Создание зоны пониженного давления
Если считать Землю большим домом человечества, то печка у нас хорошая. Это – Солнце. Топлива там на ближайший миллион лет хватит. И обогревает Солнце нашу Землю очень интенсивно, однако, не равномерно. Там, где его лучи падают на земную поверхность отвесно, она нагревается сильнее. Там же, где солнечные лучи падают на Землю под углом, поверхность Земли прохладнее. Почему? Потому что во втором случае, на единицу земной поверхности падает меньше солнечной энергии. Поэтому на Земле сильнее всего нагреваются экваториальные области, а холоднее всего – на полюсах.
Итак, в некоторых местах нашей глобальной «избушки» гораздо жарче, чем в других. А в некоторых – вообще ледник.
Как известно, природа не терпит неравенства. По крайней мере, неравенства температур. Согласно фундаментальному закону, который называется вторым началом термодинамики, в замкнутой системе (а такой в определенной степени можно считать нашу планету) обязательно возникнут процессы, которые будут способствовать выравниванию температур. Помните, за счет чего обогревается комната, где топится печка? За счет циркуляции воздуха. Воздуха у нас на Земле хватает. Неравенство температур на экваторе и на полюсах нашей планеты поддерживает постоянную циркуляцию воздушных масс. Которая, собственно, и определяет погоду.
В экваториальных и тропических районах воздух от соприкосновения с нагретой поверхностью суши или океана нагревается и поднимается вверх. За счет этого давление здесь всегда пониженное. Из мест, где температура ниже сюда устремляется более холодный воздух. Возникает ветер. За счет вращения Земли эти ветры в северном полушарии закручиваются против часовой стрелки, а в южном – по часовой (если смотреть сверху). Таким образом, возникает большая и устойчивая «воздушная вихревая труба», по которой теплый воздух уходит вверх, на высоту 9 – 12 километров. Здесь, на границе тропосферы (так сказать, под потолком, нашего глобального жилища) воздух начинает перемещаться в сторону полюсов.
Такой устойчивый вихрь, возникающий вокруг области пониженного атмосферного давления, называется «циклон». Слово это происходит от древнегреческого слова «кюклон», «вращающийся». На фотографиях со спутников циклон выглядит огромной облачной спиралью. Сильные ветры, закручивающиеся вокруг «вихревой трубы» в своем движении несут в область пониженного атмосферного движения облака. А в центре циклона влажный воздух, поднимаясь вверх, охлаждается, собирается в облака, которые проливаются сильными дождями.
Холодный же воздух в свою очередь движется от полюсов в более теплые места. Подняться в верхние слои атмосферы он не может и как бы «ползет» по поверхности земли в разные стороны. Из-за вращения Земли «разлетающиеся» от центра ветры закручиваются по часовой стрелке, то есть в направлении, противоположном движению воздушных масс в циклоне. Поэтому воздушные массы, возникающие над холодными местами, принято называть антициклонами. Поскольку воздух в центре антициклона имеет невысокую влажность, здесь всегда стоит ясная и сухая погода.
Встреча циклонов с антициклонами происходит в средних широтах (в районе 30 градусов северной или южной широты). Взаимодействие циклонов и антициклонов, теплых и холодных воздушных масс, определяет все «чудеса» погоды, которые пытаются предсказать синоптики.
Опубликовано на сайте Топавтор
Полезные ссылки:
Источник
Анализ синоптических карт за отдельные сроки показывает, что распределение атмосферного давления все время меняется. Эти изменения обусловливаются в основном изменением температуры и циркуляционными факторами – перемещением и эволюцией циклонов и антициклонов. Даже на среднемесячных или сезонных картах барическое поле Земли может значительно отличаться от аналогичного распределения в другие годы. Тем не менее, построение средних многолетних месячных, сезонных или годовых карт обнаруживает определенные закономерности, типичные для каждого месяца или сезона. Одной из самых устойчивых особенностей многолетних барических карт является зональность в распределении давления, хотя и несколько замаскированная различием влияний суши и моря.
По обе стороны от экватора (в зоне от 15 ° с. ш. и 25 ° ю. ш. в январе и между 35° с. ш. и 5° ю. ш. в июле) формируется область пониженного давления.* Это область экваториальной депрессии, смещающаяся в то полушарие, в котором в данном месяце лето.
В субтропических широтах (30–32° с. ш. и ю. ш. в январе и 33–37° с. ш. и 26–30° ю. ш. в июле) формируются две субтропические зоны повышенного давления, смещающаяся от января к июлю к северу, а от июля к январю к югу.
От субтропиков к умеренным широтам (55–65° с. ш. и ю. ш.) давление падает, особенно сильно в южном полушарии, и достигает минимума в субарктических и субантарктических зонах. К полюсам обоих полушарий давление опять растет.
Вследствие зональности в распределении атмосферного давления меридиональный барический градиент между широтными зонами обоих полушарий направлен то к низким, то к высоким широтам. В дальнейшем (§9) будет показано, что это приводит к преобладанию в тропиках восточных ветров, а в умеренных широтах – западных.
Причиной образования зон высокого давления в субтропиках и зон низкого давления в субполярных широтах являются особенности циклонической деятельности. Антициклоны, возникающие в умеренных широтах, при своем движении с запада на восток смещаются к более низким широтам и там усиливаются, образуя в обоих полушариях субтропические зоны высокого давления с осью около 35-й параллели. Циклоны, зарождающиеся на полярном фронте умеренных широт, при своем движении к востоку отклоняются к более высоким широтам и сосредоточиваются там, образуя субполярные зоны низкого давления. Такая сепарация циклонов от антициклонов объясняется зависимостью изменения отклоняющейся силы вращения Земли с широтой.
С высотой влияние распределения суши и моря на температуру, а следовательно, и на атмосферное давление ослабевает и в структуре высотного барического поля все отчетливее видна зональность в распределении давления.
Полярность сезонов в полушариях Земли приводит к тому, что средняя величина атмосферного давления над каждым из них меняется от зимнего полугодия к летнему (рис. 8). Вследствие этого происходит сезонный обмен воздуха между полушариями (преимущественно в высоких слоях атмосферы). Подсчитано, что за год из северного полушария в южное и обратно переносится около 1013 т воздуха, что составляет 1/500 часть всей массы атмосферы.
Центры действия атмосферы.
Анализ карт средних многолетних значений атмосферного давления (рис. 9) указывает на зональность в его распределении. Однако влияние неравномерного распределения суши и моря приводит к тому, что в отдельных зонах барическое поле распадается на отдельные ячейки, на отдельные области повышенного или пониженного давления с замкнутыми изобарами. Эти области низкого или высокого давления на многолетних средних картах, являющиеся статическим результатом преобладания в данных районах циклонической или антициклонической деятельности, называются центрами действия атмосферы (ЦДА). Одни из этих ЦДА прослеживаются на климатических картах всех месяцев года, другие обнаруживаются на картах только зимних или только летних месяцев. Первые называются перманентными (постоянными), а вторые – сезонными ЦДА.
К постоянным ЦДА относятся исландская депрессия азорский максимум (антициклон), северотихоокеанский (гонолульский) антициклон, гренландский антициклон, южноатлантический и южно-индийский антициклоны, предантарктическая зона пониженного давления, арктический и антарктический антициклоны и экваториальная ложбина.
Сезонными ЦДА считают алеутскую зимнюю депрессию, соедиземноморскии зимний циклон, азиатский (сибирский) максимум, мексиканскую летнюю депрессию и др.
Наличие рассмотренных ЦДА на многолетних средних картах не означает вовсе, что в этих или иных местах планеты круглый год или весь сезон располагается одно и то же устойчивое барическое образование — циклон или антициклон. В действительности циклоны и антициклоны в атмосфере постоянно и достаточно быстро сменяют друг друга, перемещаясь из одних районов Земли в другие. Климатологические карты только позволяют выяснить преобладание одних форм барического рельефа над другими — циклонической деятельности над антициклонической и наоборот.
Детальное изучение закономерностей перестройки барического поля Земли (условия зарождения, эволюции и миграции ЦДА) является теоретической основой для краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое плотность воздуха и какие причины влияют на изменение плотности воздуха?
2. В чем суть основного уравнения статики?
3. Какие Вы знаете единицы измерения атмосферного давления?
4. В чем особенности изменения атмосферного давления? Что такое барический градиент?
5. Что такое барические исстемы? Какие видризменения происходят в барических системах (циклон, антициклон, ложбина, гребень, седловина)?
6. В чем особенности распределения атмосферного давления на земном шаре?
Источник
Воздушные массы постоянно циркулируют в атмосфере. Их названия соответственны тому месту на карте, где они были образованы. Воздушные массы бывают континентальные (образовываются над сушей) и морские (образовываются над водной поверхностью). Они оказывают давление на поверхность земли и на всех населяющих ее существ. Это воздействие имеет разную силу. Область пониженного давления в атмосфере — это шторм или циклон. Однако это касается измерений на поверхности, соотносимой с уровнем моря. В горах областью пониженного давления характеризуется нормальное состояние атмосферы. Это обычное явление здесь.
Атмосферное давление
Область пониженного давления в атмосфере — это относительный показатель.
Его следует рассматривать как параметр, измеряемый над уровнем моря. Нормальным считается в этом случае величина 765 мм ртутного столба. Чем больше высота производимых измерений, тем формирующиеся области атмосферного давления становятся ниже. На границе снежных шапок в горах этот показатель считается нормальным при значении 350 мм ртутного столба.
Благодаря этому понятие областей пониженного атмосферного давления рассматривается с точки зрения показателя и окружающих воздушных масс. Для каждой местности, где были они сформированы, определяют характерные особенности, влияющие на циркуляцию. Определение погоды в том или ином регионе всегда соотносится с исследованиями всех природных явлений, возникающих в регионе.
Циркуляция воздуха
Образование областей пониженного атмосферного давления воздуха связано с процессом его циркуляции.
Она происходит из-за наклона земной оси и неоднородности прогрева планеты на экваторе и полюсах.
Область пониженного атмосферного давления воздуха формируется благодаря высоким температурам на экваторе. Он при нагреве расширяется и поднимается вверх. А учитывая тот факт, что на полюсах происходит обратное действие и возникает повышенное давление, происходит циркуляция воздушных масс.
Причем, если в одной области образовывается низкое давление, то в другой обязательно будет формироваться повышенное.
Определение циклона
Область пониженного давления в атмосфере — это циклон. Он проявляется в виде шторма или даже смерча. В центре циклона давление значительно ниже, чем по краям.
Если он образовался в северном полушарии, движение воздушных масс будет совершаться против циркуляции часовой стрелки. В южной стороне планеты — наоборот. Сила Кориолиса двигает циклон вправо, а в южном — влево.
Область пониженного атмосферного давления, где формируется смерч или шторм, располагается изначально над водной поверхностью. Поэтому такое явление природы приносит с собой дождливую, облачную погоду. Частые порывы ветра вызваны разницей давления в центре и периферии циклона. Область пониженного атмосферного давления воздуха формируется с летними дождями и похолоданием, а зимой — оттепелями и снегопадами. Воздух при этом движется от края циклона к его центру, где он поднимается и охлаждается.
Механизм образования
Вихрь циклона принято называть «кольцом змеи». Его диаметр порой достигает нескольких тысяч километров.
Область пониженного давления воздуха формируется в умеренных широтах. Это происходит при столкновении теплых влажных воздушных потоков со стороны экватора с холодными сухими потоками с полюсов. Между этими противоположностями появляется граница, называемая фронтом. Холодный воздух немного оттесняет теплый слой. Его массы сталкиваются между собой. Начинается эллипсоидное движение. Захватывая близлежащие слои воздуха, циклон движется со скоростью до 50 км/ч. Периферия вращается быстрее, чем центр. В зависимости от расположения возникновения, случаются порой очень сильные шторма. Они несут разрушения порой невообразимых масштабов. Область пониженного давления в атмосфере — это смерч. В его центре наблюдается недостаток воздуха. Холодные ветра восполняют его. Теплые воздушные потоки вытесняется вверх, остывает, а влага конденсируется в виде осадков. Продолжительность жизни шторма разная и зависит от географии местности.
Тропический вихрь
Вихри тропических широт гораздо сильнее образующихся в умеренных широтах циклонов.
В районе 5-20 градусов южной и северной широты над поверхностью океана возникают подобные природные явления. Там, где формируется область пониженного атмосферного давления, происходит движение воздушных масс. Однако в тропических циклонах оно порой очень велико. Достигает 10-30 м/с. Центр его называют «глаз бури». Здесь наблюдается тихая погода. Чем он шире, тем разрушительнее буря. Обычно «глаз бури» составляет 30 км, но бывает, доходит до 70 км. Глобальное потепление приводит к увеличению мощи циклонов тропических широт. Конечно, встречаются и незначительные по силе подобные погодные явления. Однако мощные штормы и ураганы порой доходят до Европейских стран, Америки, где оставляют колоссальные разрушения с многочисленными жертвами.
Виды циклонов
Область пониженного атмосферного давления воздуха бывает различной силы. Различают 4 типа циклонов:
- Возмущение, которое характеризуется движением воздуха со скоростью не более 17 м/с.
- Депрессия — скорость находится в диапазоне 17-20 м/с.
- Штормом называю циклон, центр которого движется до 38 м/с.
- Если движение «глаза бури» превышает 39 м/с, это уже ураган.
Это общепринятая классификация. Природа порой подбрасывает человечеству «сюрпризы» в виде непредвиденных по силе в нехарактерных широтах бурь. Например, в 1999 г. Западню Европу потряс мощный ураган «Лотарь». Метеорологи его не смогли предвидеть, так как его чудовищная сила привела к зашкаливанию датчиков. Некоторые из них даже не сработали.
Более 70 человек погибли из-за разбушевавшейся стихии.
Наименование вихрей
Чтоб избежать путаницы в определении метеорологами циклонов, область пониженного атмосферного давления начали называть каждый своим именем. Они отражали все его параметры, координаты и скорость передвижения. Было предложено именовать их цифрами и буквами, названиями птиц и животных. Очень популярным было называть циклоны женскими именами. Это было удобно и эффективно. Однако в конце 70-х и мужские имена стали применяться для таких целей. Подобная система позволила избежать ошибок и путаницы при обмене информацией о приближающемся шторме.
Ознакомившись с представленной выше информацией, можно прийти к выводу, что область пониженного давления — это циклон. Он приносит с собой влажную, пасмурную погоду. По силе различают как незначительные возмущения, так и ужасающие ураганы. Они могут принести как незначительные ухудшения погоды, так и крайне большие разрушения. Разобравшись в механизме их возникновения, можно понять, почему с каждым годом наблюдается рост сильных бурь и смерчей, которые порой появляются в совершенно непредвиденных для них областях. К этому приводит глобальное потепление, вызванное деятельностью человека на планете.
Источник
Опубликовано в журнале СОК №11 | 2009
Тема создания комфортного климата в офисных и жилых помещениях и сегодня остается актуальной. В процессе модернизации, перестройки старых советских административных зданий, строители стараются учесть потребности современных заказчиков. Соответствие температуры, влажности и давления позволяет создать соответствующие условия для работы, продлить срок службы мебели и офисной техники, избежать размножения болезнетворных бактерий и появления плесени. Обычная ошибка при создании систем вентиляции и кондиционирования связана с игнорированием или недооцениванием проблемы создания правильного давления в помещениях.
Ниже атмосферного Основная ошибка заключается в неправильном проектировании системы вентиляции, когда создается система вытяжки без надлежащей системы притока воздуха. Это становится причиной создания в помещении отрицательного давления. Результат — хлопающие двери, поступление грязного воздуха с улицы внутрь. Система приточно-вытяжного кондиционирования и вентиляции тоже не является универсальным решением проблемы, если были допущены ошибки на стадии проектировки. Основные из них следующие: ❏ неверный расчет расхода воздуха в помещении; ❏ расходы воздуха в сопряженных помещениях не сбалансированы или вышли из состояния баланса в результате установки какого-либо оборудования, которое в проекте отсутствовало (вытяжные вентиляторы в кухнях или туалетных комнатах). Чаще всего подобная ситуация наблюдается в жилых многоквартирных домах. Особенно в домах старой постройки, где закладывались и закладываются естественные системы вентиляции. В результате воздух перетекает, перенося с собой посторонние запахи. Какое же давление следует создавать в помещениях? Ответ на этот вопрос зависит от их назначения. В большинстве случаев в офисных и жилых помещениях следует создавать положительное по отношению к окружающей среде давление. Его рекомендуемое значение — приблизительно 1 Па. Такое давление не препятствует легкому открыванию и закрыванию дверей, оставаясь комфортным для человека. В то же время оно предотвращает неконтролируемый приток наружного воздуха внутрь. Однако в целом ряде случаев давление в помещении должно быть ниже атмосферного. Это характерно для производств и лабораторий, имеющих дело с веществами, которые не должны поступать в окружающую среду. Например, помещения, где производятся лакокрасочные работы — здесь должна быть эффективная система приточно-вытяжной вентиляции, но ядовитые пары краски не должны попадать в атмосферу без предварительной фильтрации. Также условие отрицательного давления касается учреждений здравоохранения, где возможно попадание инфекции в воздух. В инфекционных больницах необходимо создание зон с пониженным давлением, где и размещают больных. Методы создания систем с контролируемым давлением Регулировать давление в помещениях можно на стадии проектировки, закладывая соответствующие мощности приточно-вытяжных систем или с помощью автоматики. Такое управление возможно при помощи частотных преобразователей, которые позволяют регулировать производительность оборудования, нагнетающего воздух в здание. Широкое распространение и доступность таких частотных преобразователей в последнее время существенно упростило создание систем вентиляции и кондиционирования, обеспечивающих заданное давление внутри зданий. В системах с постоянным объемом воздуха достаточно установить частотный преобразователь в приточный или вытяжной канал. Регулируя поток входящего или выбрасываемого воздуха, можно поддерживать давление на заданном уровне. В случае систем с переменным объемом воздуха (VAVсистемы) частотные преобразователи устанавливаются на обоих вентиляторах. В таких системах приток и удаление воздуха происходят с помощью использования надпотолочного и подпольного пространства. Большое количество зон контроля и сложный расчет расхода воздуха требуют регулировки на обоих концах системы. Частотный преобразователь на приточном вентиляторе обычно поддерживает давление в подающем воздуховоде, частотный преобразователь на вытяжном вентиляторе поддерживает давление в помещении. Важно учитывать, что для энергоэффективности работы вентиляционной системы воздух, как правило, не выбрасывается из здания, а запускается в рециркуляцию с добавлением свежего атмосферного воздуха, и каждый тип зданий требует отдельного подхода к организации притока чистого воздуха. При этом его количество регулируется стандартами и СНиПами. Энергоэффективность здесь обусловлена тем, что нет необходимости обогревать или кондиционировать новые объемы воздуха. Также управлять потоком входящего воздуха можно при помощи системы заслонок и механических регуляторов. Но это не самый точный и эффективный способ. К тому же он обладает низкой энергоэффективностью — потребление энергии приточными насосами остается постоянно высоким, что приводит к снижению экономичности. Измерение малыхперепадов давления Наиболее сложной частью задачи регулирования давления в помещениях является измерение чрезвычайно малых перепадов давлений. Помимо необходимости замера давления, нужно максимально отфильтровать все возмущения давления. Это производится с использованием щупа давления внешнего воздуха. Даже малое дуновение воздуха может создать динамическое давление, существенно превосходящее 1 Па. Поэтому щуп давления внешнего воздуха должен измерять только статическое давление. На рынке представлены подобные щупы, например, американского производства, однако их часто изготавливают самостоятельно. Щуп состоит из двух пластин около 100 мм в диаметре, расположенных на расстоянии приблизительно 1 мм друг от друга. В центре одной из пластин просверливается тонкое отверстие. К нему припаивается или приваривается штуцер для подсоединения трубки, передающей давление к датчику. По большому счету это портативный манометр. Он может быть установлен на крыше здания на штативе. Щуп внутри здания может быть такой же. Однако если существует место в помещении, где гарантировано отсутствие динамичных потоков воздуха, достаточно просто подвести в это место трубку от датчика. В качестве датчика можно рекомендовать различные модели с диапазоном измерения от –1,27 до +1,27 мм водяного столба. В итоге для построения комфортного, качественного с санитарной точки зрения климата на стадии проектировки необходимо учитывать множество факторов: специфику помещения, целевое назначение, предполагаемую температуру и влажность. Это необходимо для того, чтобы быть готовым к изменению режима работы приточно-вытяжной вентиляции. В современных системах центрального кондиционирования типа «чиллер–фэнкойл» и тем более тепло-насосных системах, решение проблемы комфортного давления обеспечено в комплексе. Адекватная система автоматики, правильное распределение зон контроля и гибкость позволяет выстраивать и регулировать входящие и исходящие воздушные потоки. Фактически наиболее универсальным способом регулирования давления в зданиях остается управление производительностью приточных и вытяжных насосов с помощью частотных преобразователей, находящихся под управлением автоматизированных контроллеров. ❏
Источник
