关于气象学的书经常将地球的大气层描述为我们所有人都居住的巨大空气。图表描绘了我们的家园被大气层(几百英里高)包围,分为几个不同的层。然而,实际上,我们大气的那一部分维持了我们所知道的所有生命,实际上非常薄,向上延伸至大约18,000英尺(超过3英里)。实际上可以以一定程度的准确性来测量我们大气的一部分,可达到约25英里(40公里)。除此之外,要对气氛最终在哪里结束的位置给出一个确切的答案。一个不确定的地区在200到300英里之间的某个地方,空气逐渐变薄并最终融合到空间真空中。
因此,围绕我们气氛的空气层毕竟不是那么巨大。正如已故的天气流行权威的埃里克·斯隆(Eric Sloane)一样,雄辩地说:“地球不会悬挂在空气中 - 它悬挂在空间中,其表面上的气体极为薄。”
那瓦斯是我们的气氛。
空气有重量
如果一个人要攀登一座高山,例如夏威夷大岛上的Mauna Kea,山顶达到13,796英尺(4,206米),患有高原病(低氧)的可能性很高。在登顶之前,访客必须停在9200英尺(2,804 m)海拔的信息中心,在那里他们被告知要适应高度,然后再继续前进。您可能会说:“嗯,当然,毕竟,与海平面上存在相比,在如此高海拔的可用氧气量要小得多。”
但是在做出这样的陈述时,你会错误的!
实际上,21%地球的气氛由赋予生命的组成氧(78%由氮还有其余1%的其他气体)。 21%的比例在海平面和高山地高度上几乎相同。
最大的区别不是存在的氧气量,而是密度和压力。
将空气与水(“空气海洋”)进行比较的类比是一个很好的,因为我们都在空中游泳。现在想象这一点:一个高大的塑料水桶充满了水。现在,取一个冰选择,在水桶顶部附近戳一个洞。水会慢慢运球。现在,在水桶底部附近拿起另一个洞。会发生什么?在那儿,水将在尖锐的溪流中迅速喷出。原因是压力的差异。水的重量在水桶底部附近施加的压力大于顶部附近的压力,因此水被“挤出”底部的孔中。
同样,我们头部上方的所有空气的压力是将空气推入我们的肺并将氧气挤出并从我们的血液中挤出的力。一旦压力降低(例如,当我们上升到高山时)将空气推入肺部,那么氧气就会减少到我们的血液和低氧结果。同样,不是由于减少了可用氧气的量,而是由于大气压力的降低。
高低
那么,大气压力与日常天气模式有何关系?毫无疑问,您已经看到电视上提出的天气预报;摄像机风向盘架提到高压和低压系统。那是什么?
简而言之,基本上,每天太阳的热量在整个地球各不相同。由于太阳加热不平等,整个地球的温度各不相同。赤道的空气比两极的温度要温暖得多。因此,温暖,轻的空气升起并朝着两极,较冷,较重的空气朝赤道下沉。
但是我们生活在一个旋转的行星上,因此这种简单的风模式被扭曲至一定程度,以至于空气在北半球和南半球的左侧的运动方向向右扭曲。今天,我们知道这种效果是科里奥利的力,并且是直接的结果,生产出巨大的风螺旋,我们知道这是高压系统和低压系统。
在北半球,低压区域的空气逆时针和向内螺旋 - 例如,飓风是科里奥利机制,逆时针循环空气。相比之下,高压系统顺时针旋转并从中心向外向外。在南半球,空气螺旋的方向颠倒了。
那么,为什么我们通常将高压与晴朗和低压的高压与未安排的天气联系起来呢?
高压系统是向下压的“密度圆顶”,而低压系统类似于“大气山谷”,其中空气的密度较小。由于凉爽的空气具有少于水蒸气而不是温暖空气的能力,因此云和降水是由冷却空气引起的。
因此,通过增加气压,温度升高;在那些高压圆顶下,空气倾向于沉入温度较高并可以容纳更多的水蒸气的大气层降低(称为“沉降”)。任何可能导致云形成的液滴都会蒸发。最终结果往往是一个更清晰,更干燥的环境。
相反,如果我们降低气压,则空气倾向于进入温度更冷的大气层。随着保持水蒸气降低的能力,蒸气迅速凝结和云(由无数数十亿的小水滴组成,或者在很高的海拔高度,冰晶)会发展,最终将下降。当然,我们无法在不使用某种装置来测量大气压的情况下预测高压和低压的区域。
输入晴雨表
大气压是大气重量施加的每单位区域的力。为了衡量体重,气象学家使用晴雨表。意大利物理学家和数学家是伊万格里斯塔·托里切利(Evangelista Torricelli),他在1643年证明他可以将气氛与汞柱权衡。他实际上测量了将其直接转换为重量的压力。托里切利设计的仪器是第一个晴雨表。玻璃管的开放端放在汞的菜肴中。大气压力迫使汞升起管。在海平面,汞柱平均会(平均)上升至29.92英寸或760毫米的高度。
为什么不使用水代替汞?原因是在海平面,水柱将高约34英尺!汞另一方面,比水的浓度是14倍,是在普通温度下仍然是液体的最重的物质。这允许该仪器的规模更易于管理。
如何不使用晴雨表
现在,您的房屋或办公室墙壁上可能有一个晴雨表,但很可能它不是汞管,而是带有箭头的表盘,指向当前的气压读数。这样的仪器称为无型晴雨表,该元气压计由部分撤离的金属电池组成,该金属电池会随着压力而变化并收缩,并附着在耦合机构上,该机构沿着沿压力单元(以英寸或Millibars)施加指示器(箭头)驱动指示器(箭头)。
通常在指示拨盘上,您还会看到诸如“阳光”,“干燥”,“未固定”和“暴风雨”之类的单词。据说,当箭头指向这些词时,应该表明未来的天气。例如,通常可以在高气压范围内找到“阳光明媚” - 30.2或30.3英寸。另一方面,在低气压范围内会发现“暴风雨” - 29.2或更低,甚至可能有时低于29英寸。
这似乎都是合乎逻辑的,除了它们都相当简单。例如,可能有时会有箭头指向“阳光明媚”,而天空完全被阴沉。在其他情况下,箭头将暗示“暴风雨”,但您可能会看到的是阳光与蓝天和快速移动,蓬松的云层混合在一起。
如何正确使用晴雨表
这就是为什么与黑色指示器箭头一起,您还应该注意可以手动调整到表盘任何部分的另一个箭头(通常是金)。当您检查晴雨表时,首先轻轻点击晴雨表的前部以删除任何内部摩擦,然后将金箭头与黑色箭头对齐。然后几个小时后回来查看黑色箭头如何相对于金箭头变化。压力上升还是下降?如果它跌倒了,它是否如此迅速(也许掉落了十分之一英寸)?如果是这样,可能会发生风暴。如果风暴刚刚过去并且天空晴朗,晴雨表可能仍然表明“暴风雨”的天气,但是如果您几个小时前设置了金箭,您几乎可以肯定会看到,现在的压力正在迅速上升,这表明 - 尽管有暴风雨的迹象 - 尽管天气晴朗。
而且,通过将变化的气压变化与风向变化的方向相结合,可以进一步改善您的预测。正如我们已经了解到的那样,空气以高压系统的顺时针方式循环,并逆时针绕低压系统逆时针。因此,如果您看到压力上升和西北风的趋势,您可能会期望一般的天气晴朗,而不是倾斜的晴雨表和东风或东北风,最终可能导致云层和降水量。