§ 40. Атмосфера и атмосферное давление

Определения и обозначения

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов и удерживаемая притяжением планеты. У неё нет резкой верхней границы: с высотой воздух становится всё более разреженным и постепенно переходит в космическое пространство. Атмосфера нужна для жизни, участвует в формировании погоды и защищает Землю от части опасных воздействий из космоса.

Атмосферное давление — давление, которое создаёт вес воздуха на поверхности Земли и находящихся на ней тел. Давление показывает, какая сила приходится на единицу площади, поэтому его можно рассчитать по формуле p = F/S. Это понятие помогает объяснить многие явления, например действие насосов и изменение показаний прибора при подъёме в горы.

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. В ртутном барометре есть сосуд с ртутью и заполненная ею трубка, закрытая сверху; над ртутью в трубке почти нет воздуха. Атмосферное давление удерживает столбик ртути, и по его высоте определяют давление. Такой прибор нужен для наблюдений за изменениями погоды и давления.

Нормальное атмосферное давление — условное значение давления у поверхности Земли, принятое равным 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па. Сокращение «мм рт. ст.» означает миллиметры ртутного столба, а «Па» — паскали. Нормальное значение служит ориентиром для сравнения: реальные показания могут отличаться из-за погоды и высоты местности.

Как это устроено

Атмосфера не улетает от Земли, потому что сила притяжения удерживает её газы около планеты. Частицы воздуха имеют массу, хотя мы их не видим и обычно не замечаем. На эти частицы действует притяжение Земли, поэтому воздух обладает весом. Именно вес воздуха становится причиной атмосферного давления.

Над каждым участком поверхности находится столб воздуха, который давит своим весом. Сила этого давления распределяется по площади участка: если площадь больше, при той же силе давление меньше, что выражает формула p = F/S. Атмосфера давит не только на землю, но и на предметы, растения и людей. Давление существует даже там, где воздух кажется лёгким и незаметным.

Воздух состоит из частиц, движущихся в разных направлениях и сталкивающихся друг с другом и с поверхностями. Из-за этих столкновений давление газа передаётся во все стороны, а не только вниз под действием веса воздуха. Поэтому атмосферный воздух давит на вертикальные стены и на предметы снизу. Направление действия давления не следует путать с направлением силы тяжести.

При подъёме над поверхностью Земли над человеком остаётся всё меньший столб воздуха. Чем меньше воздуха в этом столбе, тем меньше его вес и создаваемое им давление. Кроме того, верхние слои атмосферы менее плотные, чем нижние: воздух сжимается под весом расположенных выше слоёв. Поэтому давление обычно уменьшается с высотой, хотя погода тоже влияет на его показания.

В ртутном барометре воздух давит на свободную поверхность ртути в чашке, а ртуть в трубке поднимается или опускается до равновесия. Сверху трубки оставлено почти пустое пространство, поэтому на верхнюю часть столбика почти не давит воздух. При большем атмосферном давлении столбик удерживается выше, при меньшем — ниже. Измерив высоту столбика, получают значение давления по шкале прибора.

Основные характеристики атмосферы и атмосферного давления

В таблице собраны основные понятия, единицы и способы измерения. Сначала определите, о каком объекте или величине говорится, а затем найдите соответствующее значение или способ измерения. Для задач особенно полезно различать единицы давления и помнить, что показания зависят от высоты.

Разбор задач

Задача 1. Атмосферное давление равно 101 300 Па. Найдём силу, с которой оно действует на поверхность площадью 0,02 м². Давление показывает силу, приходящуюся на единицу площади, поэтому для нахождения силы нужно умножить давление на площадь. Используем формулу F = pS.

1. Записываем данные: p = 101 300 Па, S = 0,02 м².
2. Подставляем их в формулу: F = 101 300 × 0,02.
3. Вычисляем: F = 2026 Н.

Ответ: атмосферное давление действует на поверхность с силой 2026 Н. Проверка единиц даёт паскаль, умноженный на квадратный метр, то есть ньютон. Не нужно подменять силу давлением: сила измеряется в ньютонах, а давление — в паскалях.

Задача 2. Высота столбика ртути в барометре равна 740 мм. Определим давление в паскалях, если 760 мм рт. ст. соответствуют примерно 101 300 Па. Сначала сравним 740 мм с нормальной высотой 760 мм. Затем используем ту же долю для значения в паскалях, потому что высота столбика пропорциональна давлению.

1. Записываем отношение: p/101 300 = 740/760.
2. Выражаем давление: p = 101 300 × 740/760.
3. Вычисляем: p ≈ 98 650 Па.

Ответ: атмосферное давление составляет примерно 98 650 Па. Полученное значение меньше 101 300 Па, что согласуется с тем, что 740 мм меньше нормальных 760 мм рт. ст. Миллиметры ртутного столба и паскали нельзя складывать или считать одной и той же единицей.

Задача 3. Показания барометра у подножия горы и на вершине различаются. Нужно объяснить причину и определить, где давление больше. На вершине над прибором находится меньшая часть атмосферы, чем у подножия. Поэтому вес воздушного столба над вершиной меньше, а вместе с ним обычно меньше и атмосферное давление.

1. Сравниваем высоту мест: вершина расположена выше подножия.
2. При подъёме количество воздуха над прибором уменьшается, и столб воздуха становится легче.
3. Следовательно, давление на вершине меньше, чем у подножия.

Ответ: показания барометра на вершине обычно ниже. Разница возникает из-за уменьшения веса и плотности воздушного столба с высотой. Погодные изменения могут влиять на оба показания, но не меняют основной причины различия.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что атмосферное давление направлено только вниз. Так думают, потому что связывают его с весом воздуха, а вес направлен к Земле. Но давление газа передаётся во всех направлениях благодаря движению и столкновениям частиц. Проверьте себя: воздух давит и на вертикальные поверхности, значит, действие не ограничивается направлением вниз.

Ошибка — называть атмосферным давлением вес всего воздуха или силу давления. Эти величины связаны, но не равны: давление показывает силу, приходящуюся на единицу площади. Их путают из-за общего слова «давит». Для проверки запишите p = F/S: сила измеряется в ньютонах, площадь — в квадратных метрах, давление — в паскалях.

Ошибка — неверно переводить миллиметры ртутного столба в паскали или смешивать эти единицы в вычислениях. Перевод часто делают на глаз, забывая, что 760 мм рт. ст. соответствуют примерно 101 300 Па. Проверьте, что в пропорции единицы одинаковы в числителе и знаменателе, а ответ записан в требуемой единице.

Ошибка — считать, что с высотой атмосферное давление увеличивается. Можно ошибочно рассуждать, будто наверху воздух ближе к небу и потому его больше, но над вершиной остаётся меньший столб воздуха. С высотой давление обычно падает. Проверка простая: сравните массу воздуха над подножием и вершиной — у подножия её больше, поэтому давление там обычно выше.

Связь с другими темами

Для понимания атмосферного давления нужны знания о массе и весе тела, силе давления, площади поверхности и формуле p = F/S. Эти представления пригодятся при изучении давления жидкостей и газов, сообщающихся сосудов и подъёмной силы. Барометры помогают наблюдать за погодой и оценивать высоту, а изменение давления учитывают в авиации и при объяснении самочувствия человека. Насосы тоже работают благодаря разности давлений.

Что запомнить

• Атмосфера — воздушная оболочка Земли.
• Воздух имеет массу и вес, поэтому создаёт атмосферное давление.
• Атмосферное давление действует во всех направлениях.
• С высотой атмосферное давление обычно уменьшается.
• Атмосферное давление измеряют барометром.
• Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па.
• Давление связано с силой и площадью формулой p = F/S.