大氣壓

1.亦稱“ 大氣壓強 ”。重要的氣象要素之一。由于地球周圍大氣的重力而產生的壓強。其大小與高度、溫度等條件有關。一般隨高度的增大而減小。例如，高山上的大氣壓就比地面上的大氣壓小得多。在水平方向上，大氣壓的差異引起空氣的流動。

2.壓強的一種單位?！皹藴蚀髿鈮骸钡暮喎Q?？茖W上規定，把相當于760mm高的水銀柱產生的壓強叫做1標準大氣壓，簡稱大氣壓。

地球的周圍被厚厚的空氣包圍著，這些空氣被稱為大氣層?？諝饪梢韵袼菢幼杂傻牧鲃?，同時它也受重力作用。因此空氣的內部向各個方向都有壓強，這個壓強被稱為大氣壓。在1643年意大利科學家托里拆利在一根80厘米長的細玻璃管中注滿水銀倒置在盛有水銀的水槽中，發現玻璃管中的水銀大約下降了4厘米后就不再下降了。這4厘米的空間無空氣進入，是真空。托里拆利據此推斷大氣的壓強就等于水銀柱的長度。后來科學家們根據壓強公式準確地算出了大氣壓在標準狀態下為1.013×10^5Pa。由于當時的信息交流不暢意大利和法國對大氣壓實驗研究結果并沒有被全歐洲所熟知，所以在德國對大氣壓的早期研究是獨立進行的。1654年奧托格里克在德國馬德堡作了著名的馬德堡半球實驗，有力的驗證了大氣壓強的存在，這讓人們對大氣壓有了深刻的認識。在那個時期，奧托格里克還做了很多驗證大氣壓存在且很大的實驗，也正是在這一時候他第一次聽到托里拆利早在11年前已測出了大氣壓。

大氣壓實驗

伽利略的學生托里拆利完成了伽利略的夙愿。受伽利略的啟發，托里拆利考慮，如果選用比水的密度大很多的液體，能夠汲取的高度就會很矮。日常環境中，密度大的液體首推水銀，也就是汞，一種液態的金屬，密度是水的13.5倍。托里拆利在一根約1米長的玻璃管里灌滿水銀，把開口的一端先塞住，將玻璃管倒立在盛水銀的盤子里，然后拔出塞子。這時管子里的水銀在重力的作用下流到盤子里，水銀柱的上方形成了真空。但是，當管內水銀面降低到比盤內水銀面高出760毫米時，汞就不再從豎直的管子里流出，而是一直保持這個高度了。從原理上看，這個裝置是世界上第一個“氣壓計”。

玻璃管中的水銀柱會保持固定的高度，怎么解釋這個現象呢？托里拆利的合作者維瓦尼提出，厚厚的大氣向下壓在盤子里的水銀上，大氣壓的力量與760毫米水銀柱的重力勢均力敵，從而令水銀柱始終保持一個高度。

由于托里拆利的玻璃管中出現了真空，于是，人類能夠制造真空、大氣有質量的消息不脛而走，全歐洲的科學家都激動起來。法國數學家帕斯卡不但在家里做實驗，還跑到山上做，與山下的實驗做對比，發現海拔會影響大氣壓的數值。這不難理解，在高山上，頭頂上的大氣要薄一些，大氣壓也就低了。

德國馬德堡市的市長奧托格里克得知托里拆利實驗后，也放下公務，做起了科學實驗。他將兩個直徑20厘米的半球拼在一起，不用焊接，而是抽出空心鐵球中的空氣，兩個半球就緊密地粘在了一起。然后，兩個彪形大漢握住扣在兩個半球上的繩索，向相反的方向拉，結果鐵球依然故我，并不分成兩部分。市長干脆趕過來兩匹馬，仍然無法將兩個半球分開。再增加兩匹馬，還是無法戰勝大氣壓的力量。一直加到十六匹馬，只聽砰地一聲，鐵球終于裂開，群馬扯著兩個半球沖出好遠才立住。

馬德堡半球實驗展現了大氣壓的強悍，按照托里拆利的計算，大氣對物體的壓力，1平方厘米大約1千克的重力。一般人的身體表面積約2平方米，因此我們每時每刻承受著大氣2萬千克的壓力。2萬千克？那我們豈不是被壓成了肉餅！不要擔心，我們與馬德堡半球還是有區別的，它的內部是真空的，而我們的身體里含有空氣?！安蛔R廬山真面目，只緣身在此山中”，感覺不到大氣的沉重，是因為我們的身體被大氣所包含、所滲透。

換算公式：1標準大氣壓=760毫米汞柱=76厘米汞柱=1.013×10的5次帕斯卡=10.336米水柱。

標準大氣壓值的規定，是隨著科學技術的發展，經過幾次變化的。最初規定在攝氏溫度0℃、緯度45°、晴天時海平面上的大氣壓強為標準大氣壓，其值大約相當于76厘米汞柱高。后來發現，在這個條件下的大氣壓強值并不穩定，它受風力、溫度等條件的影響而變化。于是就規定76厘米汞柱高為標準大氣壓值。但是后來又發現76厘米汞柱高的壓強值也是不穩定的，汞的密度大小受溫度的影響而發生變化；g值也隨緯度而變化。

為了確保標準大氣壓是一個定值，1954年第十屆國際計量大會決議聲明，規定標準大氣壓值為

1標準大氣壓＝101325牛頓／米2

大氣壓的變化

溫度、濕度與大氣壓強的關系

濕度越大大氣壓強越大

初中物理告訴我們：“大氣壓的變化跟天氣有密切的關系．一般地說，晴天的大氣壓比陰天高，冬天的大氣壓比夏天高．”對這段敘述，就是老師也往往不易說清，筆者認為，這個問題可歸結為溫度、濕度與大氣壓強的關系問題．今談談自己的初步認識．

我們通常所稱的大氣，就是包圍在地球周圍的整個空氣層．它除了含有氮氣、氧氣及二氧化碳等多種氣體外，還含有水汽和塵埃．我們把含水汽很少（即濕度?。┑目諝夥Q“干空氣”，而把含水汽較多（即濕度大）的空氣稱“濕空氣”．不要以為“干”的東西一定比“濕”的東西輕．其實，干空氣的分子量是28.966，而水汽的分子量是18.016，故干空氣分子要比水汽分子重．在相同狀況下，干空氣的密度也比水汽的密度大．水汽的密度僅為干空氣密度的62％左右．

應當說，由于大氣處于地球周圍的一個開放空間，而不存在約束其運動范圍的具體疆界，這就使它跟處于密閉容器中的氣體不同．對一個盛有空氣的密閉容器來說，只要容器中氣體未達到飽和狀態，那么，當我們向容器中輸入水汽的時候，氣體的壓強必然會增加．而大氣的情況則不然．當因自然因素或人為因素使某區域中的大氣濕度增大時，則該區域中的“濕空氣”分子（包括空氣分子和水汽分子）必然要向周圍地區擴散．其結果將導致該區域大氣中的“干空氣”含量比周圍地區小，而水汽含量又比周圍地區大．這猶如在大豆中摻入棉籽時其混合體密度要小于大豆密度一樣，所以該區域的濕空氣密度也就小于其它地區的干空氣密度．這樣，對該區域的一個單位底面積的氣柱而言，其重量也就小于其它干空氣地區同樣的氣柱這也就告訴我們，大氣壓隨空氣濕度的增大而減?。完幪炫c晴天而言，實際上也就是陰天的空氣濕度比晴天要大，因而陰天的大氣壓也就比晴天?。?/p>

我們知道，氣體分子的“碰撞”是產生氣體壓強的根本原因．因而對大氣壓隨空氣濕度而變化的問題，我們也可以由此作出解釋，根據氣體分子運動的基本理論，氣體分子的平均速率：

平均質量大的氣體分子，其平均動量也大（有的文獻①中所言：“干空氣的平均速度也大于濕空氣”，是不正確的）。而對相同狀況下的于空氣與濕空氣來說，由于于空氣中的氣體分子密度及分子的平均質量都比濕空氣要大，且干空氣分子的平均動量也比濕空氣大，因而濕度小的干空氣壓強也就比濕度大的濕空氣大。

當我們給盛有空氣的密閉容器加熱的時候，則其壓強當然也會增大．而對大氣來說情況就不同了．當某一區域的大氣溫度因某種因素而升高時，必將引起空氣體積的膨脹，空氣分子勢必要向周圍地區擴散．溫度高，氣體分子固然會運動得快些，這將成為促進壓強增大的因素．但另一方面，隨著溫度的升高，氣體分子便向周圍擴散，則該區域內的氣體分子數就要減少，從而形成一個促使壓強減小的因素．而實際的情況乃是上述兩種對立因素共同作用的結果．至于這兩種因素中哪個起主要作用，我們不妨來看一看大陸及海洋上氣壓隨氣溫變化的實際情況．我們說，夏季大陸上氣溫比海洋上高，由于大陸上的空氣向海洋上擴散，而使大陸上的氣壓比海洋上低；冬季大陸氣溫比海洋上低，由于海洋上空氣要向大陸上擴散，又使大陸上氣壓比海洋上高．而由此可見，在溫度變化和分子擴散兩個因素中，擴散起著主要的、決定性的作用．應當指出，這里所說的擴散，是指空氣的橫向流動．因為由空氣的縱向流動并不能改變豎直氣柱的重量（有的文獻②把因溫度而產生的氣壓變化說成是空氣沉浮的結果，這是不妥的），因而也就不能改變大氣的壓強（對重力加速度g因高度變化而產生的影響完全可以忽略）。

由于地球上的大氣總量是基本上恒定的．當一個地區的氣溫增加時，往往伴隨著另一個地區溫度的降低，這就為高溫處的空氣向低溫處擴散帶來了可能。而擴散的結果常常是高溫處的氣壓比低溫處低。當我們生活的北半球是接受太陽熱量最多的盛夏時，南半球卻是接受太陽熱量最少的嚴冬。這時，由于北半球的空氣要向南半球擴散而使北半球的氣壓較南半球要低。而由于大氣總量基本不變，則此時北半球的氣壓就低于標準大氣壓，南半球的氣壓當然也就會高于標準大氣壓。同樣，空氣的反方向擴散又會使北半球冬季的氣壓高于標準大氣壓．因而，在北半球，冬季的大氣壓就會比夏季要高．當然，大氣壓的變化是很復雜的，但對中學課本上的說法作上述解釋還是可以的。

在不同的季節，不同的氣候條件和地理位置等條件下，地球上方大氣壓的值有所不同。本文擇取大氣壓的五種主要變化，做一些分析討論，供參考。

1、大氣壓隨地勢高低的變化

從微觀角度看，決定氣體壓強大小的因素主要有兩點：一是氣體的密度n；二是氣體的熱力學溫度T。在地球表面隨地勢的升高，地球對大氣層氣體分子的引力逐漸減小，空氣分子的密度減??；同時大氣的溫度也降低。所以在地球表面，隨地勢高度的增加，大氣壓的數值是逐漸減小的。如果把大氣層的空氣看成理想氣體，我們可以推得近似反映大氣壓隨高度而變化的公式如下：

μ=p0gh／RT

（μ為空氣的平均摩爾質量，P0為地球表面處的大氣壓值，g為地球表面處的重力加速度，R為普適氣體恒量，T為大氣熱力學溫度，h為氣柱高度）

由上式我們可以看出，在不考慮大氣溫度變化這一次要因素的影響時，大氣壓值隨地理高度h的增加按指數規律減小，其函數圖象如圖所示。在2km以內，大氣壓值可近似認為隨地理高度的增加而線性減??；在2km以外，大氣壓值隨地理高度的增加而減小漸緩。所以過去在初中物理教材中有介紹：在海拔2千米以內，可以近似地認為每升高12米，大氣壓降低1毫米汞柱。

2、大氣壓隨地理緯度的變化

地球表面大氣層里的成份，變化比較大的就是水汽。人們把含水汽比較多的空氣叫“濕空氣”，把含水汽較少的空氣叫“干空氣”。有些人直覺地認為濕空氣比干空氣重，這是不正確的。干空氣的平均分子量為28.966，而水氣的分子量只有18.106，所以含有較多水汽的濕空氣的密度要比干空氣小。即在相同的物理條件下，干空氣的壓強比濕空氣的壓強大。

在地球表面，由赤道到兩極，隨地理緯度的增加，一方面由于地球的自轉和極地半徑的減小，地球對大氣的吸引力逐漸增大，空氣密度增大；另一方面由于兩極地區溫度較低，所以空氣中的水汽較少，可近似看成干空氣，所以由赤道向兩極，隨地理緯度增加，大氣壓總的變化規律是逐漸增大（因氣候等因素影響，局部某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規律）。

3、大氣壓的日變化

對于同一地區，在一天之內的不同時間，地面的大氣壓值也會有所不同，這叫大氣壓的日變化。一天中，地球表面的大氣壓有一個最高值和一個最低值。最高值出現在9～10時。最低值出現在15～16時。

導致大氣壓日變化的原因主要有三點。一是大氣的運動；二是大氣溫度的變化；三是大氣濕度的變化。

日出以后，地面開始積累熱量，同時地面將部分熱量輸送給大氣，大氣也不斷地積累熱量，其溫度升高濕度增大。當溫度升高后，大氣逐漸向高空做上升輻散運動，在下午15～16時，大氣上升輻散運動的速度達最大值，同時大氣的濕度也達較大值，由于此二因素的影響，導致一天中此時的大氣壓最低。16時以后，大氣溫度逐漸降低，其濕度減小，向上的輻散運動減弱，大氣壓值開始升高；進入夜晚；大氣變冷開始向地面輻合下降，在上午9～10時，大氣輻合下降壓縮到最大程度，空氣密度最大，此時的大氣壓是一天中的最高值。

4、大氣壓的年變化

同一地區，在一年之中的不同時間其大氣壓的值也有所不同。這叫大氣壓的年變化。大氣壓的年變化，具體又分為三種類型，即大陸型、海洋型和高山型。其中海洋型大氣壓的年變化剛好與大陸型的相反。通常所說的“冬天的大氣壓比夏天高”，指的就是大陸型大氣壓的年變化規律。下面對此略做分析（另外兩種情況不做討論）。

由于大氣處于地球周圍一個開放沒有具體疆界的空間之內，這就使它與密閉容器中的氣體有著很多區別。夏天，大陸中的氣溫比海洋上高，大氣的濕度也比較大（相對冬天而言），這樣大陸上的空氣不斷向海洋上擴散，導致其壓強減小。到了冬天，大陸上氣溫比海洋上低，大陸上的空氣濕度也較夏天小，這樣海洋上的空氣就向大陸上擴散，使大陸上的氣壓升高。這就是大陸上冬天的大氣壓比夏天高的原因（大氣溫度也是影響大氣壓的一個因素，但在這里決定大氣壓變化的因素不是氣溫，而是大氣的流動及大氣的密度）。

5、大氣壓隨氣候的變化

大氣壓隨氣候變化的情況比較多，但最為典型的就是晴天與陰天大氣壓的變化。有句諺語叫“晴天的大氣壓比陰天高”，反映的就是大氣壓的這一變化規律。

通常情況下，地面不斷地向大氣中進行長波有效輻射，同時大氣也在不斷地向地面進行逆輻射。晴天，地面的熱量可以較為通暢地通過有效輻射和對流氣層的向上輻散運動向外輸運。陰天時，云層減少了對流層大氣向外的輻散運動。云層這種保存地表和對液層熱量的作用稱為“溫室效應”。這樣，陰天地區的大氣膨脹就比較厲害，從而導致陰天地區的大氣橫向向外擴散，使空氣的密度減小，同時陰天地區大氣的濕度比較大，也使大氣的密度減小。因這兩個因素的影響，從而導致陰天的大氣壓比晴天的大氣壓低。

大氣壓應用

1.高壓鍋（高壓鍋中封閉了空氣，給高壓鍋內空氣加熱時，鍋內氣體壓強增大，使鍋內的水沸騰時溫度更高，更容易煮熟食物

2.真空吸盤（可以依靠外界大氣壓將其壓在墻上，可以掛東西）

3.拔罐頭療法（中醫中有一種玻璃罐，將其加熱時迅速按在人體某部位，等罐內空氣冷卻后，會被外界氣壓按照皮膚上，此時用力拔下玻璃罐，會吸出人體內有害的毒血，有利于康復）

4.飛機飛行（飛機機翼上方呈流線型，當空氣流過機翼時，一部分空氣從飛機機翼上方流過，一部分空氣從機翼下方流過，因為機翼上方為流線型，所以空氣要在相同的時間內流過不同的距離則速度不相同，機翼上方空氣流速較大，大氣壓較??；下方很平，空氣流速較小，大氣壓較大，于是。飛機在高速行駛時，機翼下方的大氣壓大，而機翼上方的大氣壓小，機翼上下的壓力差使飛機獲得了升力）

什么試驗證明大氣壓存在？

實驗一：模擬馬德堡半球實驗。

兩個皮碗口對口擠壓，然后兩手用力往外拉，發現要用較大的力才能拉開。

馬德堡半球實驗和模擬實驗的共同點是：將金屬球內和皮碗內的空氣抽出或擠出，使金屬球內和皮碗內空氣的壓強減小，而外界的大氣壓強就把它們緊緊地壓在一起，要用較大的力才能拉開，這就有力證明了大氣壓強的存在。

實驗二：“瓶吞蛋”實驗。

用剝了殼的熟雞蛋堵住廣口瓶口，實驗前用手輕輕用力，不能將雞蛋完整地壓入瓶內。再將點燃的棉球扔入裝有細沙（防止燒裂瓶底）的瓶中，迅速將該熟雞蛋塞住瓶口，待火熄滅后，觀察到雞蛋“嘣”的一聲掉入瓶內。 上述實驗，由于棉花燃燒使瓶內氣壓降低，當瓶內壓強小于瓶外大氣壓強時，雞蛋在大氣壓強的作用下，被壓入瓶內。

實驗三：“覆杯實驗”

玻璃杯內裝滿水，用硬紙片蓋住玻璃杯口，用手按住，并倒置過來，放手后，整杯水被紙片托住，紙片不掉下來。 該實驗玻璃杯內裝滿水，排出了空氣，杯內的水對紙片向下的壓強小于大氣對紙片向上的壓強，因而紙片不掉下來。

分析上述三個實驗，不難理解大氣壓強存在問題。更深入研究：“瓶吞蛋”表明大氣豎直向下有壓強，“覆杯實驗”表明大氣向上有壓強。因而顯示出大氣壓強的特點：大氣向各個方向都有壓強。