Атмосфера и атмосферное давление
Газовая оболочка, окружающая Землю, называется атмосферой (от греческих слов «атмос» — пар и «сфера» — шар). Смесь газов, образующих атмосферу Земли, называют воздухом. В состав воздуха входят азот (78 %), кислород (21 %) и некоторые другие газы.
Молекулы газов, образующих атмосферу нашей планеты, находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Почему же они не улетают в космическое пространство? Дело в том, что у них недостаточно большая скорость. Ведь и мяч, брошенный человеком вверх, не улетает в космос. Чтобы выйти за пределы притяжения Земли, необходимо развить очень большую скорость — 11,2 км/с. Скорость большинства молекул в воздухе значительно меньше.
Исследование околоземного пространства с помощью искусственных спутников Земли показало, что атмосфера нашей планеты простирается на тысячу и более километров в высоту. Резкой границы она не имеет. Ее верхние слои очень разрежены и постепенно переходят в пустое межпланетное пространство. С уменьшением высоты плотность воздуха возрастает. Около 80 % всей массы воздушной оболочки Земли сосредоточено в пределах 15 км над Землей.
Установлено, что при температуре 0 °С масса каждого кубического метра воздуха (на уровне моря) составляет в среднем 1,29 кг.
Как на опыте доказать, что воздух обладает массой? Для этого следует взять прочный стеклянный шар с пробкой и резиновой трубкой, имеющей зажим (рис. 112). Выкачав из шара воздух и закрыв зажим, поместим шар на весы и уравновесим их с помощью гирь. Теперь откроем зажим на резиновой трубке. Воздух снова войдет внутрь шара, и мы увидим, как равновесие весов нарушится. Шар с воздухом станет тяжелее. Это и означает, что воздух обладает массой.
Из-за притяжения к Земле верхние слои воздуха давят на средние, те — на нижние. Наибольшее давление, обусловленное весом воздуха, испытывает поверхность Земли, а также все тела, находящиеся на ней. На них давит вся толща воздуха.
Давление, оказываемое атмосферой Земли на все находящиеся в ней предметы, называется атмосферным давлением.
Существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления. Рассмотрим два примера.
На рисунке 113 изображены широкий сосуд с водой и опущенная в него стеклянная трубка с поршнем. Поднимая поршень, мы увидим, как вода начинает следовать за ним. Что заставляет подниматься воду? Если бы уровень воды при поднятии поршня не изменялся, то между ним и водой образовалось бы безвоздушное пространство, которое, естественно, не оказывало бы никакого давления на находящуюся под ним воду. Снизу же на эту воду (в трубке) действует сила давления окружающего воздуха. Это давление передается по закону Паскаля через воду в широком сосуде. Действуя снизу вверх, сила атмосферного давления и заставляет воду в трубке устремляться в пустое пространство под поршнем. Именно на этом основан принцип действия такого широко известного инструмента, как шприц (рис. 114).
1. Что представляет собой атмосфера Земли? Из каких газов она состоит? 2. Почему молекулы газов, образующих атмосферу Земли, не улетают в космическое пространство? 3. Как изменяется плотность атмосферы с увеличением высоты? 4. С помощью какого опыта можно доказать, что воздух обладает массой? 5. Вследствие чего создается атмосферное давление? 6. Объясните принцип действия шприца. 7. На рисунке 116 изображена пипетка. Объясните, каким образом удается набирать в нее жидкость. 8. На рисунке 117 изображен ливер — инструмент, служащий для взятия проб различных жидкостей. Ливер опускают в жидкость, затем закрывают пальцем верхнее отверстие и вынимают из жидкости. Когда верхнее отверстие открывают, жидкость из ливера вытекает. Объясните действие этого прибора. 9. Предполагают, что Луна когда-то была окружена атмосферой, но постепенно потеряла ее. Чем это можно объяснить? 10. Чтобы вдохнуть воздух, человек расширяет свою грудную клетку. Почему воздух при этом входит в легкие? Как происходит выдох?