Производство по чертежам Подбор аналогов Цены производителя Оригинальная продукция в короткие сроки
INNER — производство и поставка промышленных комплектующих и оборудования
INNER
Контакты

Как меняется атмосферное давление с высотой: барометр, слои атмосферы, горная болезнь

Атмосферное давление и высота: барометр, слои атмосферы, кипение воды
Тяните зонд вверх и вниз: давление, температура, кислород и точка кипения воды пересчитываются сразу. Сценарий: Уровень моря
Как пользоваться

Тяните шар-зонд на сцене вверх и вниз или нажмите в любом месте неба — зонд переместится туда. Высоту можно ввести числом справа. Когда тренажёр в фокусе или развёрнут на весь экран, работают стрелки ↑ и ↓.

Над сценой — готовые сценарии: места, задачи и ловушки. У ловушки есть кнопка «Вылечить»: она показывает, как на самом деле. В «Дополнительно» — погода: насколько воздух теплее или холоднее стандарта и какое давление у моря.

Вкладки: «Высота и давление» — разрез атмосферы от моря до 50 км; «Барометр Торричелли» — столб ртути или воды, который держит воздух; «Кипение воды» — почему в горах кипяток холоднее, а в скороварке горячее.

Термины
Атмосферное давление
Сила, с которой воздух давит на каждый квадратный метр. Равна весу столба воздуха над этим метром — около 10 тонн у моря.
Нормальное давление
760 мм рт. ст. = 101 325 Па = 1013,25 гПа — давление у моря в стандартной атмосфере. Выше над морем норма ниже: в Москве около 747 мм.
мм рт. ст., гПа
1 мм ртутного столба — 133,322 Па. Гектопаскаль (гПа) — 100 Па, то же, что миллибар; в гПа давление дают метеосводки и авиация.
Стандартная атмосфера
Условная средняя атмосфера по ГОСТ 4401-81 — для широты около 45° (соответствует ISO 2533; в авиации ту же модель называют стандартной атмосферой ИКАО). У моря 15 °C и 760 мм, до 11 км температура падает на 6,5 °C на каждый километр.
Тропосфера
Нижний слой, где облака и погода. Высота — 8–10 км в полярных широтах, 10–12 км в умеренных, 16–18 км в тропических; в стандарте — 11 км. Здесь около 80 % всего воздуха.
Тропопауза
Переходный слой между тропосферой и стратосферой, где температура перестаёт падать с высотой. В стандарте — на 11 км; выше, до 20 км, температура постоянна: −56,5 °C.
Стратосфера
Слой от тропопаузы примерно до 50 км. Внизу температура почти не меняется, выше растёт: озон поглощает ультрафиолет Солнца и греет воздух. Верхняя граница — стратопауза, самое тёплое место стратосферы (в стандарте −2,5 °C).
Парциальное давление кислорода
Часть давления, которую создаёт кислород, — 20,95 % от общего. От него зависит, сколько кислорода получают лёгкие: доля кислорода на высоте та же, а давление меньше.
Горная болезнь
Недомогание от нехватки кислорода на высоте. У тех, кто не привык к высоте, риск растёт выше 2 500 м.
Барометр-анероид
Барометр без жидкости: тонкая металлическая коробка с разреженным воздухом сжимается и разжимается, стрелка показывает давление.
Опыт Торричелли
Опыт 1643–1644 годов: запаянную с одного конца трубку, полную ртути, переворачивают в чашу с ртутью. При нормальном давлении ртуть опускается до 760 мм, а выше остаётся почти пустое место — торричеллиева пустота.
Температура кипения
Температура, при которой давление пара воды сравнивается с давлением над ней. При 760 мм — 100 °C, при меньшем давлении — ниже.
Линия Армстронга
Высота около 19 км, где давление падает до 6,3 кПа и вода кипит при 37 °C — температуре тела. Выше без скафандра не выжить.
Геопотенциальная высота
Высота с поправкой на то, что тяжесть слабеет вверх. Участки температурного профиля в ГОСТ заданы по ней; на сцене — обычная высота в метрах.
Место
Сцена
Шкала высоты
шкала растянута у земли, чтобы сотни метров не терялись
Школьное правило «1 мм рт. ст. на каждые … м»
12 м — в учебнике физики, 10,5 м — в учебнике географии
Барометр
Где кипятим
насос откачивает воздух; ниже 0,61 кПа жидкой воды не бывает
Огонь под кастрюлей
Показание
Модель: стандартная атмосфера ГОСТ 4401-81 (то же, что ISO 2533 и ИКАО), воздух — идеальный газ без влаги и ветра. Погода — сдвиг температуры на ΔT по всей толще и давление у моря. Кипение — линия насыщения воды IAPWS-IF97. Единицы по ГОСТ 8.417: 1 мм рт. ст. = 133,322 Па, 1 атм = 101 325 Па, 1 бар = 100 000 Па.

Атмосферное давление падает с высотой не по линейке, а всё медленнее: на вершине Эвереста оно втрое ниже, чем у моря, а там, откуда совершили прыжок из стратосферы, почти пусто. В тренажёре выше вы тянете шар-зонд от шахты до 50 км и видите давление в шести единицах, температуру, кислород и то, при скольких градусах закипит вода. Нормальное атмосферное давление у моря — 760 мм рт. ст., а барометр в Москве в обычный день покажет около 747, и это тоже норма. Рядом — слои атмосферы, ртутный барометр Торричелли и кривая кипения воды.

В тренажёре 36 сценариев: места, задачи и одиннадцать ловушек с разбором.

Шпаргалка: атмосфера в пятнадцати опытах

ОпытЧто увидитеЧислоОткрыть
Уровень морястандарт ГОСТ 4401-81760,0 мм, 15,0 °C
Москва, около 150 мсвоя норма давления746,6 мм
Салон самолётакак на 2438 м, пакет раздут564,6 мм, ×1,35
Эльбрусполовина воздуха внизу371,9 мм, −21,6 °C
Эвересткипяток всего 70 °C236,2 мм, 70,2 °C
Прыжок Баумгартнерапочти вакуум2,48 мм
Правило «12 м» на Эверестепрямая против кривой22,6 вместо 236,2 мм
Ближе к Солнцу — теплее?в стратосфере теплеет−21,6 °C на Эльбрусе
В горах меньше кислорода?доля та же, давление меньшекак 6,5 % у моря
Опыт Торричелливоздух держит ртуть760,0 мм
Водяной барометрпар отнимает 24 см10,11 м
Наклонная трубкадлина растёт, высота нет878 и 760 мм
Скороваркакипяток горячее120,4 °C
Кипяток при 20 °Cкипит холодная вода2,34 кПа
Всегда 100 °C?в скороварке снова 10070,2 и 100,0 °C

Нормальное атмосферное давление: 760 мм рт. ст., паскали и гПа

Нормальным называют давление стандартной атмосферы у моря — договорённость метрологов, а не «здоровая норма»: 760 мм рт. ст. = 101 325 Па = 1013,25 гПа = 1,01325 бар. Москва стоит примерно на 150 м, и стандарт даёт ей 746,6 мм; на 500 м норма уже 716,0 мм, на 1000 м — 674,1 мм.

1 мм рт. ст. = 133,322 Па = 1,33322 гПа
1 гПа = 0,750062 мм рт. ст.
750 мм рт. ст. = 750 · 133,322 = 99 992 Па = 999,9 гПа

Перевод мм рт. ст. в паскали — умножение на 133,322, мм рт. ст. в гПа — на 1,33322, гПа в мм рт. ст. — примерно на 0,75; мм рт. ст. в атм — деление на 760. Прогноз по радио даёт давление на высоте метеостанции, а приложения часто приводят его к уровню моря в гектопаскалях, поэтому «1013» в телефоне и «747» в Москве не спорят. Любую пару единиц пересчитает конвертер давления.

Как меняется атмосферное давление с высотой

0200400600800 давление, мм рт. ст. 04810км Эльбрус: 371,9 мм Эверест: 236,2 мм стандартная атмосфера правило 12 м: Эверест 22,6 мм

Изменение атмосферного давления с высотой нелинейно: воздух сжат своим весом, внизу он плотнее, и давление убывает всё медленнее. Половина массы воздуха лежит ниже 5,5 км, 90 % — ниже 16,1 км, 99 % — ниже 31,1 км.

Школьное правило «на каждые 12 м — минус 1 мм» — прямая. На 1–1,5 км она почти не ошибается, а для Эвереста даёт 760 − 8849/12 = 22,6 мм вместо 236,2 мм.

Для слоя с постоянной температурой зависимость атмосферного давления от высоты даёт барометрическая формула p = p₀·e−h/H, где H = R·T/g — около 8,4 км при 15 °C. Стандартная атмосфера ГОСТ 4401-81 (она же международная стандартная атмосфера ИКАО) склеивает такие участки с участками линейного хода температуры. Правило «10,5 м» из учебника географии верно у моря в мороз: при 0 °C на миллиметр приходится 10,5 м подъёма, при 15 °C — 11,1 м, около 1 км — 12,1 м.

Задача: у подножия 760 мм, на вершине 722 мм
по правилу: (760 − 722) · 12 = 456 м
по стандартной атмосфере: 431 м

24 октября 1981 года на вершине Эвереста намерили 253 мм вместо табличных 236,2: стандарт составлен для широты 45°, а на 28° с. ш. воздух теплее. В тренажёре это сдвиг ΔT = +16 °C.

Высотамм рт. ст.гПа°CВода кипит
0 м, море760,01013,315,0100,0 °C
1000 м674,1898,88,596,6 °C
2438 м, салон лайнера564,6752,7−0,891,9 °C
5642 м, Эльбрус371,9495,8−21,681,1 °C
8849 м, Эверест236,2315,0−42,470,2 °C
10 000 м198,8265,0−49,966,3 °C
20 000 м41,555,3−56,534,7 °C
38 969 м, прыжок2,483,30−25,7не кипит, лёд испаряется

Слои атмосферы: почему в горах холодно, а в стратосфере теплеет

тропосфератропопауза, 11 кмстратопаузастратосфераозоновый слой +15 °C−56,5 °C−2,5 °C 01020304050км −60−40−20020 °C

Строение атмосферы определяют по ходу температуры. В тропосфере воздух греется от земли, и с высотой температура падает — в среднем на 6,5 °C на километр. Здесь облака и погода.

Высота тропосферы — 8–10 км в полярных широтах, 10–12 км в умеренных и 16–18 км в тропических, в стандарте — 11 км; ниже лежит 78 % массы воздуха. Границу над ней называют тропопаузой.

Выше начинается стратосфера: до 20 км температура по стандарту держится −56,5 °C, а дальше растёт — озон поглощает ультрафиолет Солнца. Стратосфера тянется примерно до 50 км, у её верхней границы, стратопаузы, по стандарту −2,5 °C. Температура воздуха на высоте 10 км по стандарту −49,9 °C, на 40 км — −22,8 °C. Вершины холоднее долин не из-за «близости к Солнцу»: 5,6 км рядом со 150 млн км — ничто.

Барометр: ртутный, водяной и анероид

Ртутный барометр придумал Эванджелиста Торричелли: в 1643 году по его замыслу Винченцо Вивиани перевернул запаянную трубку с ртутью в чашу, ртуть опустилась примерно до 760 мм, а над ней осталась пустота. Столб держит воздух, давящий на ртуть в чаше.

p = ρ·g·h = 13 595,1 · 9,80665 · 0,760 = 101 325 Па

Ртутный барометр точен, но ртуть ядовита, поэтому дома висит барометр-анероид: коробка с разреженным воздухом сжимается и разжимается, стрелка показывает давление. Водяному барометру нужна трубка выше трёхэтажного дома: при 20 °C вода встанет на 10,11 м. Без пара над столбом было бы 10,35 м — вода испаряется в пустоту и отнимает 24 см.

Наклоните трубку на 30° — ртуть пройдёт по стеклу 878 мм, а высота по вертикали останется 760 мм; толщина трубки тоже не влияет. Силу воздуха показали магдебургские полушария Отто фон Герике: медные полушария без воздуха внутри не растащили 16 лошадей. На квадратный метр воздух давит, как 10,3 т груза, на тело площадью 1,6 м² — с силой 162 кН, это 16,5 т. Нас не раздавливает: давление внутри тела такое же.

Температура кипения воды в горах и на Эвересте

Вода закипает, когда давление её пара сравнивается с давлением над ней. Чем ниже давление, тем холоднее кипяток: у моря 100 °C, в Москве 99,5 °C, в салоне самолёта 91,9 °C, на Эльбрусе 81,1 °C, на Эвересте 70,2 °C. У земли каждые 100 м подъёма снижают точку кипения на 0,33 °C. Поэтому в горах мясо и крупы варятся дольше.

Огонь не поможет: лишняя теплота уходит в пар. Поможет скороварка — с избытком в 1 бар вода кипит при 120,4 °C. А если откачать воздух под колоколом до 2,34 кПа, закипит вода комнатной температуры. На высоте 19,2 км давление 47,1 мм, и вода кипит при 37 °C — это линия Армстронга: выше без скафандра закипают слюна и слёзы.

Горная болезнь, кислород и уши в самолёте

Доля кислорода на любой высоте до 50 км одна — 20,95 %. Меняется давление, а с ним парциальное давление кислорода: у моря 159,2 мм, на 2500 м — 117,4 мм, на Эвересте — 49,5 мм. Вдох на вершине — как у моря с долей 6,5 %.

Горная болезнь у непривычных к высоте чаще начинается выше 2500 м. Врачи советуют выше 3000 м поднимать ночёвку не больше чем на 500 м в сутки. Выше 8000 м — «зона смерти»: гипоксия на высоте нарастает быстрее, чем организм привыкает.

В салоне лайнера давление держат не ниже, чем на высоте 2438 м (8000 футов): это 564,6 мм. На взлёте воздух в среднем ухе выгибает барабанную перепонку. Пакет чипсов раздувается в 1,35 раза — закон Бойля — Мариотта из тренажёра идеального газа.

Прыжок из стратосферы, стратостаты и метеозонд

Люди впервые поднялись в стратосферу 27 мая 1931 года: Огюст Пиккар и Пауль Кипфер достигли 15 781 м в герметичной гондоле. Снаружи по стандарту 80,4 мм — в 9,5 раза меньше, чем у моря. «СССР-1» 30 сентября 1933 года поднялся примерно на 19 км, «Осоавиахим-1» 30 января 1934 года — на 22 км, но экипаж погиб при спуске. Стратостат поднимает архимедова сила: кубометр гелия у земли удерживает около 1,06 кг, подробнее — в тренажёре силы Архимеда.

Прыжок из стратосферы Феликса Баумгартнера 14 октября 2012 года начался на 38 969 м, где давление 2,48 мм — в 307 раз меньше, чем у моря. Он разогнался быстрее звука. Метеозонд стартует с шаром около 1,5 м, а наверху лопается, раздувшись до 6–8 м; в модели шар достигает 6 м на 29,7 км и 8 м на 35,3 км.

В пресной воде давление растёт на атмосферу каждые 10,33 м — это тренажёр давления жидкости и игра «Бездна».

Частые вопросы

Какое атмосферное давление считается нормальным?

760 мм рт. ст. — норма на уровне моря. Выше норма меньше: для Москвы около 746,6 мм, для 1000 м — 674,1 мм.

Какое нормальное атмосферное давление в паскалях?

101 325 Па, или 1013,25 гПа, или 101,325 кПа. В мм рт. ст. это ровно 760: 1 мм рт. ст. = 133,322 Па.

Какое давление на высоте 10 000 метров?

По стандартной атмосфере 198,8 мм рт. ст., или 265,0 гПа, при −49,9 °C — почти в 4 раза меньше, чем у моря.

При какой температуре кипит вода в горах?

На 1000 м — при 96,6 °C, на Эльбрусе — при 81,1 °C, на Эвересте — при 70,2 °C.

Почему закладывает уши в самолёте?

Давление в салоне падает, а в среднем ухе остаётся прежним, пока воздух не выйдет через слуховую трубу; глотание и зевота помогают.

На сколько падает давление при подъёме на 12 метров?

У земли примерно на 1 мм рт. ст.: 1 мм приходится на 11,1 м при 15 °C и на 10,5 м при 0 °C. На Эльбрусе — уже 19,8 м.

Не путать. Атмосферное давление сегодня и прогноз дают метеослужбы; здесь можно понять, нормально ли оно для вашей высоты. Артериальное давление и самочувствие в непогоду — вопрос к врачу, давление в шинах — к манометру. «Стратосфера» в названиях клубов и компаний — не отсюда.
Учебный инструмент. Модель — стандартная атмосфера ГОСТ 4401-81: средняя для умеренных широт, сухой воздух без ветра; погода — сдвиг температуры по всей толще и давление у моря. Кипение — чистая вода по IAPWS-IF97. Для полётов, восхождений и решений о здоровье нужны данные метеослужб, поверенные приборы и совет врача.
Источники
  1. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры.
  2. ICAO Doc 7488/3. Manual of the ICAO Standard Atmosphere, 1993.
  3. U.S. Standard Atmosphere, 1976.
  4. IAPWS R7-97(2012). IAPWS Industrial Formulation 1997 for Water and Steam.
  5. ГОСТ 8.417-2002. ГСИ. Единицы величин.
  6. West J. B. et al. Barometric pressures at extreme altitudes on Mt. Everest // J. Appl. Physiol., 1983, 54(5).
  7. Luks A. M. et al. WMS Clinical Practice Guidelines for Acute Altitude Illness: 2019 Update // Wilderness & Environmental Medicine, 2019.
  8. 14 CFR § 25.841. Pressurized cabins (FAA).
  9. NOAA NWS. Radiosonde Observations: factsheet.
  10. Пёрышкин А. В. Физика. 7 класс. — М.: Дрофа, 2019.
  11. Гидрометцентр России. Метеословарь: вертикальная структура атмосферы.
  12. WMO Weather and Climate Extremes Archive. Table of records, 2024.

Заказать товар

ООО «Иннер Инжиниринг»