蒸气少的空气称为“干空气”。有些人直觉上认为湿空气比干空气重,这是不正确的。干燥空气的平均分子量是28.966,而水蒸气的分子量只有18.106,所以水蒸气多的湿空气的密度比干燥空气小。即在相同的物理条件下,干燥空气的压力比潮湿空气的压力大。
在地球表面,从赤道到两极,随着地理纬度的增加,一方面由于地球自转和极地半径的减小,地球对大气的吸引力逐渐增大,空气密度增大;另一方面,由于极地地区气温较低,空气中水汽较少,可近似视为干燥空气。所以从赤道到极地,随着地理纬度的增加,气压的总体变化规律是逐渐增大的(由于气候等因素的影响,有些地方的气压变化可能不遵循这个规律)。
5.大气压力随着陆地和水的变化而变化
我们不妨看看大陆和海洋的气压随温度变化的实际情况。我们说夏天大陆的温度比海洋高,大陆的气压比海洋低是因为大陆的空气向海洋扩散。冬天大陆的温度比海洋低,大陆的气压比海洋高。因此,在温度变化和分子扩散这两个因素中,扩散起着主要的、决定性的作用。需要指出的是,这里所说的扩散是指空气的横向流动,因为空气的垂直流动并不能改变垂直空气柱的重量(有些文献②把温度引起的压力变化描述为空气起伏的结果,这
6.1大气压随地形高度的变化
从微观上看,决定气体压强的因素主要有两个:一个是气体的密度n;第二个是气体的热力学温度t。在地球表面,随着地形的升高,地球对大气气体分子的吸引力逐渐减小,空气分子的密度降低;与此同时,大气的温度也下降了。因此,在地球表面,随着地形高度的增加,大气压力的值逐渐减小。如果将大气中的空气视为理想气体,我们可以推导出近似反映大气压力随高度变化的公式如下:
p=p0e?μgh/RT
(μ为空气的平均摩尔质量,P0为地表大气压力,G为地表重力加速度,R为普适气体常数,T为大气热力学温度,H为气柱高度)
从上式可以看出,在不考虑大气温度变化影响的情况下,大气压力值随地理高度h的增加呈指数下降,其函数图像如图所示。在2km以内,可以近似认为气压值随地理高度的增加而线性下降;在2km以外,随着地理高度的增加,气压值逐渐减小。所以过去初中物理课本上是这么介绍的:海拔2公里以内,可以近似认为气压每增加1.2米,气压减少1毫米汞柱。