Atmosfera swoją masą wywiera pewien nacisk na powierzchnię Ziemi. Ciężar ten nazywa się ciśnieniem atmosferycznym. Ciśnienie atmosferyczne jest to nacisk wywiera słup powietrza znajdujący się nad jednostką powierzchni Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne powiązane jest z nagrzewaniem powierzchni Ziemi i powstającymi prądami wstępującymi i zstępującymi. Powietrze, otaczające Ziemię, ciśnie na jej powierzchnię z siłą odpowiadającą, na poziomie morza, około 1 kG na każdy centymetr kwadratowy. Obecnie do określenia wartości ciśnienia używa się miary 100 niutonów na 1 cm2, wyrażanej w hektopaskalach przy czym 1 hPa jest równy100 paskalom. Dawniej powszechnie używaną jednostką ciśnienia były milimetry słupa rtęci (mmHg). 1hPa to 0.75 mmHg. Ciśnienie atmosferyczne spada wraz z wysokością średnio o 11,5hPa na każde 100 m. W najniższej warstwie troposfery ciśnienie zmienia się średnio o 1hPa na każde 8 metrów wysokości.
Do pomiarów ciśnienia atmosferycznego służy barometr rtęciowy. Jest to przyrząd w kształcie zamkniętej z jednej strony szklanej rurki wypełnionej rtęcią. Ponad rtęcią znajduje się próżnia. Ciśnienie atmosferyczne działające na rtęć poprzez otwarty koniec rurki powoduje jej przemieszczanie w górę lub w dół wywołując w konsekwencji zmianę wysokości słupa rtęci. Rtęć rozszerza się także pod wpływem ciepła, a więc przy różnych temperaturach temu samemu ciśnieniu będzie odpowiadać różna wysokość słupa rtęci. W związku z tym wszystkie odczyty ciśnienia atmosferycznego za pomocą tablic redukuje się do temperatury powietrza 0°C.
Budowa aneroidu
Z racji na różne wartości siły grawitacji, działającej na rtęć w różnych szerokościach geograficznych przyjęto odczyty barometrów redukować także do 45° reskości geograficznej. Jako normalne ciśnienie powietrza przyjmuje się jego wartość zmierzoną na poziomie morza przy temperaturze 0°C na 45° szerokości geograficznej. Wynosi 1013 hPa, co odpowiada 760 mm słupa rtęci. Zmiany ciśnienia rejestruje aneroid. Główną częścią tego przyrządu jest sprężysta metalowa puszka w której znajduje się powietrze. Pod wpływem zmian ciśnienia atmosferycznego ulega ona odkształceniu.
Zmiany ciśnienia w ciągu roku analizuje się na podstawie danych pomiarowych z wielu lat. W głębi kontynentów najwyższe wartości ciśnienia obserwujemy zimą z uwagi na silne wychłodzenie lądu, oraz osiadanie ciężkiego powietrza. Latem natomiast w tych regionach występują najniższe wartości ciśnienia. Spowodowane jest to silnym nagrzaniem lądu, oraz unoszeniem się ciepłego powietrza. W pobliżu zbiorników wodnych maksimum ciśnienia obserwuje się na początku lata, gdyż powietrze nad chłodniejszymi w stosunku do lądu wodami jest cięższe. Minimalne wartości ciśnienia na tych obszarach występują natomiast w zimie.
Powietrze zalegające nad cieplejszymi wodami jest wtedy lżejsze, niż nad lądem. Nad obszarami nagrzanymi wytwarza się równowaga chwiejna, która wyzwala pionowe, wznoszące ruchy powietrza. Z tego powodu nad tymi obszarami ciśnienie obniża się, a jego wyrównanie dokonuje się poprzez dopływ powietrza z obszarów chłodniejszych o niższym ciśnieniu. Nad obszarami nagrzanymi wytwarza się równowaga chwiejna, która wyzwala pionowe ruchy wznoszące. W związku z tym nad takimi obszarami przy powierzchni Ziemi ciśnienie obniża się, a wyrównanie dokonuje się przez dopływ powietrza z obszarów chłodniej szych, gdzie ciśnienie jest wyższe. Z kolei nad obszarami wyziębionymi kształtuje się równowaga stalą, bowiem ciężkie, chłodne powietrze osiada i rozpływa się na zewnątrz ku terenem o niższym ciśnieniu.
Przebieg izobar w styczniu i lipcu na kuli ziemskiej wskazuje na pewne prawidłowości rozkładu ciśnienia. Przejawia się to w postaci istnienia następujących najważniejszych pasów:
- strefa niskiego ciśnienia występująca po obu stronach równika, z ciśnieniem poniżej 1010 hPa;
- strefy wysokiego ciśnienia występujące na półkuli północnej i południowej w pobliżu 30 równoleżnika, z ciśnieniem powyżej 1010 hPa;
- strefy obniżonych ciśnień występujące na, obu półkulach między szerokością geograficzną 30° a kołami podbiegu nowymi;
- strefy wysokiego ciśnienia występujące za kołami podbiegunowymi.
Najwyższą na świecie wartość ciśnienia atmosferycznego zarejestrowano 19 grudnia roku 2001 w miejscowości Tosontsengel w Mongolii. Ciśnienie atmosferyczne wyniosło wtedy 1086 hPa. Najniższe ciśnienie atmosferyczne, wynoszące 870 hPa, spowodowane przejściem tajfunu Tip, zanotowano 12 października 1979 roku na Pacyfiku.
Stopień baryczny określa wysokość jaką trzeba pokonać, aby ciśnienie zmniejszyło się, bądź wzrosło o jednostkę (1hPa). Jest to więc zmiana wysokości odpowiadająca zmianie ciśnienia atmosferycznego o 1hPa. W miarę wznoszenia się nad powierzchnię Ziemi, ciśnienie atmosferyczne maleje, bo zmniejsza się grubość warstwy powietrza wywierającego nacisk i zmniejsza się jego gęstość. Wartości ciśnienia atmosferycznego podawane są po zredukowaniu ich do poziomu morza. Przykładowo w średnich szerokościach geograficznych ciśnienie spada przeciętnie o 1 hPa na 8,5 m wysokości. Należy więc, wysokość na jakiej leży dane miejsce, podzielić przez 8,5, a następnie otrzymaną liczbę dodać do odczytanego ciśnienia. Takie ciśnienie obrazowane jest na mapach.
W ciepłych masach powietrza trzeba pokonać większą wysokość, by osiągnąć zmianę ciśnienia o 1hPa. Dlatego w górnych warstwach troposfery ciśnienie jest wyższe nad równikiem, niż nad biegunami. Wzrost temperatury powietrza powoduje więc spadek ciśnienia atmosferycznego. Spadek temperatury powietrza natomiast powoduje wzrost ciśnienia atmosferycznego.
Linie o jednakowych wartościach ciśnienia to izobary. Wartości ciśnienia, które przedstawiają te linie odnoszą się do poziomu morza. Izobary są wyznaczane na podstawie średnich ciśnień i przedstawiają poziomy rozkład ciśnienia. Jeżeli linie te biegną gęsto świadczy to o wyraźnej zmianie ciśnienia na niewielkiej odległości, natomiast jeśli są rozmieszczone rzadko, wtedy obserwujemy niewielką jego różnicę. Izobary na mapach synoptycznych przedstawiają obszary wysokiego (W) i niskiego (N) ciśnienia. Mapy izobaryczne są to mapy, które przedstawiają rozkład ciśnienia na poziomie morza w zimie, oraz w lecie. Dają one ogólny pogląd o kształtowaniu się ciśnienia, które ma bardzo duży wpływ na kształtowanie procesów pogodowych.
Dla określenia poziomych zmian ciśnienia na pewnej odległości używa się pojęcia poziomego gradientu barycznego. Określa on wartość zmiany ciśnienia na pewnej jednostce odległości, w powierzchni poziomej w kierunku największego spadku ciśnienia. Obecnie jednostką tą jest 100 km. Poziomy gradient ciśnienia mówi nam więc jaka jest różnica ciśnienia w odległości 100 km na powierzchni poziomej. Wielkość ta na mapach barometrycznych oznaczana jest wektorem, prostopadłym do izobar, skierowanym w stronę niższego ciśnienia W szerokościach umiarkowanych wynosi on G= -2hPa, natomiast w cyklonach tropikalnych jego wartości są najwyższe i sięgają kilkudziesięciu hektopaskali na 100 km. Pionowy gradient baryczny określa natomiast różnicę ciśnień w tym samym pionie w hektopaskalach na 100 m wysokości.
Niejednakowe nagrzewanie się powierzchni Ziemi, a w konsekwencji także powietrza, powoduje, że tworzą się różnice w rozkładzie ciśnienia atmosferycznego. Dzięki temu w atmosferze tworzą się układy wysokiego i niskiego ciśnienia. Układy atmosferyczne mające największy wpływ na pogodę to obszary niskiego i wysokiego ciśnienia (cyklony i antycyklony). Najlepiej widać je na mapach ciśnienia, zwanych izobarycznymi, które zawsze można zobaczyć w telewizyjnych prognozach pogody Obecnie można je również uzyskać faksem lub poprzez Internet.
Układ niskiego ciśnienia, zwany także niżem atmosferycznym, lub cyklonem, to obszar, w którym ciśnienie zmniejsza się ku środkowi. Taki układ na mapie synoptycznej tworzą zamknięte izobary otaczające obszar stosunkowo niskiego ciśnienia. Na półkuli północnej wiatr wieje wokół niżu przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Układ niskiego ciśnienia rozwija się w miejscach, gdzie ciepłe i wilgotne powietrze wznosi się z powierzchni Ziemi. Powietrze znajdujące się w pobliżu centrum układu niskiego ciśnienia jest niestabilne. Jako ciepłe i wilgotne unosi się w górę, jednocześnie ochładzając się. Prowadzi to do tworzenia się chmur, oraz często opadów deszczu, lub śniegu. Na półkuli północnej wiatry wiejąc w kierunku od centrum niżu, sprowadzają chłodne powietrze na zachód i północ, zaś ciepłe na wschód i południe od niego.
Układ wysokiego ciśnienia, zwany także wyżem, lub antycyklonem, to obszar, w którym ciśnienie wzrasta ku środkowi. Występują tu zstępujące (opadające) ruchy powietrza. Antycyklony lub wyże, zwykle charakteryzują się stałą pogodą, która nie zmienia się przez kilka dni. Wiatry w antycyklonach wieją zgodnie z ruchem wskazówek zegara na półkuli północnej, a odwrotnie na półkuli południowej. W porównaniu do układów niskiego ciśnienia, wyże zwykle zajmują większe powierzchnie, są mniej mobilne i dłużej się utrzymują. Wyże baryczne tworzą są przez ogromne masy osiadającego powietrza. Wraz z osiadaniem powietrza i wzrostem ciśnienia atmosferycznego następuje wzrost temperatury powietrza, oraz spadek jego wilgotności.
Ciepłe, zstępujące powietrze powoduje występowanie równowagi stałej w atmosferze. Podczas dnia, dzięki słonecznej pogodzie powierzchnia terenu i dolne warstwy powietrza nagrzewają się silnie, w nocy natomiast dochodzi do znacznej utraty ciepła, dzięki bezchmurnemu niebu. Brak chmur oznacza, że ciepło promieniując z powierzchni ziemi ucieka w kosmos. Dlatego powierzchnia ziemi i zalegające nad nią powietrze ochładzają się gwałtownie w nocy. W zimie to ochłodzenie często powoduje mróz, a w wilgotnym powietrzu zamglenie i mgłę.
Lekkie wiatry w regionach wyżowych sprzyjają temu procesowi. Gdyby wiatry były silniejsze, mogłyby wymieszać powietrze i ochłodzenie przy powierzchni ziemi mogłoby objąć o wiele szerszą warstwę powietrza. Niektóre wyże występują w regionach zimnych. Tam powietrze jest gęstsze, stąd ciśnienie przy ziemi jest wyższe. Takie wyże tworzą się w zimie nad takimi regionami jak Środkowa Kanada i Syberia. Wyże te są zwykle płytkie i mają tylko około 3 km wysokości.
Układy wysokiego ciśnienia charakteryzują się wysokimi dobowymi amplitudami powietrza. Ciepłe powietrze znajdujące się przy powierzchni Ziemi nie wznosi się wysoko. To powstrzymuje proces tworzenia się wysokich chmur. Z tego powodu, w obszarach występowania antycyklonów zwykle mamy do czynienia z pogodą ciepłą i bezchmurną trwającą nawet kilka tygodni. Antycyklony są o wiele większych rozmiarów, niż cyklony i mogą zablokować drogę przemieszczania się niżów. Powoduje to opóźnienie nadejścia gorszej pogody. Na półkuli północnej wiatr wieje wokół wyżu zgodnie z ruchem wskazówek zegara od centrum w kierunku peryferii.
W rezultacie, przynosi on po wschodniej stronie tego układu stosunkowo chłodne powietrze z północy; zaś po zachodniej stronie sprowadza z południa stosunkowo ciepłe powietrze. W układach wysokiego ciśnienia nie występują fronty atmosferyczne. Pogoda towarzysząca wyżom jest spokojniejsza, ulega mniej gwałtownym zmianom niż w zasięgu niżów. Ponieważ ciśnienie spowodowane osiadaniem mas powietrza jest wysokie, rozwój chmur jest ograniczony lub stłumiony.
Niebo bywa czyste, lecz latem, pomimo silnego nagrzania podłoża, konwekcja jest ograniczona, a chmury kłębiaste ulegają spłaszczeniu pod inwersją spowodowaną przez osiadające powietrze. Mogą pojawić się jedynie cienkie, wysokie chmury, jak rozproszony cirrus. Zimą, kiedy otoczenie i powietrze jest z natury chłodniejsze i wilgotniejsze, mogą się pojawić i utrzymywać rozległe chmury stratus i stratocumulus i powstaje tzw. „zgniły wyż". Cienkie chmury lub ich brak powodują spadek temperatury w nocy, tak więc wyże sprzyjają powstawaniu mgły radiacyjnej, szczególnie jesienią i wczesną zimą.
Ciśnienie atmosferyczne - układy ciśnień oraz kierunki wiatrów im towarzyszące
Oprócz wyżów i niżów spotykane są także inne układy ciśnienia atmosferycznego. Jedynym z nich jest zatoka niskiego ciśnienia. Stanowi ona peryferyjną część układu niskiego ciśnienia. Tworzy ona izobary wydłużone w kształcie litery V, które wcinają się w obszar wyższego ciśnienia. Zatoka niskiego ciśnienia jest to wydłużony obszar niskiego ciśnienia atmosferycznego, w którym obserwuje się szczególnie niski poziomy gradient baryczny (zmiana ciśnienia w pewnej jednostce odległości). Zatoka może powstać w dolnych warstwach atmosfery oraz na większych wysokościach.
Ma ona wtedy znaczący wpływ na przebieg pogody przy powierzchni ziemi. Determinuje także powstanie niżu i jego ruch oraz miejsce wystąpienia chmur i opadów, które formują po wschodniej stronie osi zatoki. Po zachodniej stronie osi zatoki powietrze jest zazwyczaj chłodniejsze i bardziej suche i wykazuje tendencję do opadania. Niż baryczny powstaje zazwyczaj po wschodniej stronie zatoki niskiego ciśnienia. Kiedy zatoka niskiego ciśnienia występuje jako obszar nie zamknięty izobarami obniżonego ciśnienia pomiędzy dwoma wyżami, wtedy przybiera formę bruzdy.
Klin wysokiego ciśnienia jest to układ, w którym wyż wkracza w obszar niższego ciśnienia i przybiera kształt litery U. Układ ten odznacza się bardzo małym gradientem barycznym. Słoneczna i sucha pogoda zazwyczaj występuje po wschodniej stronie osi klinu, podczas gdy pochmurna i parna występuje po jego stronie zachodniej. Taki stan jest spowodowany tym, że powietrze wykazuje tendencję do opadania po wschodniej stronie omawianego układu, co hamuje powstawanie i rozwój chmur. Klin wysokiego ciśnienia o dużej intensywności często przynosi bardzo duże ocieplenie latem oraz łagodną pogodę zimą. Wydłużony obszar przejściowy odznaczające się wyższym ciśnieniem pomiędzy dwoma obszarami niższego ciśnienia to wał, albo grzbiet.
Zmiana wartości ciśnienia atmosferycznego wpływa także niekorzystnie na dla zdrowia człowieka. Spadek, bądź wzrost ciśnienia przekraczająca 8hPa z dnia na dzień znacznie obniża samopoczucie. Różnice te występują na ogół przy przechodzeniu frontów atmosferycznych. Najbardziej aktywne pod tym względem są fronty chłodne, którym oprócz zmian ciśnienia towarzyszy także spadek temperatury powietrza. Wpływa on niekorzystnie na funkcjonowanie układu krążenia. Podobnie oddziaływają burze ponieważ silnie oddziałają one na układ nerwowy człowieka. Burze także często towarzyszą chłodnym frontom.
