АТМОСФЕРА

СКОЛЬКО ВЕСИТ ВОЗДУХ

том, что воздух имеет вес, в наше время, пожалуй, знают все. Впервые это было установлено в XVII ве­ке великим итальянским ученым Галилеем. Галилей ре­шил посмотреть, не изменяется ли вес наполненной воз­духом бутылки при нагревании. Проделав этот простой Ьпыт, ученый увидел, что нагретая бутылка весит мень­ше, чем холодная.

Галилей дал правильное объяснение этому явлению. Очевидно, решил он, воздух имеет вес. При нагревании бутылки находящийся в ней воздух расширился, часть его вышла наружу, и вес нагретой бутылки уменьшился.

Так было опровергнуто прежнее, неправильное мне­ние о невесомости воздуха.

Но если воздух имеет вес, он должен оказывать да­вление на все предметы, находящиеся на Земле. Каково же это давление? Чему оно равняется?

Этим вопросом занимался ученик Галилея Торри - челли. Он проделал такой опыт. Взяв длинную, около одного метра, запаянную с одного конца стеклянную трубку, Торричелли наполнил ее ртутью и, перевернув, опустил открытым концом в сосуд с ртутью (рис. 1). При этом немного ртути вылилось из трубки в сосуд, но большая ее часть осталась в трубке — на уровне около 76 сантиметров.

Что-то помешало всей ртути вылиться из трубки в со­суд. Торричелли правильно предположил, что причиной служит давление воздуха на поверхность ртути, налитой в сосуд. Это давление уравновешивается весом ртути, оставшейся в трубке.

Открытие Торричелли было подтверждено новыми опытами, которые были проделаны по просьбе извест­ного французского ученого Паскаля его родственником Перье.

Город, в котором жил Перье, был распо­ложен около горы. Перье решил проверить давление воздуха на различной высоте. Опыт показал, что на вершине горы высота столбика ртути в трубке меньше, чем внизу.

Для ученых стало ясно, что это явление связано с давлением воздуха. Внизу, у по­верхности земли, воздух давит с большей силой, чем на вершине горы; слой всего ат­мосферного воздуха, давящего на предметы, на уровне вершины горы тоньше, чем на уровне ее подножья.

Опытами Перье было окончательно до­казано, что воздух имеет вес и давит на все окружающие нас тела.

Теперь мы знаем, что вес одного кубиче­ского метра воздуха у земной поверхности равен 1,293 килограмма. На высоте 12 кило­метров этот вес уменьшается до 319 грам­мов, а на высоте 40 километров кубический метр воздуха весит всего 4 грамма. У по - Рис. 1. Опыт верхности земли, где воздух наиболее пло - Торричелли. тен и тяжел, он в 770 раз легче воды. Это значит, что воздух, содержащийся в литро­вой бутылке, весит примерно столько же, сколько весит вода в наперстке.

Наглядно убедиться в давлении воздуха можно на очень простом опыте. Налейте в стакан с ровными края­ми воды до самого верха, покройте его листом бумаги и, придерживая лист рукой, быстро переверните стакан. Теперь вы можете отнять от бумаги руку, вода из ста­кана не выльется. Лист бумаги как бы прилипнет к ста­кану. Это объясняется тем, что воздух давит на бумагу и крепко прижимает ее к краям стакана. Давление воды
в стакане на бумажный лист меньше, чем давление на­ружного воздуха.

Наглядно показывает давление воздуха и. следующий пример. Положите на стол лист газеты так, чтобы край его совпадал с краем стола, а под этот лист, «в его сере­дине,— обычную деревянную чертежную линейку (при­мерно на 2/3 ее длины). Если теперь «вы ударите по концу линейки, то вы увидите, что лист почти не тронется с ме­ста, а линейка при сильном ударе может даже перело­миться. Причина здесь та же: воздух, давящий на лист газеты, прижимает его к столу так, что удар по линейке должен преодолеть не только вес самого листа, но и вес давящего на лист воздуха.

Давление воздуха измеряется с помощью особых при­боров — барометров [3]). Первым таким прибором была, по существу, трубка Торричелли. Если позади нее поставить шкалу, разделенную на миллиметры, то давление воз­духа можно измерять по высоте ртутного столба в труб­ке, или, как говорят, «в миллиметрах ртутного столба» (в мм рт. ст.). Этот прибор получил название ртутного барометра.

В настоящее время в метеорологии величину давле­ния воздуха обычно выражают не высотой ртутного столба, а в особых единицах давления — миллибарах. Один миллибар (сокращённо мб) примерно равен тому давлению, которое оказывает тело весом 1 грамм на поверхность в один квадратный сантиметр. Миллибар равен приблизительно 0,75 мм рт. ст.

Часто атмосферное давление измеряют с помощью так называемого барометра-анероида — полой металли­ческой коробки, из которой выкачан воздух. В зависи­мости от величины давления наружный воздух сжимает стенки коробки то с большей, то с меньшей силой. С по­мощью рычажков это передается стрелке, которая и по­казывает на шкале величину атмосферного давления.

Существует и такой прибор, который непрерывно автоматически записывает на бумажной ленте измене­ния давления воздуха; его называют барографом.

В физике единицей давления является так называе­мая физическая атмосфера. Это — давление воздуха на широте 45 градусов, на уровне моря при 0 градусов Цельсия. Для такого давления высота столбика ртути с площадью поперечного сечения в 1 квадратный санти­метр составляет 760 миллиметров. Такое давление при­нято считать нормальным атмосферным давлением.

Отсюда мы можем узнать величину атмосферного давления на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли. Давление воздуха на один квадратный сантиметр земной поверхности будет равно весу столбика ртути с площадью поперечного сечения в 1 квадратный санти­метр и высотой в 760 миллиметров. Этот вес равен 1,033 килограмма.

Если теперь мы рассчитаем, какое давление воздуха испытывает поверхность человеческого тела, то получен­ные цифры покажутся неправдоподобно большими.

Поверхность тела человека среднего роста равна при­мерно 15 000 квадратных сантиметров. Следовательно, она должна испытывать давление в 15 500 килограммов, т. е. более 15 тонн. На ладонь человека, площадь кото­рой равна примерно 150 квадратным сантиметрам, воз­дух давит с силой 150 килограммов, а это вес двух взрос­лых человек.

Мы не ощущаем такого огромного давления потому, что давление воздуха внутри нашего тела равно атмо­сферному и тем самым оно уравновешивает внешнее дав­ление. Организм человека и животных приспособлен к такому давлению воздуха.

Если наружное давление воздуха понижается более чем вдвое, воздух, находящийся внутри тела человека или животного, начинает его раздувать. Кожа при этом может трескаться и кровоточить. Человек испытывает головокружение и часто теряет сознание. Вот почему на современных высотных самолетах кабины летчика и пас­сажиров делаются непроницаемыми для воздуха; в них искусственно поддерживается давление, близкое к дав­лению у поверхности Земли.

На высоте 15 километров наибольшая разность давле­ний снаружи и внутри кабины достигает 0,91 килограмма на квадратный сантиметр. А это значит, что, например, дверца кабины высотой 1,5 метра, шириной 60 санти­метров, т. е. площадью в 9000 квадратных сантиметров, будет испытывать давление 0,91 X 9000 = 8190 килограм­мов, т. е. больше 8 тонн. При такой нагрузке двери и окна

Кабины должны быть сделаны из особо прочных ма­териалов.

Мы можем подсчитать и вес всей земной атмосферы. Поверхность Земли равна 510 миллионам квадратных километров. Каждый квадратный километр испытывает давление в 10 130 000 тонн. Значит, вся атмосфера весит

Кстати, это не так уж много по сравнению со всей мас­сой Земли, всего одна ее миллионная часть.

Так как нижние слои воздуха значительно плотнее верхних (на нижние слои давят верхние), то основная часть веса атмосферы сосредоточена внизу, ближе к зем­ной поверхности. До высоты 5 километров расположена половина веса всей атмосферы, а выше 15 километров остается всего 0,1 ее веса (рис. 2).