Ciśnienie atmosferyczne

CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE, ciśnienie, jakie wywiera powietrze atmosferyczne na powierzchnię Ziemi i na wszystkie znajdujące się w nim ciała. Jest ono na danym poziomie równe ciężarowi słupa powietrza o jednostkowej podstawie znajdującego się ponad tym poziomem, na poziomie morza średnia wartość ciśnienia atmosferycznego, tzw. ciśnienie normalne, wynosi 1013,25 hPa (1 atmosfera), ze wzrostem wysokości ciśnienia atmosferycznego maleje (baryczny stopień). W meteorologii stosuje się (np. na mapach pogody) wartości ciśnienia atmosferycznego zredukowane do poziomu morza i temp. 0^oC (największą wartość - 1084 hPa, zanotowano 1968 w wyżu azjatyckim. na Syberii, najmniejszą - 870 hPa - 1979 w oku tajfunu Tip na Pacyfiku). Od rozkładu ciśnienia atmosferycznego zależy poziomy ruch powietrza i związane z tym procesy (wiatr, powstawanie chmur i inne). Pomiarów ciśnienia atmosferycznego dokonuje się różnego rodzaju barometrami.

Ciśnienie atmosferyczne jest to nacisk jaki swoim ciężarem wywiera słup powietrza na jednostkę powierzchni. Wraz ze wzrostem grubości warstwy powietrza rośnie ciśnienie. Biorąc pod uwagę dwie warstwy o tej samej wysokości ciśnienie wyższe wywiera słup chłodniejszego powietrza, co jest pozornie sprzeczne z równaniem Claperona: p = Q*R*T
gdzie:
R - stała gazowa
Q - gęstość powietrza
T - temperatura powietrza

Bezpośrednio ze wzoru wynika, że podczas wzrostu temperatury zwiększeniu powinno ulec ciśnienie, a jednak tak nie jest. Wszystko wyjaśni się gdy rozpatrzymy temperaturową zależność gęstości powietrza. Okazuje się, że wzrost temperatury wywołuje spadek gęstości, której zmiany są większe od zmian temperatury je wywołującej więc ciśnienie obniża się. Przedstawiony powyżej schemat jest bardzo ogólny, bo atmosfera ziemska rządzi się bardziej skomplikowanymi prawami których tu nie będę omawiał.

Ciśnienie powietrza najczęściej wyraża się w hektopaskalach (hPa) oraz w milimetrach słupa rtęci ( mmHg), przy czym 1 hPa = 0.75 mmHg. Jako ciśnienie normalne uważa się ciśnienie, które w temperaturze 0^oC i na 45^o równoleżniku szerokości geograficznej wynosi 760 mmHg, to jest 1013.2 hPa. W średnich szerokościach geograficznych ciśnienie atmosferyczne ulega częstym zmianom z dnia na dzień. Absolutne wahania ciśnienia mogą dochodzić do 100 hPa lecz rzadko przekraczają wartość 70 hPa w ciągu roku.

Zawsze w atmosferze ciśnienie spada ze wzrostem wysokości, spadek ten zależy od temperatury oraz w mniejszym stopniu od ilości pary wodnej w powietrzu. Stopień baryczny ( grubość warstwy w której ciśnienie spada o 1 hPa) przy średniej temperaturze warstwy powietrza około 0^oC wynosi 8mbar. Ze wzrostem temperatury stopień baryczny zwiększa się ( atmosfera rozrzedza się) i dla temperatury powyżej 15^oC wynosi około 9 mbar. W chłodnych masach powietrza, w których temperatura nie przekracza – 15^oC wynosi 7 mbar.
W celu wyliczenia dokładnego stopnia barycznego w danej temperaturze stosuje się barometryczny wzór na geopotencjał.

Ciśnienie również zależy od szerokości geograficznej, ponieważ wraz z nią zmienia się wartość przyspieszenia ziemskiego. Na równiku wskutek maksymalnej prędkości liniowej ziemi wokół własnej osi wzrasta siła odśrodkowa powodując zmniejszenie siły grawitacji. W okolicach bieguna, gdzie prędkość ta jest znikoma lub równa się zero, ciążenie jest największe. W związku z tym nacisk powietrza oraz ciśnienie jest mniejsze na równiku niż na biegunie. Jednak zmiany te są małe nie należy przypuszczać, iż z tej przyczyny w okolicach równoleżnika zerowego obserwuje się strefę niskiego ciśnienia, zaś na szerokościach wysokich podwyższonego. W rzeczywistości o różnicach tych decyduje temperatura. Zróżnicowanie temperatury pod wpływem szerokości geograficznej tworzy bardzo różnorodny obraz ciśnienia na Ziemi. Wyróżnia się następujące ośrodki: niże i wyże baryczne, zatoki, bruzdy niskiego ciśnienia, kliny oraz wały wysokiego ciśnienia.
Na wysokości stacji 260m przy średniej temperaturze roku 7.4^oC stopień baryczny wynosi 8.2 mbar czyli ciśnienie atmosferyczne wynosi 1013.2 - 260 / 8.2 = 985.5 hPa (736.1 mmHg).

Zakres badań ciśnienia w Strzyżowie jest dość skromny i wynosi tylko 2.5 mbar w roku, mimo krótkiego okresu czasu ważniejsze charakterystyczne cechy ciśnienia są dość dobrze zauważalne.

Przebieg roczny ciśnienia charakteryzuje się zimowym wzrostem oraz letnim obniżeniem ciśnienia, co jest zgodne z temperaturą tych okresów. Najwyższe średnie miesięczne obserwuje się w styczniu 743 mmHg. Związane jest to z dużą rozbudową wyżów w centralnej części kontynentu w tym okresie. W lutym ciśnienie mocno spada za sprawą aktywności niżów: islandzkiego oraz północnoatlantyckiego, aby w marcu ponownie wzrosnąć. W trzech następnych miesiącach panuje ciśnienie bardzo niskie mimo iż spada aktywność niżów zimowych a do głosu dochodzą płytkie wyże. W lipcu i sierpniu ciśnienie podwyższa się do wartości średniego rocznego, aby we wrześniu ponownie obniżyć się ( pogorszenie pogody, większe oddziaływanie niżów). W październiku w wyniku rozbudowania się wyżu azorskiego ciśnienie wzrasta. Listopad, który należy do miesięcy o wzmożonej aktywności niżowej zaznacza się spadkiem ciśnienia w stosunku do października o 2.5 mbar Koniec roku to ponowny skok ciśnienia w górę.

Średnie miesięczne wartości ciśnienia oraz tygodniowe wahania ciśnienia

Roczny przebieg ciśnienia posiada mocno falowy charakter z którego wynikają poniższe dane, średnie ciśnienie:
- zimy 740.5 mmHg
- wiosny 735.5 mmHg
- lata 737.0 mmHg
- jesieni 737.5 mmHg

Jak widać wysokie ciśnienie przypada na zimę oraz częściowo na jesień, zaś najniższe wartości obserwuje się wiosną oraz latem. Zastanawiające jest to, iż najniższe ciśnienie przypada na wiosnę a nie na cieplejsze lato. Pierwszą i zasadniczą przyczyną tego jest brak informacji z dłuższego okresu o ciśnieniu w poszczególnych miesiącach. Inną przyczyną zakłócającą rytm ciśnienia jest przejściowość klimatu Strzyżowa.

Wpływ skomplikowanej cyrkulacji powietrza wywołuje częste zmiany ciśnienia powietrza. Biorąc pod uwagę średnie zmiany tygodniowe (z barogramu) przedstawione w tabeli oraz na poniższym jej wykresie zauważa się letnie zmniejszenie oraz zimowy wzrost wahań ciśnienia. W styczniu są one na poziomie średnich rocznych, ale w stosunku do innych chłodnych miesięcy dość małe. Zdecydowanie największe wahania ciśnienia obserwuje się w lutym, wynoszą one średnio 26 mbar w ciągu siedmiu dni. Wywołane są one wzrostem aktywności frontogenetycznej, w okresie tym nad Polską przemieszcza się największa ilość frontów wywołujących nieraz bardzo duże zmiany ciśnienia. Dalsze miesiące to systematyczny spadek wahań ciśnienia do maja, czerwca, lipca oraz sierpnia, kiedy to wynoszą 10 -12 mbar. Okres ten charakteryzuje się ustabilizowaniem pogody oraz cyrkulacji powietrza.

Koniec lata i środek jesieni to ponowny wzrost wahań, aby w listopadzie i grudniu w miesiącach o dużej aktywności, rodzenia się oraz przemieszczania głębokich frontów, przekroczyć 20 mbar.

Znaczny wzrost w okresie zimowym tygodniowych wahań ciśnienia spowodowany jest niestabilnością pogody i ciągłymi zmianami z dnia na dzień kierunku cyrkulacji powietrza. Średnie tygodniowe wahania ciśnienia pór roku:
- zima 21.2 mbar
- wiosna 12.8 mbar
- lato 11.0 mbar
- jesień 19.5 mbar

Powyższe dane potwierdzają charakter cyrkulacji w poszczególnych okresach roku. Wyróżniają się okresy zimy i jesieni jako pór roku,w których najbardziej zaznacza się przejściowość klimatu Strzyżowa.

Dobowy przebieg ciśnienia ze względu na skomplikowaną cyrkulację powietrza jest bardzo różnorodny. Tylko podczas ustabilizowanej pogody wyżowej wahania dobowe przyjmują regularny charakter. I tak w czasie doby wyróżnia się cztery charakterystyczne okresy uwidaczniające się na barogramie jako lekkie falowania rzadko przekraczające 2 - 4 mbar. Występują dwa maksima; większe około godz. 13 oraz mniejsze około godz. 24, ponadto dwa minima; około 6, kiedy ciśnienie spada najniżej, oraz w godz.15 - 17, gdy ciśnienie spada nieco mniej. Powyższy obraz jest trudny do zarejestrowania, częściej występują tylko dwa najbardziej ekstremalne wychylenia.

Warto zwrócić uwagę na wartości "rekordowe" ciśnienia odnotowane w czasie 2.5-letniej obserwacji. Maksymalne ciśnienie zanotowano 15 i 16 stycznia 1991, które wynosiło 756.5 mmHg (1009 mbar), zaś najniższe 1 marca 1990 - 709 mmHg (945,3 mbar). Wartości skrajne mocno odbiegają od średniej, zaś różnica ich wynosi 47.3 mmHg (63,3 mbar) co jest wartością znaczącą.

Istnienie ciśnienia atmosferycznego doświadczalnie potwierdził w 1643 roku włoski fizyk i matematyk Ewangelista Torricelli, był on uczniem Galileusza, a później profesorem uniwersytetu we Florencji, był on również jednym z prekursorów rachunku różniczkowego i całkowego.

Przebieg ciśnienia odzwierciedla zmiany wywołane np. pogłębianiem czy wypełnianiem niżów oraz przemieszczaniem się ośrodków barycznych kształtujących pogodę. Ciśnienie uzupełnia naszą wiedzę na temat atmosfery oraz zmian w niej zachodzących.