地球星球/4e. 布莱斯·帕斯卡和他的气压计
1647 年，布莱斯·帕斯卡居住在法国巴黎，是一位著名的数学天才，也是第一台机械计算器的发明者，当时他对一场伟大的科学辩论产生了兴趣。一些科学家认为，一个*完全*真空是不可能的。这些科学家暗示，从一个密封的玻璃容器中去除所有物质的证据，包括气体，是不可能的。无论你从玻璃容器中吸出多少气体，里面都会留下一些物质。布莱斯·帕斯卡认为这个观点是错误的。真空*是*可能的，因此他写了一本关于该主题的小册子，题为Expériences nouvelles touchant le vide，或真空的新实验。在整本书中，帕斯卡描述了使用各种液体（包括水银）进行管道、注射器、风箱和虹吸管的实验。帕斯卡发展了现代科学对作用于物质的物理力的概念，称为压力，如今用帕斯卡为单位测量。一个帕斯卡相当于作用在一个平方米面积上的一个牛顿力。
有一个特定的实验让布莱斯·帕斯卡比任何其他实验都兴奋：在 1630 年代和 1640 年代，意大利进行了一系列实验，这些实验表明水即使从底部打开并允许流入盆地，也能停留在密封的玻璃管内。这种无法将所有水排入盆地的现象表明，一些压力正在支撑管内的水。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，并向下推压盆地中的液体，从而阻止水从玻璃管中流出。托里拆利开始使用一个装满水银而不是水的装置进行实验。水银效果更好，因为用水进行的实验需要非常长的管子（超过 10 米）和大的水盆才能工作。水银效果很好，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。气压计测量大气向下推压的压力或重量。托里拆利将大气看作我们头顶上的一片水海洋，它会具有重量，而这层厚厚的气体大气会向下推压表面。大气压或重量越大，玻璃管中的水银就越高。
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布莱斯·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。如果你爬一座巨大的山，你上面的大气量就会减少，因此施加的压力也会减少，气压计中的水银会比在山脚下观察到的水银低。帕斯卡既不是登山者也不是冒险家。他有两个姐姐，其中一个嫁给了名叫弗洛林·佩里埃的英俊男子。在夏天，帕斯卡说服他的姐夫徒步前往火山顶峰，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，他徒步前往山顶，记录沿途水银的高度。同时，在山脚下附近，测量了第二个气压计中水银的高度。发现随着佩里埃越爬越高，与山脚下的气压计相比，水银的水平越低。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，它向下压在地球表面。气压计很快成为一种新的科学工具，用于测量大气压力（以及山的高度）。大气压力随海拔升高而降低。你所处的海拔越高，大气压力就越低。气体有重量，并且由于大气质量和地球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，或相当于测量到 760 毫米高的水银（通常表示为 760 毫米汞柱）。
充氦气球在上升到大气中会发生什么？如果它上升时施加的压力更小，气球会发生什么？在压力较小的环境下，气球会膨胀，因为它向上漂浮到大气中，因为气球内部的气体将在压力较小的环境下填充更大的体积。最终，气球会爆裂或破裂，因为它被拉伸得更大了。
当你快速驾车穿过山区隘口，或乘坐飞机时，你可能会因为这种压力变化而感到不舒服。在你的耳朵内，中耳腔（包含镫骨、锤骨和砧骨）是一个充满空气的腔室。随着大气压力的降低，这个中耳腔可能会膨胀，通过向你的耳膜施加压力，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上升的内部压力，但如果你患有感冒或鼻窦感染，这个开口可能会被粘液阻塞，这种状况会导致耳膜破裂。
构成地球大气的气体分子被大气压力压缩，使得气体分子密度随着你离地球表面越近而增加，并且随着你离海平面越近而增加。气体被上面大气的重量高度压缩，导致地球表面附近的气体分子浓度最高。事实上，大气中的一半气体分子位于 5.5 公里或 18,045 英尺的海拔以下。这意味着，在海拔 18,000 英尺的山顶上，每体积氧分子比海平面附近少近一半。这就是为什么登山者攀登珠穆朗玛峰（高 29,000 英尺）等高山时会随身携带氧气罐。导致高原反应的是山上的稀薄空气，这是由大气压力的降低和每体积可用的氧气分子减少造成的。与海平面的徒步旅行相比，在高山上徒步旅行需要更多呼吸才能使身体获得相同数量的氧气。使用气压计测量大气压力是天气预报的重要工具。大气压力在地球表面的不同地方以及随着时间的推移而变化。等压线图是由等大气压等值线组成的每日到每小时图，显示高压区和低压区，因为大气的分布会随着时间的推移而变化。地球表面记录的最高压力为 108.48 千帕（在蒙古），记录的最低值为 87.00 千帕（1979 年太平洋台风期间），而标准海平面大气压力为 101.325 千帕。大气压力在地球表面变化，并且对天气预报很重要。
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