地球/4e. 布莱兹·帕斯卡和他的气压计
1647 年，居住在法国巴黎的布莱兹·帕斯卡是数学领域的天才，也是第一台机械计算器的发明者，他对一场伟大的科学辩论产生了兴趣。一些科学家认为，完全的真空是不可能的。这些科学家暗示，不可能从一个密封的玻璃容器中去除所有物质，包括气体。无论你从玻璃容器中吸出多少气体，里面总会残留一些物质。布莱兹·帕斯卡认为这个想法是错误的。真空是可能的，因此他写了一本关于这个主题的小册子，名为Expériences nouvelles touchant le vide，或关于真空的新实验。在整本书中，帕斯卡描述了使用管子、注射器、风箱和虹吸管进行的实验，使用了各种液体，包括水银（汞）。帕斯卡发展了现代科学中关于作用在物质上的物理力的概念，称为压力，如今以帕斯卡为单位测量。1 帕斯卡相当于 1 牛顿的力作用在 1 平方米的面积上。
有一个特别的实验让布莱兹·帕斯卡比其他任何实验都更加兴奋：在 1630 年代和 1640 年代，意大利进行了一系列实验，展示了水如何在密封的玻璃管内保持，即使它从底部打开并被允许流入一个盆地中。水不能全部流入盆地这一现象表明，某种压力将水向上保持在管子内部。埃万杰利斯塔·托里拆利是伽利略的学生，他认为空气有重量，并且向下压着盆地中的液体，阻止水从玻璃管中流出。托里拆利开始用一个装满水银而不是水的装置进行实验。水银的效果更好，因为使用水的实验需要非常长的管子（超过 10 米）和大的水盆才能进行。水银的效果很好，因为管子的长度可以很短，足以移动装置。托里拆利的这个新装置是第一个水银气压计。气压计测量的是大气从上面向下施加的压力或重量。托里拆利将大气看作是我们的头顶上的一片水洋，它会具有重量，而这厚厚的大气层会向下压着表面。大气压越高，水银在玻璃管中的高度就越高。
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布莱兹·帕斯卡想知道托里拆利是否正确，并很快想到一个想法来测试它。如果你爬上一座巨大的山，你头顶上的大气量就会减少，因此施加的压力也会减少，气压计中的水银高度也会比在山脚下的观测值低。帕斯卡不是登山者，也不是冒险家。他有两个姐妹，其中一个嫁给了名叫弗洛林·佩里埃的英俊男子。在夏季，帕斯卡说服了他的姐夫去攀登火山，多姆山，并沿途测量气压计管中水银的高度。佩里埃同意了，在 9 月，他爬上了山顶，记录了沿途水银的高度。与此同时，在山脚下附近，测量了第二台气压计中的水银高度。发现，当佩里埃越往上爬，水银的高度就越低，比山脚下的气压计低。帕斯卡对实验结果感到高兴，并证明了托里拆利是正确的；大气有重量，会向下压在地球表面。气压计很快就成为了一种新的科学工具，用于测量大气压（以及山的高度）。大气压随海拔升高而降低。你的海拔越高，大气压就越低。气体有重量，并由于大气的质量和地球的引力而向下压在地球表面。在地球表面海平面附近，大气施加的压力为 101,325 帕斯卡，相当于 1013.25 毫巴，或 101.325 千帕斯卡，或相当于水银测量的高度为 760 毫米（通常表示为 760 毫米汞柱）。
当一个充满氦气的气球在大气中上升时会发生什么？如果它向上升时，施加在它上面的压力减小，那么气球会发生什么？在压力较小的情况下，气球会随着它向上漂浮到大气中而膨胀，因为气球内部的气体会在压力较小的作用下占据更大的体积。最终，气球会被撑破或破裂，因为它被拉伸得更大。
当你快速越过山口开车或乘坐飞机时，你可能会感到不舒服，因为气压发生了变化。在你的耳朵里，中耳腔（包含锤骨、镫骨和砧骨）是一个充满空气的腔室。当大气压降低时，这个中耳腔会膨胀，它会向你的耳鼓施压，导致不适。一个由肌肉控制的小开口可以打开这个充满空气的腔室，以缓解这种不断增长的内部压力，但如果你患有感冒或鼻窦感染，这个开口可能会被粘液堵塞，这种情况会导致耳鼓破裂。
构成地球大气层的气体分子被大气压压缩，因此气体分子的密度随着你离地球表面越近而增加，离海平面越近而增加。气体被上面大气层的重量高度压缩，导致在地球表面附近的气体分子浓度最高。事实上，大气中一半的气体分子都位于海拔 5.5 公里或 18,045 英尺以下。这意味着在海拔 18,000 英尺的山顶上，每单位体积的氧分子数量几乎是海平面的一半。这就是为什么登山者攀登高山，如珠穆朗玛峰（海拔 29,000 英尺）时，会随身携带氧气罐。高原反应是由山区稀薄的空气引起的，这种空气是由较低的大气压和每单位体积的可用氧分子数量较少造成的。在海拔较高的山上徒步旅行，身体需要比在海平面徒步旅行时吸入更多的空气才能获得相同的氧气量。使用气压计测量大气压是天气预报中的重要工具。大气压在地球表面的不同地点以及不同时间会发生变化。等压线图是每天或每小时绘制的等压线图，显示了高压和低压的地理区域，因为大气分布会随着时间的推移而变化。地球表面记录到的最高气压为 108.48 千帕斯卡（在蒙古），最低记录值为 87.00 千帕斯卡（在 1979 年太平洋台风期间），相比之下，标准海平面大气压为 101.325 千帕斯卡。大气压在地球表面各处都有变化，对于天气预报至关重要。
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