一、大气运动不息
大气有多重
20世纪初,在英国发生过一件买卖空气的怪事。
当时,飞机刚刚问世,人们对飞行员十分敬重。有一次,一位飞行员驾驶一架飞机从法国起飞,飞越英吉利海峡,到达英国。飞机在英国的一个小镇附近降落,飞行员受到当地人们的热烈欢迎。人们把他当作英雄,许多崇拜者在饭店里设宴招待他,不少人闻讯后特地从远方赶来,请他签名留念。
当时,有一位商人也在其中。这位商人财迷心窍,便灵机一动,想到饭店里的空气也因为飞行员的呼吸而一定十分值钱,如果把这饭店内的空气装入小瓶,当作纪念品出售,销路一定很好,收入肯定十分可观。商人立即把饭店老板叫了过来,说要把这饭店内的空气全部买下来。老板听后感到不可息议,可是望着商人那一本正经的样子,只好说:“好吧!每1立方米10元,整个饭店内的空气就算1000立方米,你就付10000元吧!”
可是,商人讨价还价:“卖空气哪能论体积,应该按质量。每000克空气,我付10元。”老板心想,反正空气会不断地流来,也就痛快地答应了。这时,老板的一位朋友对他说:“你真傻,你给商人骗了。空气能有多重呢?你把整个饭店里的空气全卖给他,也得不到几个钱。再说,空气怎么个称法呢!”老板听后不知所措。后来,由于无法称出空气质量,结果买卖没有成功。
那么,商人与老板谁吃亏了呢?我们不妨来算一下。据测定,在0℃和1013百帕(1标准大气压)压力下,空气的密度为0.001 29克/厘米3。近地面的空气密度与这个数据差不多。这样,一下子可以算出来了,1立方米空气质量为1290克,所以商人要按质量买空气,实际上反而吃了亏。
大气是看不见摸不着的,但是它与其他物体一样有质量,而且不可低估。根据粗略的计算,地球大气的总质量为5 140万亿吨。
大气压真神奇
*早注意到空气有质量的是意大利科学家伽利略。他将一个空瓶(当然里面有正常气压的空气)密封起来,放在天平上,与一堆砂子平衡。然后,他用打气筒给那个瓶子灌气,并再次加以密封。伽利略把这只瓶子再放到天平上去,这时天平失去了平衡,只有再往砂堆里添加一两颗小砂子,天平才会平衡。伽利略推断,瓶子质量增加是因为里面的空气增多了,因此,空气是有质量的。
很早,人们就注意到,用来输送水的虹吸管,当它跨越高度为10米以上的山坡时,水就输不上去了;在超过10米深的井里,抽水泵就不起作用了。人们也知道,只要把水管里的空气抽走,造成一个真空,那么水就会沿着水管往**。当时,人们无法解释水为什么会往**,就借用古希腊学者亚里士多德的名言“大自然讨厌真空”来解释。粗略一想也对,大自然是不让真空存在的,一旦真空出现就让水来填补,于是水就被抽上来了,真空出现在哪里,水就跟到哪里。可是,为什么水到了10米高的地方就再也上不去了呢?尽管10米以上也存在真空。对此,伽利略只能解释说大自然的那种“厌恶”是有限度的,对1O米以上的真空,它就不厌恶了,因而水就再也抽不上去了。“智者千虑,必有一失”,伽利略对抽水问题的解释过于牵强附会。
伽利略的学生托里拆利把老师的思想推进了一大步。他认为,既然空气有质量就会产生压力,就像水有质量会产生压力和浮力一样。正是空气的压力把水从管子里往上压,压到10米的高度时,水柱的质量正好等于空气的压力,水再也压不上去了。为了证实这一点,托里拆利设计了一个实验,并让自己的助手维维安尼帮助去做。
要用10米高的水柱做实验是很不方便的,因为它有三四层楼那么高。怎样观测呢?托里拆利聪明地利用相对质量为水的13.6倍的水银来做实验。他叫人制作了一根1米长的玻璃管,一端封闭,一端开口。维维安尼将水银灌满管子,然后用手指堵住开口的一端,将管子颠倒过来使开口的一端朝下,再放进一个盛满水银的陶瓷槽里。当他放开按住管口的手指时,管里的水银很快下降,当水银面降到76厘米高度时,就不再降低了。换算一下就可以得出,76厘米高的水银柱产生的压强,约等于10米水柱产生的压强。这个实验表明,水银槽里水银表面所受到的大气压强,约等于76厘米高的水银柱所产生的压强。
大气有质量就会给地面以一定的压力。每单位面积的地面上承受的大气柱的质量,也就是大气柱施加在单位面积上的压力,就是气象学上所谓的气压。
托里拆利设计的这个实验装置,成了世界上**个测量大气压强的气压计。后来,气象报告中的气压单位也曾沿用多少厘米(或毫米)水银柱高来表示。
大气压有多大
1654年的一个春日,阳光明媚,在德国马德堡郊外的一个大草坪上,数千人正在欢乐。这天,德国皇帝、皇后也在这里观看赛马和跳舞。一会儿,马德堡市市长盖利克要求为皇帝助兴,表演一出科学游戏。皇帝欣然同意。
只见盖利克取出两个铜制的半球,双手将这两个半球“啪”地一下子合了起来。他的仆人迅速地递上一个小唧筒,几下子就把里面的空气抽光。然后,盖利克用两根又粗又结实的绳子系在半球两侧的环上,招手叫来两名身**壮的大汉,一边一个,拿着绳子向相反方向使劲地拉。两位大汉拉得脸色通红,但那两个半球仍然牢牢地合在一起。皇帝看得发楞了,两个随便合在一起的半球,怎么会贴得牢不可破,连两个人都拉不开?盖利克又叫来四名大汉,每边三个人,使劲拉,可还是拉不开。
皇帝十分惊讶,命令仆人牵来四匹骏马,代替四位大汉。球的每一侧环上系上两根粗绳,套上两匹马。两名骑手挥动鞭子,四匹骏马长嘶一声,马蹄蹬踏起来。可是,那铜球依然没有分开。盖利克不断地增加马匹,直到每一侧加到七匹马,还是没有分开铜球。*后,盖利克又牵来两匹骏马,这样每一侧有八匹马了。骑手的鞭子甩得如爆竹炸响,八匹马把地面蹬得尘土飞扬。只听得“嘭”的一声巨响,铜球终于裂成两半,两侧的八匹马各自带着一个半球冲出几百米远。这时,人们才松了口气。
皇帝问道:“你变的是什么戏法,这两个半球怎么会吸得那样牢固?”
“陛下,两个半球相互吸引的力没有那么大,而是外面的大气压力把两个半球紧紧地压在一起。”
“那么,你知道这大气压力有多大?”
“按照托里拆利的计算,大气对每平方厘米的物体表面的压力大约是9.8牛。半个小球的表面积为1978平方厘米,所以大气对半球的压力大约是19384牛。现在,用八匹马来拉,每匹马至少要使出2423牛的力才能将它拉开。”
皇帝听了以后迷惑不解:“那我们居住的皇宫怎么没有被压坏呢?”
“请陛下放心。铜球拉不开,是因为我把它抽成了真空。而陛下的皇宫有门有窗,空气可以流来流去,不会形成真空,上下左右的压力互相抵消了,所以不会被压坏。”
“那么,我们每一个人不也要被压瘪了?”人群中有一位年长者大声问道。
“我们人的表面积大约为2平方米,所以我们每一个人每时每刻都受到19.6万牛的压力。但是,先生不必担心,你有口有鼻,所以你的体内也不是真空,不会被压瘪。”
大家听了盖利克的介绍,一场虚惊解除了,个个又露出了笑容。皇帝叫随从取来美酒,嘉奖盖利克的精彩表演。
相传,在古希腊,有弟兄四人,被困在天边的山洞里。不知过了多少年,神搬走了堵在洞口的巨石,四兄弟冲出山洞,向四方奔去,带来了狂风。向东的叫塞佛勒斯,带来了西风;向南的叫勃里阿斯,带来了北风;向西的叫孟勒斯,带来了东风;向北的叫诺特斯,带来了南风。
讨了2 000多年,人们从实践中认识到,风不是四兄弟奔跑形成的,而是一种自然现象。各地的大气压是不同的,相邻的两个地方存在气压差,于是空气会从气压高的地方向气压低的地方流动,形成风。气压差方向不同,形成的风风向不同。气压差越大,风也越大。
风,虽然看不见、摸不着,但时刻在影响着我们。随着航海事业的出现,人们开始研究和利用风的规律。
古罗马航海者发现,每到冬季,强风从埃及吹向地中海;每到夏季,风从地中海吹向埃及。他们利用这种风,每年将数千万斛的埃及小麦通过地中海运到罗马。
航海家哥伦布,乘坐帆船,靠风四次横渡大西洋,发现美洲大陆,成为历史上*伟大的航海家之一。
风,还是传播生命的使者。1883年,印度尼西亚的喀拉喀托火山大喷发,火山灰埋葬了一切,岛上的动植物在火海中化为乌有。半年以后,一位植物学家登上这个小岛,却发现有一种小蜘蛛在结网营生。显然,这种小蜘蛛是随着风从别处飘扬到这个岛上的。一年以后,科学家又来到这个岛上,发现原始植物水藻漂浮在岩石小坑中的水面上。它不是岛上的产物.也是风将它的细小孢子,从邻近的地方吹送到岛上的。风,使这个小岛恢复了生机。
俗话说:风起云涌。有了风才能有雨。风南来北往,把热量和水汽从一个地方输送到另一个地方,使得一个地方不至于一直冷下去,另一个地方不至于一直热下去,使人类的生存环境变得十分理想。
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