Атмосферний тиск і його зміна з висотою

Атмосферний тиск — це сила, з якою стовп повітря, що простягається від земної поверхні до верхньої межі атмосфери, тисне на одиницю площі. Ти відчуваєш цей тиск щомиті, але не помічаєш, бо він діє з усіх боків однаково — твоє тіло пристосоване до нього. На кожен квадратний сантиметр поверхні повітря тисне із силою приблизно 10 Н (ньютонів), що відповідає масі вантажу в 1 кг. Загальна сила тиску на тіло дорослої людини сягає 15–18 тонн — і це не розчавлює нас саме через рівновагу внутрішнього й зовнішнього тиску.

Як вимірюють атмосферний тиск

Першим виміряв атмосферний тиск італійський учений Еванджеліста Торрічеллі 1643 року. Він узяв скляну трубку завдовжки близько 1 м, запаяну з одного кінця, наповнив її ртуттю й перевернув у чашку з ртуттю. Ртуть у трубці опустилася до позначки приблизно 760 мм і зупинилася — вище неї утворився безповітряний простір (торрічеллієва порожнина). Стовпчик ртуті заввишки 760 мм урівноважував стовп атмосферного повітря, що тиснув на поверхню ртуті в чашці. Так народився ртутний барометр.

Сьогодні тиск вимірюють двома основними приладами:

• Ртутний барометр — найточніший, але громіздкий і небезпечний через отруйну ртуть. Використовують переважно на метеостанціях.

• Барометр-анероїд — герметична металева коробка з розрідженим повітрям, стінки якої деформуються під дією тиску. Стрілка на шкалі показує значення в міліметрах ртутного стовпа (мм рт. ст.) або гектопаскалях (гПа). Компактний, безпечний — саме його ти бачиш у побуті.

Нормальний атмосферний тиск

За міжнародною домовленістю нормальним (стандартним) атмосферним тиском вважають тиск 760 мм рт. ст. на рівні моря за температури 0 °C. У системі СІ це приблизно 1013 гПа (гектопаскалів). Співвідношення просте: 1 мм рт. ст. ≈ 1,333 гПа, тому 760 · 1,333 ≈ 1013 гПа.

Тиск вищий за 760 мм рт. ст. називають підвищеним, нижчий — зниженим. Різкі зміни тиску — провісники зміни погоди: падіння тиску часто віщує негоду (циклон наближається), а зростання — ясну й суху погоду (антициклон). Для безперервного запису коливань тиску використовують барограф — прилад, що креслить на стрічці криву зміни тиску впродовж доби.

Важливо запам'ятати: 760 мм рт. ст. — це орієнтир, а не константа для всієї Землі. Навіть на рівні моря тиск коливається через погодні умови: у центрі циклону він може впасти до 700 мм рт. ст., а в антициклоні — піднятися до 780 мм рт. ст. і вище.

Чому з висотою тиск знижується? Уяви стовп повітря над твоєю головою. Біля земної поверхні цей стовп найвищий — повітря простягається на сотні кілометрів угору. Коли ти піднімаєшся вгору, частина цього стовпа залишається під тобою, а над тобою — менше повітря. Крім того, саме повітря стає розрідженішим: що вище, то менше молекул газів в одиниці об'єму. Обидва чинники — коротший стовп і менша густина — спричиняють падіння тиску.

Правило «1 мм рт. ст. на кожні 10 м»

У нижній частині тропосфери (до висоти приблизно 1–2 км) тиск знижується приблизно на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м підйому. Іншими словами, на 100 м угору тиск падає приблизно на 10 мм рт. ст. Це наближене лінійне правило, якого достатньо для шкільних задач.

В умовах задач можуть давати різні значення: «на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м» або «на 1 мм рт. ст. на кожні 10,5 м». Завжди бери те число, яке вказано в умові — воно може відрізнятися залежно від температури повітря й широти місцевості.

Основні формули

Позначимо: $p_1$ — тиск біля підніжжя (мм рт. ст.), $p_2$ — тиск на вершині (мм рт. ст.), $h$ — відносна висота (м). Якщо тиск знижується на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м:

• Тиск на вершині: $p_2=p_1-h:10$

• Відносна висота: $h=(p_1-p_2)\cdot 10$ (м)

Якщо в умові дано інше правило (наприклад, 10,5 м на 1 мм рт. ст.), замість 10 підставляй відповідне число.

Приклад розрахунку

Біля підніжжя пагорба барометр показує 758 мм рт. ст., а на вершині — 740 мм рт. ст. Знайдемо відносну висоту пагорба.

Різниця тиску: $758-740=18$ мм рт. ст.

Висота: $h=18\cdot 10=180$ м.

Відповідь: відносна висота пагорба 180 м.

Чому правило лише наближене

Лінійна залежність «1 мм на 10 м» працює добре лише в нижніх шарах тропосфери. Насправді тиск спадає нелінійно: що вище, то повільніше він знижується на кожен метр підйому, бо повітря стає дуже розрідженим. На висоті приблизно 5,5 км тиск уже вдвічі менший за нормальний — близько 380 мм рт. ст. (а за лінійним правилом ми б отримали 760 − 5500 : 10 = 210 мм рт. ст., що значно менше від реального). Тому правило застосовують лише для невеликих висот — у межах 1–2 км.

Наслідки низького тиску в горах: вода кипить за нижчої температури (на висоті 3000 м — близько 90 °C замість 100 °C), тому їжа вариться довше. Крім того, через нестачу кисню виникає гірська хвороба (запаморочення, головний біль, нудота) — організм не встигає адаптуватися до розрідженого повітря.

Правило «1 мм рт. ст. на кожні 10 м» працює в обидва боки. Якщо ти піднімаєшся — тиск падає. Якщо опускаєшся нижче (у шахту, кар'єр, западину) — тиск зростає, бо над тобою стає більше повітря.

Тиск у шахті чи западині

Формула для глибини: $p_{\text{на дні}}=p_{\text{на поверхні}}+h:10$, де $h$ — глибина в метрах.

Приклад: шахта глибиною 300 м. На поверхні тиск 760 мм рт. ст. Який тиск на дні?

Розв'язання: $760+300:10=760+30=790$ мм рт. ст.

Відповідь: 790 мм рт. ст.

Западини суходолу нижче рівня моря

На Землі є ділянки суходолу, що лежать нижче рівня Світового океану. Найвідоміша — западина Мертвого моря (приблизно 430 м нижче рівня моря). Тиск там значно вищий за нормальний:

$760+430:10=760+43=803$ мм рт. ст.

Пастка: не думай, що біля будь-якої водойми тиск дорівнює 760 мм рт. ст. Мертве море — не рівень моря, а западина. Тиск там завжди вищий за нормальний.

Поєднані задачі «тиск → висота → температура»

Трапляються задачі, де спочатку за різницею тиску знаходять висоту, а потім за висотою — зміну температури (ти вже знаєш правило «−6 °C на кожен кілометр»).

Алгоритм:

1. Знайди різницю тиску: $\Delta p=p_{\text{підніжжя}}-p_{\text{вершина}}$.

2. Обчисли відносну висоту: $h=\Delta p\cdot 10$ (м).

3. Переведи висоту в кілометри: $h_{\text{км}}=h:1000$.

4. Обчисли зміну температури: $\Delta t=h_{\text{км}}\cdot 6$ °C (температура знижується).

Приклад: тиск на вершині на 50 мм рт. ст. нижчий, ніж біля підніжжя. На скільки градусів там холодніше?

$h=50\cdot 10=500$ м = 0,5 км. $\Delta t=0,5\cdot 6=3$ °C. Температура нижча на 3 °C.

Записуй послідовність дій на чернетці — це зменшує ризик помилки.

Тиск повітря в різних точках земної поверхні неоднаковий. Одна з головних причин — нерівномірне нагрівання поверхні Сонцем. Розберімо, як температура повітря впливає на тиск.

Нагріта поверхня — низький тиск

Коли сонячні промені сильно нагрівають ділянку земної поверхні (наприклад, піски пустелі вдень), повітря над нею теж нагрівається. Нагріте повітря розширюється, стає легшим (менш густим) і піднімається вгору. Біля поверхні утворюється зона зниженого тиску — повітря «відпливає» вгору, і його залишається менше над цією ділянкою.

Охолоджена поверхня — високий тиск

Над охолодженою поверхнею (наприклад, над крижаними просторами Антарктиди або вночі над суходолом) повітря, навпаки, стискається, стає важчим і опускається донизу. Біля поверхні накопичується більше повітря — тиск підвищується.

Ізобари й області тиску

На синоптичних картах лінії, що з'єднують точки з однаковим атмосферним тиском, називають ізобарами. Замкнені ізобари можуть оточувати:

• Область високого тиску — антициклон (у центрі тиск найвищий, до країв знижується).

• Область низького тиску — циклон (у центрі тиск найнижчий, до країв зростає).

Вітер завжди дме з області вищого тиску в область нижчого. Чим більша різниця тиску (градієнт), тим сильніший вітер. Докладніше про циклони, антициклони й фронти — в окремому уроці про погоду.

Сезонна різниця: суходіл проти океану

Улітку суходіл нагрівається швидше за океан, тому над суходолом формується знижений тиск, а над океаном — підвищений. Узимку — навпаки: суходіл швидше охолоджується, над ним тиск стає вищим, ніж над теплішим океаном. Ця сезонна зміна тиску є головною причиною мусонів — вітрів, що змінюють напрямок двічі на рік. Докладніше про мусони — в уроці про вітри.

Приклад 1. Відносна висота пагорба

Завдання: На вершині пагорба атмосферний тиск становить 740 мм рт. ст., а біля його підніжжя — 758 мм рт. ст. Визнач відносну висоту пагорба в метрах, якщо тиск знижується на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м підйому.

Розв'язання:

1. Знаходимо різницю тиску: $758-740=18$ мм рт. ст.

2. Обчислюємо висоту: $h=18\cdot 10=180$ м.

Відповідь: 180 м.

Типова помилка: поділити різницю тиску на 10 замість множення — тоді отримаєш 1,8 м, що нереально мало. Запам'ятай: висота = різниця тиску × 10.

Приклад 2. Тиск на вершині гори

Завдання: Біля підніжжя гори атмосферний тиск дорівнює 750 мм рт. ст. Вершина гори розташована на 1200 м вище від підніжжя. Який атмосферний тиск на вершині, якщо тиск знижується на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м?

Розв'язання:

1. Знаходимо, на скільки мм рт. ст. знизиться тиск: $1200:10=120$ мм рт. ст.

2. Віднімаємо від тиску біля підніжжя: $750-120=630$ мм рт. ст.

Відповідь: 630 мм рт. ст.

Чому інші варіанти неправильні:

• 870 мм — додали 120 замість відняти (плутають напрямок: угору — тиск менший).

• 738 мм — поділили висоту на 100 замість 10, отримали зміну лише на 12 мм.

• 640 мм — узяли 760 мм (нормальний тиск) замість даного 750 мм.

Приклад 3. Тиск на дні шахти

Завдання: На поверхні землі атмосферний тиск становить 752 мм рт. ст. Яким буде тиск на дні шахти глибиною 450 м?

Розв'язання:

1. Знаходимо, на скільки мм рт. ст. зросте тиск: $450:10=45$ мм рт. ст.

2. Додаємо до тиску на поверхні: $752+45=797$ мм рт. ст.

Відповідь: 797 мм рт. ст.

Пастка: якщо відняти 45 замість додати, отримаєш 707 мм — це менше за тиск на поверхні, що неможливо для точки, розташованої нижче за поверхню.

Приклад 4. Зміна температури з висотою через тиск

Завдання: Туристи піднялися від табору, де атмосферний тиск становив 700 мм рт. ст., до перевалу, де тиск дорівнює 640 мм рт. ст. Як змінилася температура повітря під час підйому? (Тиск знижується на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м, температура — на 6 °C на кожен кілометр.)

Розв'язання:

1. Різниця тиску: $700-640=60$ мм рт. ст.

2. Відносна висота підйому: $h=60\cdot 10=600$ м = 0,6 км.

3. Зміна температури: $\Delta t=0,6\cdot 6=3,6$ °C.

Відповідь: температура знизилася на 3,6 °C.

Чому інші варіанти неправильні: якщо забути перевести метри в кілометри й помножити 600 · 6, отримаєш 3600 °C — абсурд. Якщо поділити 60 на 10 замість множити, висота буде 6 м, а зміна температури — 0,036 °C, що нереально мало.

• Забувають, що в шахті чи западині тиск вищий, ніж на поверхні, і віднімають замість додавати. Правильно: чим глибше, тим більше повітря над тобою, тому тиск зростає. Формула: $p_{\text{дно}}=p_{\text{поверхня}}+h:10$.

• Ділять висоту на 100 замість 10 і отримують зміну тиску вдесятеро меншу. Наприклад, для висоти 1200 м: 1200 : 100 = 12 мм замість правильних 120 мм. Запам'ятай: 1 мм рт. ст. на кожні 10 м, а не на 100 м.

• Беруть біля підніжжя 760 мм, хоча в умові дано інший тиск. В умові може бути 750 мм, 745 мм, 762 мм — використовуй саме те число, яке дано, а не «нормальний» 760 мм.

• Використовують абсолютну висоту вершини, коли тиск відомий біля підніжжя, що лежить вище рівня моря. Пам'ятай: правило дає відносну висоту (різницю між двома точками), а не висоту над рівнем моря.

• Вважають, що над нагрітою поверхнею тиск вищий, бо «там більше повітря». Насправді нагріте повітря розширюється, стає легшим і піднімається — біля поверхні його меншає, тому тиск знижується.

• Підставляють гектопаскалі в правило для мм рт. ст. Якщо в умові тиск дано в гПа (наприклад, 1013 гПа), спочатку переведи в мм рт. ст. (поділи на 1,333), а потім застосовуй правило. Або працюй у гПа, знаючи, що 1 гПа ≈ 0,75 мм рт. ст.

Тема «Атмосферний тиск, основні пояси тиску» входить до теми 1.5 «Атмосфера та клімат» програми НМТ з географії. На іспиті перевіряють уміння розв'язувати задачі на зміну тиску з висотою — це одне з ключових практичних умінь, яке ти маєш продемонструвати.

Формат завдань

Завдання 21–24 — це завдання з короткою письмовою відповіддю (числовою). Кожне оцінюють у 0 або 2 бали. У цих завданнях ти отримуєш числові дані (тиск, висоту, глибину) й маєш виконати розрахунки. Кінцеву відповідь записують за правилами інструкції — зазвичай цілим числом. У демоваріанті 2026 року всі чотири завдання 21–24 були за топографічною картою, де висоту точок треба було знімати з карти.

Завдання 1–20 — це завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (1 бал). Тут можуть трапитися задачі на зміну тиску з висотою в тестовій формі. Дистрактори (неправильні варіанти) будують на типових помилках:

• Ділення висоти на 100 замість 10 — зміна тиску в 10 разів менша.

• Додавання замість віднімання (переплутали напрямок руху).

• Використання 760 мм рт. ст. замість того тиску, що дано в умові.

• Віднімання замість додавання для шахти (забули, що вниз — тиск вищий).

Стратегія розв'язання

Перш ніж починати обчислення, визнач два ключові моменти:

1. Куди рухаємося — угору (тиск менший, віднімаємо) чи вниз (тиск більший, додаємо)?

2. Яке правило дано в умові — 10 м чи 10,5 м на 1 мм рт. ст.? Використовуй саме його.

Записуй усі проміжні дії на чернетці. Якщо задача поєднана (тиск → висота → температура), виконуй кроки послідовно й перевіряй одиниці вимірювання: метри чи кілометри, мм рт. ст. чи гПа.

• Нормальний тиск — 760 мм рт. ст. на рівні моря за 0 °C (≈ 1013 гПа).

• Угору — мінус 1 мм рт. ст. на кожні 10 м, униз — плюс 1 мм рт. ст.

• Висота = різниця тиску · 10 (м).

• У шахті тиск вищий, ніж на поверхні; у западинах нижче рівня моря — вищий за нормальний.

• Тепле повітря піднімається — тиск нижчий, холодне опускається — тиск вищий.

• Правило лінійне лише наближено й стосується нижньої частини тропосфери.