大气压强

时间:2024-06-28 17:35:05

每单位面积上的压力被定义为压强。正如你可以用滑雪板在雪地里驰骋,而穿普通的鞋子就要陷进去:滑雪板将你的体重分布到了很大的一个面积上,因此单位面积上的压力——压强就减小了。在海平面上,大气压强和76厘米汞(水银)柱压强一样大,也等于约11米高的水柱压强。

如果你头上顶着76厘米汞柱,那么你感到的总压强就是两个大气压——一个来自大气,而多出来的另一个则来自汞柱。如果在海里潜水,感觉会更加明显:海水比淡水密度略大,潜入10米以下就足够感觉到两个大气压了。每多下潜10米,就会增加约一个大气压。之前“自然界憎恶真空”这样的咒语来源于诸多自然现象,而这些自然现象的根源就是外部的大气压。

人体的皮肤表面积约为1平方米,这意味着在海平面上大气会加载给人约10吨重的力,并随着你潜水深度的增加而受到海水的额外压力。这么大的力,为何人没有感觉到呢?压强是空气分子互相作用平衡的结果。空气分子以同样的力作用于上下左右,相互抵消,没有净力,也不会加速。这种作用在液体水的压强中也适用。人类肺中的空气将会向外产生与外部大气一样的压强。这种内外空气压强的平衡,才使得我们感到舒适。如果突然改变这种压强,譬如处于快速下降的电梯或者降落的飞机内,抑或在游泳时突然下潜,人就会感到不适,耳朵会出现“爆音”。

海拔的突然变化会导致压强的变化。这是因为大气是有限的:高海拔处人更接近大气层外表面,头上的空气较少,因此压强更低。不同于海天之间的交界非常明确,大气表层则相对平缓得多,越往外空气越稀薄,直到最终进入完全真空的外太空。这就是人类的最初认知。

布莱斯·帕斯卡在1648年完成了一次意义深远的实验,该实验显示气压计的液柱高度与海拔息息相关,帕斯卡由此推论出气压存在临界值。他的姐夫弗洛林·佩瑞尔(Florin Perier)在海拔850米的Puy-de-Dome山顶测量了汞柱的高度,在相同的时间点,山脚下也在进行相似的实验。山脚的汞柱高度为76厘米,而在山顶要低8厘米。由此可见,随着海拔升高,汞柱高度会降低,这是由于海拔越高气压越低,也可以说因为高度越高,其上空大气质量越小,向下压力也越小。

人们由此发明了高度计——利用测量与海平面之间的相对气压来确定海拔高度。然而更加深奥之处在于其对大气本身性质研究的意义。它暗示了地球是被一层有限的空气球壳密封起来的,大气层与海洋一样也有“海面”,但其上方似乎空无一物(5) 。这被当时的一些宗教哲学家认为是妖言惑众,他们不认为上帝会创造譬如真空等的一无是处的事物。尽管如此,新的实验方法不断揭露了这些迷信的真面目,在之后的数个世纪内这种揭露屡见不鲜。

今天我们可以通过各种不同的方式来感受大气压强的存在。大气压强随着海拔升高而降低;在珠穆朗玛峰顶的大气压是海平面大气压的1/3,那里汞柱的高度只有25厘米。这就是我们上方10千米的情况。当飞机在这个海拔高度飞行时,机舱内必须加压,通常加压到海拔1.6千米高的大气压水平。这意味着舱内的加压空气在每平方米上加载的压力比外部稀薄空气产生的压力要大得多。这一结果导致在机舱门的位置会产生数吨重的向外推力。大家在下次乘坐飞机时,可以认真欣赏一下舱门的巧妙设计——打开时必须先向内拉拽然后再转动开舱,以保证不能直接向外打开;向外的压力实际上帮助了舱门在飞行过程中纹丝不动。

在距地面高度100千米处的大气压是地表的十亿分之一;在400千米高度是万亿分之一;在与月球之间的太空中已经降低到10的19次方分之一——比质子相对于1千米的尺寸比例还小。因此我们可以说大气本质上是禁锢在一层薄薄的球壳中,这个球壳厚度不足地球半径的百分之一。而更广为人知的是,一些政客似乎更加关心人类正在如何污染这片赖以生存的神奇大气层。越接近大气层顶部,上方的空气质量越小而压强越低。在宇宙飞船飞向月球过程中,旅程的前10千米穿过的大气物质会较多,之后越来越少。如果飞船飞到更远的星球上去,那么物质就更加少了。

即使在地表位置,大气压也并不是一成不变:晴好时气压较高,风暴时气压较低。“水银掉下来了”曾是对坏天气的一个著名的隐喻。“自然界憎恶真空”,这条曾被宗教和历史哲学家坚信不疑的理论,最终还是被埋在滚滚历史红尘之中了。帕斯卡也注意到了相似的一些特点,山顶相较于山谷,阴雨天相对于晴好天,自然界似乎都更憎恶真空——正是空气的质量导致了所有那些哲学家们曾归咎为“虚构的原因”(6) 的自然现象。