關於氣象學的書經常將地球的大氣層描述為我們所有人都居住的巨大空氣。圖表描繪了我們的家園被大氣層(幾百英里高)包圍,分為幾個不同的層。然而,實際上,我們大氣的那一部分維持了我們所知道的所有生命,實際上非常薄,向上延伸至大約18,000英尺(超過3英里)。實際上可以以一定程度的準確性來測量我們大氣的一部分,可達到約25英里(40公里)。除此之外,要對氣氛最終在哪裡結束的位置給出一個確切的答案。一個不確定的地區在200到300英里之間的某個地方,空氣逐漸變薄並最終融合到空間真空中。
因此,圍繞我們氣氛的空氣層畢竟不是那麼巨大。正如已故的天氣流行權威的埃里克·斯隆(Eric Sloane)一樣,雄辯地說:“地球不會懸掛在空氣中 - 它懸掛在空間中,其表面上的氣體極為薄。”
那瓦斯是我們的氣氛。
空氣有重量
如果一個人要攀登一座高山,例如夏威夷大島上的Mauna Kea,山頂達到13,796英尺(4,206米),患有高原病(低氧)的可能性很高。在登頂之前,訪客必須停在9200英尺(2,804 m)海拔的信息中心,在那裡他們被告知要適應高度,然後再繼續前進。您可能會說:“嗯,當然,畢竟,與海平面上存在相比,在如此高海拔的可用氧氣量要小得多。”
但是在做出這樣的陳述時,你會錯誤的!
實際上,21%地球的氣氛由賦予生命的組成氧(78%由氮還有其餘1%的其他氣體)。 21%的比例在海平面和高山地高度上幾乎相同。
最大的區別不是存在的氧氣量,而是密度和壓力。
將空氣與水(“空氣海洋”)進行比較的類比是一個很好的,因為我們都在空中游泳。現在想像這一點:一個高大的塑料水桶充滿了水。現在,取一個冰選擇,在水桶頂部附近戳一個洞。水會慢慢運球。現在,在水桶底部附近拿起另一個洞。會發生什麼?在那兒,水將在尖銳的溪流中迅速噴出。原因是壓力的差異。水的重量在水桶底部附近施加的壓力大於頂部附近的壓力,因此水被“擠出”底部的孔中。
同樣,我們頭部上方的所有空氣的壓力是將空氣推入我們的肺並將氧氣擠出並從我們的血液中擠出的力。一旦壓力降低(例如,當我們上升到高山時)將空氣推入肺部,那麼氧氣就會減少到我們的血液和低氧結果。同樣,不是由於減少了可用氧氣的量,而是由於大氣壓力的降低。
高低
那麼,大氣壓力與日常天氣模式有何關係?毫無疑問,您已經看到電視上提出的天氣預報;攝像機風向盤架提到高壓和低壓系統。那是什麼?
簡而言之,基本上,每天太陽的熱量在整個地球各不相同。由於太陽加熱不平等,整個地球的溫度各不相同。赤道的空氣比兩極的溫度要溫暖得多。因此,溫暖,輕的空氣升起並朝著兩極,較冷,較重的空氣朝赤道下沉。
但是我們生活在一個旋轉的行星上,因此這種簡單的風模式被扭曲至一定程度,以至於空氣在北半球和南半球的左側的運動方向向右扭曲。今天,我們知道這種效果是科里奧利的力,並且是直接的結果,生產出巨大的風螺旋,我們知道這是高壓系統和低壓系統。
在北半球,低壓區域的空氣逆時針和向內螺旋 - 例如,颶風是科里奧利機制,逆時針循環空氣。相比之下,高壓系統順時針旋轉並從中心向外向外。在南半球,空氣螺旋的方向顛倒了。
那麼,為什麼我們通常將高壓與晴朗和低壓的高壓與未安排的天氣聯繫起來呢?
高壓系統是向下壓的“密度圓頂”,而低壓系統類似於“大氣山谷”,其中空氣的密度較小。由於涼爽的空氣具有少於水蒸氣而不是溫暖空氣的能力,因此云和降水是由冷卻空氣引起的。
因此,通過增加氣壓,溫度升高;在那些高壓圓頂下,空氣傾向於沉入溫度較高並可以容納更多的水蒸氣的大氣層降低(稱為“沉降”)。任何可能導致雲形成的液滴都會蒸發。最終結果往往是一個更清晰,更乾燥的環境。
相反,如果我們降低氣壓,則空氣傾向於進入溫度更冷的大氣層。隨著保持水蒸氣降低的能力,蒸氣迅速凝結和雲(由無數數十億的小水滴組成,或者在很高的海拔高度,冰晶)會發展,最終將下降。當然,我們無法在不使用某種裝置來測量大氣壓的情況下預測高壓和低壓的區域。
輸入晴雨表
大氣壓是大氣重量施加的每單位區域的力。為了衡量體重,氣象學家使用晴雨表。意大利物理學家和數學家是伊万格里斯塔·托里切利(Evangelista Torricelli),他在1643年證明他可以將氣氛與汞柱權衡。他實際上測量了將其直接轉換為重量的壓力。托里切利設計的儀器是第一個晴雨表。玻璃管的開放端放在汞的菜餚中。大氣壓力迫使汞升起管。在海平面,汞柱平均會(平均)上升至29.92英寸或760毫米的高度。
為什麼不使用水代替汞?原因是在海平面,水柱將高約34英尺!汞另一方面,比水的濃度是14倍,是在普通溫度下仍然是液體的最重的物質。這允許該儀器的規模更易於管理。
如何不使用晴雨表
現在,您的房屋或辦公室牆壁上可能有一個晴雨表,但很可能它不是汞管,而是帶有箭頭的錶盤,指向當前的氣壓讀數。這樣的儀器稱為無型晴雨表,該元氣壓計由部分撤離的金屬電池組成,該金屬電池會隨著壓力而變化並收縮,並附著在耦合機構上,該機構沿著沿壓力單元(以英寸或Millibars)施加指示器(箭頭)驅動指示器(箭頭)。
通常在指示撥盤上,您還會看到諸如“陽光”,“乾燥”,“未固定”和“暴風雨”之類的單詞。據說,當箭頭指向這些詞時,應該表明未來的天氣。例如,通常可以在高氣壓範圍內找到“陽光明媚” - 30.2或30.3英寸。另一方面,在低氣壓範圍內會發現“暴風雨” - 29.2或更低,甚至可能有時低於29英寸。
這似乎都是合乎邏輯的,除了它們都相當簡單。例如,可能有時會有箭頭指向“陽光明媚”,而天空完全被陰沉。在其他情況下,箭頭將暗示“暴風雨”,但您可能會看到的是陽光與藍天和快速移動,蓬鬆的雲層混合在一起。
如何正確使用晴雨表
這就是為什麼與黑色指示器箭頭一起,您還應該注意可以手動調整到錶盤任何部分的另一個箭頭(通常是金)。當您檢查晴雨表時,首先輕輕點擊晴雨表的前部以刪除任何內部摩擦,然後將金箭頭與黑色箭頭對齊。然後幾個小時後回來查看黑色箭頭如何相對於金箭頭變化。壓力上升還是下降?如果它跌倒了,它是否如此迅速(也許掉落了十分之一英寸)?如果是這樣,可能會發生風暴。如果風暴剛剛過去並且天空晴朗,晴雨表可能仍然表明“暴風雨”的天氣,但是如果您幾個小時前設置了金箭,您幾乎可以肯定會看到,現在的壓力正在迅速上升,這表明 - 儘管有暴風雨的跡象 - 儘管天氣晴朗。
而且,通過將變化的氣壓變化與風向變化的方向相結合,可以進一步改善您的預測。正如我們已經了解到的那樣,空氣以高壓系統的順時針方式循環,並逆時針繞低壓系統逆時針。因此,如果您看到壓力上升和西北風的趨勢,您可能會期望一般的天氣晴朗,而不是傾斜的晴雨表和東風或東北風,最終可能導致雲層和降水量。