大氣壓力

亞里士多德的自然不存在真空原理數世紀以來一直被用來説明這樣一個事實：要想放空一桶酒，就必須同時在頂部和底部開口。因為自然不允許在桶中產生真空，除非空氣從頂部進入酒桶，否則酒就不會從底部流出。長期以來，人們一直認為這一原理在包括真空的所有場合中都成立。但在16世紀，人們發現這樣一個事實，如果將用來從礦井中抽水的真空泵放在高於水平面30英尺的位置，泵就不能工作，這導致人們開始思考對酒桶成立的自然沒有真空這一原理對泵是否有某些限制。

1630年，熱那亞的喬瓦尼·巴利阿尼在虹吸管上發現了一個相似的侷限性。當他試圖從一個超過60英尺高的蓄水池中吸水的時候，發現虹吸管無法工作。當虹吸管完全充滿水後，從兩端取掉塞子，似乎在吸管的頂部產生了真空。

1641年左右，羅馬的加斯帕羅·伯提在得知了這些發現後，試圖以更科學的方法確定是否可以創造真空。為此，他設計了一個裝置，該裝置由附有大約40英尺長管子的球形玻璃容器構成。伯提將裝置垂直貼附於塔邊，在關閉位於較低位置的管子末端閥門後，便將水從位於較高位置的玻璃容器頂端開口大量注入。當管子和玻璃容器被完全注滿後，將容器的頂端開口密封，並開啓末端的閥門，水立即從管子底部噴湧而出，從而在玻璃容器中形成了真空。這個試驗使多年的問題變得明確：如果大自然不存在真空，怎麼會容許在玻璃容器中製造一個真空呢？而且，當重複做這個試驗的時候，為什麼水總會下降到管子中同樣的位置？

正在做伽利略助手的埃萬傑利斯塔·托里拆利，在佛羅倫薩得知了伯提的試驗結果。伽利略認為真空的力量支撐了管子中的水，在1642年伽利略逝世之後，托里拆利提出了自己的假説，即大氣壓力支撐了管子中的水。他是這樣推理的：我們居住在大氣海洋的底部，空氣壓力支撐推動管子底部的水達到某一特定的高度。他認為：當管子中剩餘水的重量等於上部空氣向下推的重量時，達到平衡點。從這個假説出發，托里拆利得出幾個推論：一個是大氣壓力在一個密封頂部的管中可以支撐起大約29英寸高的水銀柱。這一結論的得出源於大氣壓可以支撐33英尺高的水柱，而水銀的密度又是水的密度的13.6倍。這樣，33/13.6×12英寸=29英寸。第二個推論是這樣一個注滿水銀的管可以用來測量大氣壓的變化。正是這個推論最終使托里拆利獲得了提出氣壓計理論的榮譽。最後，托里拆利推斷：如果將這樣的裝置放在諸如山頂等空氣稀薄的地方，水銀柱的高度會下降。

1647年，法國哲學家布萊茲·帕斯卡承擔了托里拆利第三個推論的驗證工作。在得知托里拆利的氣壓計試驗的消息後，帕斯卡自己製造了一個氣壓計，他堅信託裏拆利假説的正確性。為了證明該理論的正確性，即與真空原理相悖，他請求他的姐夫帕瑞將一個氣壓計運送到法國奧弗涅（地區）最高山之一的多姆山頂部。一年後，帕瑞答應了這一請求，他在山腳下的隱修院裏裝配了兩個氣壓計開始試驗。當觀察到兩個水銀柱上升到了相同的高度後，帕瑞拆卸下一個氣壓計，並吩咐一個修士全天監測另一個氣壓計的水銀高度。然後，帕瑞帶着卸下來的氣壓計，和一組見證人一起動身向山上進發。一登上山頂，他就裝配了這台氣壓計。大家驚奇地發現，此時的水銀面比山腳下的要低3英寸多。第二次測試時，他卸下了氣壓計並分別重新安裝到山頂五個不同點，每一次的結果都完全相同。

下山的路走到一半時，帕瑞再一次裝配了氣壓計。他發現水銀面大約處於在山頂和山底時的水銀面之間。最後，他一回到隱修院，就詢問了修士氣壓計觀察情況。修士的彙報結果是自從那天早晨他們離開後，水銀面一直沒有任何變化。於是，帕斯卡向全世界的知識界宣佈了這一試驗結果，從而成功推翻了自然不存在真空原理。 ^[1] 

由於地心引力作用，距地球表面近的地方，地球吸引力大，空氣分子的密集程度高，撞擊到物體表面的頻率高，由此產生的大氣壓力就大。距地球表面遠的地方，地球吸引力小，空氣分子的密集程度低，撞擊到物體表面的頻率也低，由此產生的大氣壓力就小。因此在地球上不同高度的大氣壓力是不同的，位置越高大氣壓力越小。此外，空氣的温度和濕度對大氣壓力也有影響。

在物理學中，把緯度為45度海平面（即海拔高度為零）上的常年平均大氣壓力規定為1標準大氣壓（atm）。此標準大氣壓為一定值。其值為1標準大氣壓=760毫米汞柱=1.0133工程大氣壓 =1.0133×10⁵Pa=0.10133MPa ^[2] 

大氣壓力的產生是地球引力作用的結果，由於地球引力，大氣被“吸”向地球，因而產生了壓力，靠近地面處大氣壓力最大。氣象科學上的氣壓，是指單位面積上所受大氣柱的重量（大氣壓強），也就是大氣柱在單位面積上所施加的壓力。

氣壓的單位有毫米和毫巴兩種：以水銀柱高度來表示氣壓高低的單位，用毫米（mm）。例如氣壓為760毫米，就是表示當時的大氣壓強與760毫米高度水銀柱所產生的壓強相等。另一種是天氣預報廣播中經常聽見的毫巴（mb）。它是用單位面積上所受大氣柱壓力大小來表示氣壓高低的單位。1毫巴=1000達因/平方釐米（1巴=1000毫巴）。因此，1毫巴就表示在1平方釐米面積上受到1000達因的力。氣壓為760毫米汞柱時相當於1013.25毫巴，這個氣壓值稱為一個標準大氣壓。 ^[2] 

大氣壓力與高度有密切關係，即大氣壓力隨高度增加而遞減。在近海平面1000hPa附近，高度每上升約10m，氣壓降1hPa；在500hPa（5500m）附近，高度每上升約20m，氣壓降1hPa；在200hPa（12000m）附近，高度每上升約30m，氣壓降1hPa；它應用於航空上，用來決定飛機飛行的高度。飛機上的高度表，就是以空盒氣壓計的氣壓高度換算出高度，作為高度表的標尺。國際民航組織（ICAO）假設在幹空氣、平均海平面的氣壓和氣温分別為1013.25hPa和15℃、對流層頂以下約11km之温度隨高度遞減率每千米下降6.5℃等標準大氣條件下，作為高度表的參考基準，在這種狀態下的大氣稱為國際民航組織標準大氣（ICAO Standard Atmosphere）。

氣壓是隨大氣高度而變化的。海拔愈高，大氣壓力愈小；兩地的海拔相差愈懸殊，其氣壓差也愈大。

大氣柱的重量還受到密度變化的影響，空氣的密度愈大，也就是單位體積內空氣的質量愈多，其所產生的大氣壓力也愈大。

由於大氣的質量愈近地面愈密集，愈向高空愈稀薄，所以氣壓隨高度的變化值也是愈靠近地面愈大。例如在低層，每上升100米，氣壓便降低約10毫巴；在5～6公里的高空，每上升100米，氣壓降低約7毫巴；而到9～10公里的高空，每上升100米，氣壓便只降低約5毫巴了。

氣壓無時無刻不在變化。在通常情況下，每天早晨氣壓上升，到下午氣壓下降；每年冬季氣壓最高，每年夏季氣壓最低。但有時候，如在一次寒潮影響時，氣壓會很快升高，但冷空氣一過氣壓又慢慢降低。 ^[3]