Текст книги "Инженерная геоэкология"

Химический состав осадков

Изучение химического состава осадков необходимо для решения многих практических вопросов, и в первую очередь для исследования круговорота веществ в природе и оценки экологического состояния среды. Содержание различных примесей в осадках нужно знать агрохимикам, гидрохимикам, гидрогеологам, геохимикам и экологам для изучения формирования состава природных вод и поверхностных слоев почвы, техникам, разрабатывающим меры предохранения различных сооружений от коррозии и изоляционные устройства на линиях электропередачи, а также медикам и многим другим специалистам.

Химический состав осадков формируется с момента образования зародышевых облачных капель. На этой стадии будущий состав капель определяется химической природой ядер конденсации. Последующее укрупнение облачных элементов и прохождение их через облачные и подоблачные слои атмосферы, всегда содержащие как газообразные, так и твердые растворимые и нерастворимые примеси, приводит к дальнейшему изменению их состава. Атмосферные осадки представляют собой слабые растворы солей. Общая минерализация осадков изменяется в среднем от 10 до 30 мг/л. Крайние ее значения составляют 3–4 и 50–60 мг/л. Тем не менее осадки приносят в почву значительное количество различных примешанных к ним веществ, а именно от 5 до 15 т/км³ за год. Концентрация примесей в осадках зимой больше, чем летом. Это объясняется тем, что вследствие большей площади захвата и меньшей скорости падения снежинки на пути своего падения могут захватывать гораздо больше взвешенных в воздухе частиц примесей, чем капли. Наиболее высокая минерализация осадков в Северном полушарии наблюдается в южных частях континентов, тогда как на севере атмосфера более чистая и потому осадки тоже содержат меньше примесей. На побережьях минерализация осадков меньше, чем в глубине континентов, хотя на побережьях увеличено содержание хлоридов. Наиболее чистые осадки выпадают в тундре и тайге, тогда как в степях и пустынях минерализация осадков резко возрастает. Это показывает, что естественные источники являются определяющими в общем загрязнении атмосферы.

Одной из основных примесей в осадках континентального происхождения являются сульфаты, главным образом SO₂, а в осадках морского происхождения – хлориды. Облачная вода чище, чем вода осадков. На Крайнем Севере европейской части РФ в воде облаков содержится в среднем 13 мг/л минеральных примесей, а в осадках – 16,5 мг/л, в южных районах в облаках содержится 16 мг/л минеральных примесей, а в осадках – 30 мг/л. Из этого следует, что осадки дополнительно набирают примеси в подоблачных слоях атмосферы. Отсюда ясно, как велика роль осадков в очищении атмосферы.

Электропроводность является важной характеристикой атмосферных осадков. Данные об электропроводности туманов, облаков и осадков должны учитываться, например, при изготовлении изоляционных устройств, предназначенных для электросиловых установок и линий электропередачи.

Высоким значением электропроводности обладают только грозовые осадки, причем наименьшая электропроводность осадков, как и их минерализация, наблюдается летом.

Одним из процессов, способствующих удалению радиоактивных веществ из атмосферы, является вымывание их осадками. Радиоактивность измеряется в беккерелях (Бк): 1 Бк = 1 распад/с. Радиоактивность осадков связана с их типом и интенсивностью и колеблется в широком диапазоне. Твердые осадки более радиоактивны, чем жидкие. Средняя радиоактивность для снега составляет 0,85 Бк, а для дождя – 0,27 Бк; абсолютный максимум равен 5,96 Бк для снега и 1,64 Бк – для дождя. Большая радиоактивность снега объясняется тем, что часть радиоактивных веществ осадки захватывают при своем падении, а у снежинок захватывающая поверхность больше, чем у капель.

Чем интенсивность осадков выше, тем меньше их радиоактивность, так как суммарная поверхность мелких капель и снежинок, выпадающих при слабых дождях и снегопадах, больше поверхности крупных частиц, выпадающих при сильных осадках.

Иногда дождевые капли и снежинки содержат окрашивающие их примеси, в результате чего образуются необычные «красные» (или «кровавые»), «черные», «молочные» и другие дожди и снегопады. Окрашивающие примеси могут иметь различное происхождение. Например, цветной песок сильными ветрами поднимается в воздух с поверхности пустынь. Таким же путем попадают в атмосферу красящие водоросли, микроорганизмы, споры растений. Частички сажи и пепла поступают в атмосферу при вулканических извержениях, лесных и торфяных пожарах. Все эти примеси проникают в средние слои тропосферы, разносятся на большие расстояния и затем вымываются осадками.

Кислотные дожди образуются в атмосфере при контакте так называемых кислых газов (NO_x, SO₂ и CO₂) с водяными парами и каплями облаков и туманов. Небольшое количество кислых газов выбрасывается из высоких труб ТЭЦ и заводов и переносится на большие расстояния. В крупных городах основным их источником является автотранспорт. Кислые газы, а также нитраты и нитриты попадают на Землю в виде кислотных дождей или снега, а также в виде туманов, росы или твердых частиц.

Эти загрязняющие вещества поглощаются растениями и отравляют атмосферу, воду и почву. Основная экологическая характеристика осадков – их кислотность. Уровень кислотности или щелочности водных растворов выражается в единицах рН. В нейтральных растворах показатель рН равен 7, в кислых рН < 7, в щелочных рН > 7. Чем меньше рН, тем более кислыми являются осадки. Снижение рН на одну единицу соответствует десятикратному возрастанию кислотности.

В настоящее время кислотность природных осадков в среднем составляет рН = 5,6. Кислотные осадки с рН < 5,6 представляют серьезную экологическую угрозу, особенно если рН падает ниже 5,1, что зачастую происходит в крупных городах.

Выпадение кислотных дождей приводит к следующим последствиям:

– возникновению и обострению многих болезней (в том числе болезней дыхательных путей) и преждевременной гибели человека;

– гибели рыбы, водных растений и микроорганизмов в озерах и реках;

– снижению урожайности зерновых культур (на 30 % и более), а также помидоров, сои, фасоли, хлопка;

– ослаблению или гибели деревьев (особенно хвойных пород), которые являются основными генераторами кислорода на суше. При этом деревья подвергаются болезням и образованию на них грибов и мхов; гибель деревьев приводит к засухам, а также к засолению и опустыниванию земли;

– повреждению зданий, статуй, керамики, стекла в результате поверхностной эрозии; интенсификации коррозии металлов; обесцвечиванию красок; ломкости бумаги; растрескиванию и износу резины, основной причиной чего является воздействие на нее озона; ухудшению качества и потере прочности кожи и текстильных тканей.

Методы и средства измерения осадков

Для измерения количества выпадающих на горизонтальную поверхность жидких и твердых осадков наиболее широко применяются относительно простые установки – осадкомеры Третьякова и дождемеры.

Основными частями этих установок являются сосуд для сбора осадков, ветровая защита и мерный стакан. Ветровая защита (лепестки) предназначена для уменьшения завихрений, образующихся от ветра вокруг и внутри осадкосборного сосуда. Завихрения мешают свободному попаданию осадков в сосуд, что приводит к погрешности измерений – обычно к занижению количества жидких осадков и завышению количества твердых (из-за надувания снежинок в сосуд при отсутствии снегопада с окружающих предметов).

Приемная поверхность осадкомера (отверстия, через которые осадки попадают в осадкосборный сосуд) должна иметь строго определенную площадь. Количество осадков, попавших в сосуд, измеряют с помощью специального мерного стакана и, учитывая отношение его площади к площади приемной поверхности осадкомера, рассчитывают толщину слоя воды, который могли бы образовать выпавшие осадки.

В практике применяются осадкомеры, позволяющие измерять количество осадков, выпавших за короткое время (за сутки) и за продолжительное время (до года).

Осадкомер устанавливается на метеорологической площадке на деревянном столбе или специальной металлической подставке так, чтобы высота его приемной части (верхний срез ведра) над поверхностью составляла 2 м.

Если осадкомер устанавливают вне метеорологической площадки, то место его установки должно быть удалено от окружающих строений, деревьев и других предметов на расстояние не менее чем их трехкратная высота. При меньшем удалении снег, сдуваемый ветром с близко расположенных предметов, может попадать в осадкомер; эти предметы могут мешать попаданию осадков в осадкомер, особенно при косом (не вертикальном) их выпадении.

Однако осадкомер не следует устанавливать в совершенно открытом месте, где возможно выдувание из него уже собранных твердых осадков.

Лучшим местом для установки осадкомера является достаточно открытая поляна, окруженная со всех сторон деревьями, или площадка, окруженная строениями.

Снег, выпадающий на земную поверхность при отрицательных температурах, создает на ней снежный покров, оказывающий большое влияние на тепловой режим и влагооборот в почве и воздухе.

Продолжительность залегания снежного покрова изменяется от нескольких дней и недель в низких широтах до 8–9 месяцев – в высоких широтах. В одних районах снежный покров лежит в течение всей зимы, в других под влиянием оттепелей исчезает иногда несколько раз за зиму.

Состояние снежного покрова характеризуется его плотностью, высотой и характером залегания.

Плотность снежного покрова определяется как отношение массы некоторой пробы снега к ее объему. Она меняется от 0,01 до 0,70 г/см². Плотность свежевыпавшего снега зависит от температуры воздуха и скорости ветра во время снегопада: чем выше температура и чем сильнее ветер, тем плотнее снег. В течение зимы снег уплотняется под действием собственной тяжести и ветра. Зимой плотность снега составляет 0,2–0,3 г/см², а к началу весеннего таяния – 0,6–0,7 г/см².

Высота снежного покрова зависит от количества выпавшего снега и его плотности. Большое влияние на высоту снежного покрова оказывают рельеф местности и ветер, переносящий снег с возвышенностей в более низкие места. При переносе ветром снег скапливается у препятствий, где создаются сугробы, и в низких местах.

Характер залегания снежного покрова зависит от скорости ветра, плотности снега и рельефа местности. Сочетание этих факторов создает неравномерность залегания снежного покрова: образуются сугробы и открытые участки. При слабом ветре или при безветрии снег обычно залегает равномерно.

К характеристикам снежного покрова относятся также теплопроводность снега, его отражательная и излучательная способность и другие свойства.

Теплопроводность снега зависит от его плотности: чем больше плотность, тем больше и теплопроводность. Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз больше, чем у неподвижного воздуха, но в 10 раз меньше, чем у почвы.

Отражательная способность свежевыпавшего чистого снега для коротковолновой радиации (альбедо) составляет 90–95 %, а уплотненного, слежавшегося – 30 %. В среднем альбедо снега равно 70–80 %, что в 2–3 раза больше, чем для поверхности почвы, не покрытой снегом.

Снежный покров излучает длинноволновую радиацию почти как абсолютно черное тело.

Весеннее таяние и сход снежного покрова определяются следующими факторами:

– адвективным притоком теплого воздуха;

– действием солнечной радиации;

– выпадением дождя с положительной температурой.

Основной причиной весеннего таяния снега является адвективный приток теплого воздуха. В период снеготаяния около 70 % всего расходуемого тепла поступает от воздуха. При ясной погоде таянию снега в незначительной степени способствует солнечная радиация. Особенно это относится к загрязненному снегу, так как чистый снег отражает большую часть радиации и поэтому тает медленнее, чем загрязненный.

Интенсивность таяния в большой степени определяется рельефом местности. Например, южные склоны холмов, получающие больше солнечного тепла, чем северные, освобождаются от снежного покрова значительно раньше.

Талые воды, образующиеся в результате таяния снежного покрова, частично проникают в почву и благоприятствуют развитию растений. Другая часть талых вод стекает в реки и ручьи и вызывает их разлив. Если почва к началу снеготаяния осталась мерзлой, то большая часть воды стекает по ее поверхности. Если же к этому периоду почва оттаяла на всю глубину активного слоя, то талая вода легко просачивается в нее. Большие запасы воды скапливаются в почве при постепенном, медленном таянии снега. После многоснежных зим при интенсивном таянии снежного покрова почва не успевает впитывать воду и возникают половодья.

Снежный покров имеет большое значение для различных отраслей народного хозяйства. Особенно велика его роль в сельском хозяйстве. В зимнее время он предохраняет почву от промерзания, предотвращает гибель озимых культур, плодово-ягодных насаждений и других зимующих растений. Весной снеготаяние является одним из основных источников увлажнения почвы. При недостатке снега или позднем его выпадении растения гибнут от вымерзания, ледяной корки и выпревания. В результате преждевременного схода снежного покрова растения могут погибнуть от мороза. Избыток снега также может оказать вредное действие на растения. Под глубоким снежным покровом в мягкие зимы происходит выпревание озимых культур. Посевы гибнут и тогда, когда снежный покров осенью образуется на талой почве.

Для измерения количества выпавшего снега применяются постоянные снегомерные рейки, которые устанавливаются осенью до образования снежного покрова.

Сначала вбивают в землю деревянный заостренный брусок длиной 40–60 см, на котором имеется запиленная ступенька. К бруску привинчивают снегомерную рейку так, чтобы она стояла вертикально. Рейка – это деревянный брусок длиной около 2 м, сечением 6x2,5 см со шкалой с ценой деления 1 см и оцифровкой через 10 см. При установке нулевое деление рейки должно совмещаться с поверхностью почвы. Отсчеты по рейке делают, находясь от нее на расстоянии 5–6 шагов, не нарушая состояния снежного покрова около рейки. Отсчеты производят всегда с одной и той же точки. При измерении следует учитывать, что под воздействием ветра около самой рейки часто образуется углубление в снегу.

Переносная снегомерная рейка служит для измерения высоты снежного покрова при маршрутных съемках. Она представляет собой прямоугольный деревянный брусок длиной 180 см, сечением 4 х 2 см. На одной стороне рейки нанесена шкала с ценой деления 1 см. На ее нижнем конце имеется железный наконечник, нижний заостренный край которого совпадает с нулем шкалы.

Для определения высоты снежного покрова переносную рейку погружают заостренным концом вертикально в снег, при этом она должна дойти до поверхности почвы, но не углубляться в нее. Если при измерениях обнаруживается, что под слоем снега поверхность почвы покрыта льдом, то следует, измерив толщину снега, разгрести его и измерить линейкой толщину льда.

Плотность снега вычисляют с точностью до 0,001 г/см³ с дальнейшим округлением до 0,01 г/см³ (она численно равна отношению массы воды, находящейся в снеге, к объему снега). Для измерения плотности служат снегомеры. Походный весовой снегомер состоит из снегозаборника, весов и лопатки.

Снегозаборник представляет собой металлический цилиндр, который подвешивается к весам. В комплект снегоизмерительных приборов входит также снеготаялка.

Измерения количества собранных осадкомером осадков на станциях (независимо от того, заметил наблюдатель или нет их выпадение) производятся четыре раза в сутки и вычисляются для суток. В срок наблюдения наблюдатель приносит из помещения станции пустое ведро, закрытое крышкой (во избежание попадания в него осадков), и заменяет им ведро, стоящее на тагане осадкомера. Затем с установленного (пустого) ведра снимают крышку, закрывают ею снятое ведро (с осадками) и уносят его в помещение, где производят измерение количества осадков. Для этого их через носик ведра сливают в измерительный стакан, установленный на горизонтальную поверхность, и по положению уровня воды относительно его шкалы отсчитывают число делений стакана с осадками, округляя до целых делений. Если количество осадков меньше одного деления стакана, то количество осадков считают равным нулю, однако учитывают, что осадки в этот день выпадали в малых количествах. Если осадков окажется больше 100 делений стакана, измерения следует производить частями, каждый раз записывая результат, а затем суммировать показания (для контроля в скобках записывают число измерений).

Если осадки твердые или смешанные, то измерения производят только после того, как осадки полностью растают. Нельзя ускорять таяние чрезмерным нагревом ведра – это приводит к погрешности из-за испарения части осадков. Сумму осадков за сутки вычисляют как сумму результатов измерений за четыре срока.

Наблюдения степени покрытости поверхности почвы, характера залегания и высоты снежного покрова на станции начинают с момента образования до момента полного исчезновения снежного покрова.

Снегомерные съемки в поле производят тогда, когда снегом покрыто не менее половины видимой окрестности, а на лесных участках – не менее половины площади участка снегосъемки. В балках и оврагах снегосъемка прекращается с началом весеннего снеготаяния. Степень покрытости определяется ежедневно и оценивается по 10-балльной системе (0,1 площади видимой окрестности соответствует одному баллу). Ежедневно оценивают также характер залегания снега: равномерный (без сугробов), с небольшими сугробами, без оголений, с оголениями, с проталинами и когда снег лежит местами.

Высота покрова измеряется ежедневно по трем постоянным снегомерным рейкам, установленным в середине площадки в вершинах треугольника (близкого к равностороннему) со сторонами около 10 м. Одна из реек устанавливается у почвенно-глубинных термометров (на постах вблизи осадкомера). Высота снежного покрова вычисляется как среднее арифметическое из отсчетов по трем рейкам.

Измерения с помощью снегомера производят в следующем порядке: проверяют показания весов при взвешивании пустого снегозаборника (эти показания вычитают при дальнейшем взвешивании); снимают снегозаборник и, открыв крышку, отвесно погружают его режущей кромкой в снег.

Если высота снежного покрова меньше 60 см, то, погрузив цилиндр в снег до соприкосновения его нижнего края с поверхностью почвы, отсчитывают высоту снежного покрова по шкале цилиндра (для контроля перед взятием пробы толщину снежного покрова определяют также при помощи переносной рейки); затем закрывают крышку и лопаткой, входящей в комплект снегомера, счищают снег с одной стороны заборника; после этого, не отнимая лопатки, вынимают заборник из снега и переворачивают его крышкой книзу; затем очищают заборник от приставшего снаружи снега, подвешивают его за дужку к крючку весов (став спиной к ветру) и, держа в руке весы за кольцо, взвешивают заборник со снегом, после чего результат (число делений шкалы весов) записывают.

В тех случаях, когда снежный покров больше 60 см, весь столб снега вырезают последовательно в несколько приемов. При снегомерных съемках плотность снега измеряют один раз в каждой точке. Плотность снега измеряется только при высоте снежного покрова не менее 5 см.

На основании данных о плотности снега и высоте его слоя можно определить запас воды в снежном покрове (т. е. высоту слоя воды, который образуется при таянии всего снежного покрова). Определение высоты и плотности снежного покрова производится на специально выбранных площадках и по маршрутам. Характер площадок маршрутов, а также сроки производства измерений определяются специальным Наставлением. Запись измерений высоты и плотности снежного покрова и все необходимые при этом вычисления производятся в специальной книжке.

1.8. Атмосферное давление и плотность воздуха

Атмосфера, окружающая земной шар, оказывает давление на поверхность Земли и на все предметы, находящиеся над Землей. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха, простирающегося до внешней периферии атмосферы и имеющего сечение 1 см².

Если в атмосфере мысленно выделить какой-либо объем, то давление извне, испытываемое его воображаемыми подвижными стенками, равно давлению, которое оказывает воздух изнутри выделенного объема. Воздух – это легко сжимаемая газовая смесь, поэтому на одном и том же уровне в негерметически закрытых помещениях атмосферное давление не отличается от давления под открытым небом.

Атмосферное давление измеряется высотой ртутного столба, уравновешивающего это давление. Высота ртутного столба при одном и том же атмосферном давлении зависит от его температуры и от ускорения свободного падения, которое несколько меняется в зависимости от широты и высоты над уровнем моря. Чтобы исключить зависимость высоты ртутного столба в барометре от его температуры и от изменения ускорения свободного падения, приводят измеренную высоту к температуре 0 °C и ускорению свободного падения на широте 45° и на уровне моря и, введя инструментальную поправку, получают давление на станции.

Единицей давления служит паскаль (Па), равный силе 1 ньютон (Н), действующей на площадь 1 м²:

В метеорологии давление выражают в гектопаскалях (гПа) с точностью до десятых долей. До недавнего времени в метеорологии в качестве единицы давления использовался миллибар (мбар), т. е. тысячная доля бара, равного 10⁶ дин/см²:

Так как атмосферное давление измеряется высотой ртутного столба, уравновешивающего это давление, то применяется еще и внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.):

где 1 · 10^-3 – объем столбика ртути в барометре высотой 1 мм; ρ_р = 13,595 г/см³ – плотность ртути при t = 0 °C; g = 9,807 м/с² – ускорение свободного падения на широте 45° на уровне моря.

Соотношение между единицами давления:

Нормальным атмосферным давлением называется давление, равное весу столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C на уровне моря и широте 45°. Это давление равно p₀ = 0,76 ρ_рg = 1013,25 гПа.

Уравнение состояния воздуха. Плотность сухого и влажного воздуха

Плотностью воздуха называется масса единицы его объема. При нормальных условиях в соответствии с формулой Клайперона—Менделеева плотность воздуха равна:

где p₀ = 101 325 Па – нормальное давление; T₀ = 273,15 К – нормальная температура; R_с = 287 Дж/(кг · К) – удельная газовая постоянная сухого воздуха.

Подставив эти значения в формулу, получим:

Найдем выражение для плотности влажного воздуха с температурой Т, давлением р и парциальным давлением водяного пара е. Давление сухой части воздуха в общем давлении составляет р – е. Тогда плотность этой части воздуха по уравнению состояния:

Для водяного пара уравнение состояния представлено формулой, в которой удельная газовая постоянная водяного пара R_п = 461,5 Дж/(кг · К).

Поскольку отношение:

то

И тогда

Плотность влажного воздуха ρ_вл равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара:

Подставляя соответствующие значения, получим:

Плотность влажного воздуха мало отличается от плотности сухого воздуха при одинаковых давлении и температуре, так как отношение е/р очень мало. Лишь при высокой температуре и большой влажности воздуха различие между ρ_с и ρ_вл становится заметным. Кроме того, при одинаковых температуре и давлении плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого воздуха. Это объясняется тем, что во влажном воздухе часть сухого воздуха заменена водяным паром, молярная масса которого составляет лишь 0,622 от молярной массы сухого воздуха.

Так как численное значение отношения е/р очень мало, то допустимо преобразование:

Тогда уравнение можно записать в виде:

Виртуальной температурой Т_в в метеорологии называют такую температуру, которую должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность была равна плотности влажного воздуха при том же давлении. Виртуальная температура определяется по формуле:

Вводя виртуальную температуру в уравнение состояния влажного воздуха, получим:

Пользуясь виртуальной температурой, можно применять к влажному воздуху уравнение состояния и другие соотношения, справедливые для сухого воздуха. Применяя для влажного воздуха вместо обычной температуры виртуальную, можно как для сухого, так и для влажного воздуха пользоваться газовой постоянной сухого воздуха R_c, несмотря на то что молярная масса воздуха несколько меняется при изменении его влажности.

Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Барическое поле можно наглядно представить с помощью поверхностей, во всех точках которых давление одинаково. Такие поверхности называются изобарическими. Вследствие изменения температуры и давления в горизонтальном направлении изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, а наклонены к последней под разными углами и по своей форме очень разнообразны. В одних местах изобарические поверхности прогибаются вниз, образуя обширные, но неглубокие котловины, в других они выгибаются вверх, образуя растянутые холмы.

Если мысленно пересечь изобарические поверхности поверхностью уровня моря или другой горизонтальной плоскостью, то получатся кривые линии, называемые изобарами. Изобары – это линии, соединяющие точки с одинаковым давлением на данной плоскости.

На рис. 1.6 приведены вертикальный и горизонтальный разрезы барического поля.

На вертикальном разрезе барическое поле представлено линиями пересечения изобарических поверхностей с вертикальной плоскостью. Эти линии характеризуют распределение давления по высоте в данной плоскости. На горизонтальном разрезе барическое поле представлено изобарами – линиями пересечения изобарических поверхностей с горизонтальной плоскостью. Эти линии характеризуют распределение давления по горизонтали на данном уровне.

Рис. 1.6. Изобары в циклоне (Н) и антициклоне (В) на уровне моря (1) и на более высоком уровне (2)

Для получения наглядного представления о распределении давления на земной поверхности строят карты изобар на уровне моря. Для этого на географическую карту наносят атмосферное давление, измеренное на метеорологических станциях и приведенное к уровню моря. Затем точки с одинаковым давлением соединяют плавными кривыми линиями. Карты изобар могут быть построены по результатам наблюдений в определенные моменты времени (синоптические карты), а также по средним многолетним данным за различные промежутки времени – месяц, сезон, год (климатологические карты). Изобары проводят через определенные интервалы давления – на синоптических картах обычно через 5 гПа.

В зависимости от характера распределения давления изобары, подобно горизонталям на топографических картах, могут иметь разнообразную конфигурацию. Но так как в одной точке не может быть одновременно двух значений давления, то изобары не могут пересекаться. В пределах одной ограниченной карты изобары могут быть незамкнутыми, но поскольку давление меняется в пространстве непрерывно, то в масштабе всего земного шара каждая изобара непременно замкнута. Однако очень часто некоторые изобары могут быть замкнутыми даже в пределах одной карты. В зависимости от формы изобар и распределения давления различают барические системы или области барического поля. Области замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называются барическими минимумами или циклонами. В области барического минимума давление возрастает от центра к периферии. Области замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называются барическими максимумами или антициклонами. В области барического максимума давление от центра к периферии убывает. На периферии этих областей или между ними изобары на некотором участке карты могут приближаться к прямым линиям. Кроме циклонов и антициклонов, в барическом поле часто наблюдаются промежуточные барические системы: ложбины, гребни, седловины. Ложбиной называется связанная с циклоном и вытянутая от его центра к периферии полоса пониженного давления, вклинивающаяся между двумя областями повышенного давления. Гребнем называется связанная с антициклоном и вытянутая от его центра полоса повышенного давления, расположенная между двумя областями пониженного давления. Седловиной называется барическая область, заключенная между двумя циклонами и двумя антициклонами, расположенными в шахматном порядке. Горизонтальные размеры барических систем изменяются от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Их вертикальная протяженность достигает нескольких километров.

В циклоне изобарические поверхности прогнуты вниз в виде воронок, а в антициклоне выгнуты вверх в виде куполов. В ложбине изобарические поверхности имеют вид желоба с ребром, обращенным вниз, а в гребне – вид желоба с ребром, обращенным вверх. В седловине изобарические поверхности имеют вид седла, так как поднимаются к антициклонам и опускаются к циклонам. Таким образом, изобарические поверхности всегда понижаются в сторону низкого давления.

На расположение изобарических поверхностей в пространстве большое влияние оказывает температура воздуха. При одинаковом давлении у земной поверхности одни и те же барические поверхности в теплом воздухе лежат выше, чем в холодном, а соседние поверхности расположены дальше друг от друга. Объясняется это тем, что в холодном воздухе, как более плотном, давление уменьшается с высотой быстрее, чем в теплом. Таким образом, конфигурация и положение изобарических поверхностей зависят от распределения в пространстве не только давления, но и температуры.

Изобарические поверхности наглядно представляют барическое поле и позволяют судить о характере изменения давления во всех направлениях. Но они не дают количественной характеристики этого изменения.

Сильнее всего давление меняется в направлении, перпендикулярном изобарической поверхности.

Методы и приборы измерения атмосферного давления

Атмосферное давление измеряется с помощью ртутных барометров и барометров-анероидов. Ртутные барометры имеют существенные недостатки, связанные, в частности, с применением ртути, поэтому в ряде случаев используют деформационные барометры разных типов. В некоторых случаях пользуются термобарометром.

Для регистрации атмосферного давления применяют барографы с упругими чувствительными элементами.

Ртутные барометры могут быть трех систем. Стеклянную трубку длиной около 90 см, запаянную с одного конца, наполняют ртутью, затем, прикрыв отверстие, опрокидывают и погружают незапаянным концом в ртуть, налитую в чашку; после открытия отверстия трубки ртуть из нее вытекает в чашку только частично. В трубке останется столб ртути определенной высоты. Давление этого столба ртути (предполагается, что трубка вертикальна) и давление оставшегося внутри трубки воздуха уравновешивают атмосферное давление, оказываемое на поверхность ртути в чашке. Давление, оказываемое ртутным столбом, равно атмосферному. Таким образом, измеряя высоту, определяют атмосферное давление.