美丽而又千变万化的地球大气

  从宇宙空间看到的地球,包围在地球外部的一层美丽而又千变万化的气体,总称为大气或大气层。大气层以地球的水陆表面为其下界,称为大气层的下垫面。不要小看这句话,这句话是人类对大气思索,设计实验,野外观测和发展探测技术的历史的总结。

亚里斯多德的猜想与伽利略的设想

    古希腊哲学家亚里斯多德曾经猜想:我们这个世界是由四个壳层组成的,而这四个壳层又分别由四种原质构成,它们是:土(实心球),水(海洋),空气(大气)和火(一个不可见的外层,在闪电的闪光中,它偶而成为可见的)。他说,这些壳层之外的宇宙是由神秘的、纯粹的第五种原质构成,他把它叫做“以太”。在这样一幅图象之中,是没有“真空”(即“无物”)的位置的:在土的尽头,水就开始出现;土和水的尽头,气开始出现;火开始于气的尽头;而在火的尽头,以太又紧接着开始出现,它一直延续到宇宙的终级。

    “大自然厌恶真空。”─古代的哲学家们就是这样说的。水压机看来正是大自然厌恶真空的极好的例证。在水压机的把手被压下去时,活塞就被提起来,从而在圆筒的下半部分留下一段真空。但由于大自然厌恶真空,所以周围的水会打开筒底的一个单向阀门,涌入真空。重复进行这种运作,就会把筒内的水越提越高,直到它从泵口流出。根据亚里斯多德的学说,应该用这个方法把水提到任意高度的。

    但是那些不得不把水从矿坑底部汲上来的矿工们却发现,无论花费多大的努力和多长的时间,都不可能把水汲到离原来水面10米以上。

    伽利略的探索的一生的晚年,对这个谜感到兴趣。显然,大自然对真空的厌恶只是到一定的限度为止,除此之外,他不可能再得出任何结论了。他怀疑如果使用密度比水大的液体,这个限度会低一些,但他没有来得及做这个实验就死了。

托里拆利、维瓦尼的实验与气压计

    伽利略的学生托里拆利(Evangelista Torricelli)和维瓦尼(Vincenzo Viviani)在1644年真的进行了这个实验。他们选用了汞(汞的密度是水的13.5倍)。他们在一根约一米长的玻璃管里灌满汞,把开口的一端塞住,侄过来立在盛汞的盘中,然后拿开塞子。这时汞开始从管子流到盘里,但当管内汞面降低到比盘内汞面只高760毫米时,汞就不再从管里流出,而一直保持这个高度了。第一个“气压计”就是这样做成的。

    现代的水银气压计同它并没有本质的差别。
    是什么使汞柱保持一定的高度呢?维瓦尼提出,这是由于大气的重量向下压在盘中的液体上。这是一个具有革命性的思想,因为按照亚里斯多德的概念,空气是没有重量的,它只不过在土球的外面占有它自己固有的范围。但是现在人们开始明白,10米高的水柱或760毫米高的汞柱为大气的重量提供了一个量度,也就是说,这水柱或汞柱的重量就等于截面与之相同、高度为从海平面到大气顶部这样一个空气柱的重量。如果空气具有有限的重量,大气就一定会有有限的高度。这样,如果在大气层的各个高度上密度处处相同的话,大气层的高度就恰好是8公里左右

  提问:你认为大气高度是8公里吗?

玻意耳、巴斯卡的实验与大气压

    但是,1662年玻意耳证明,情况不可能是这样,因为压力会使空气的密度增大。玻意耳把一个J形管子直立起来,J形管较高的一端是敞口的,从这个口倒进一些汞,汞就会把小量的空气囚锢在较矮一边的封闭端内。当他再多灌入一些汞时,那个空气包就收缩。玻意耳发现,与此同时,它的压强增大了,这是因为观察到当汞越来越重时,空气包的收缩却越来越少。根据实际测量,玻意耳证明,气体体积减小一半,压强就增大一倍。

    由于空气受压时会收缩,所以在海平面上空气一定最稠密,而沿着指向大气层顶部的方向,随着高层空气重量的减小,空气变得愈来愈稀薄,法国数学家巴斯卡(Blaise Pascal)第一个证实了这个情况,1648年,他让他的姻兄弟帕瑞(Florin Perier)带着一个气压计登上一座高约1.5公里的山,并请他在登高时随时注意气压计中汞柱高度下降的情况。

近代对高空大气的探索

    理论计算表明,如果温度在整个高度上处处相同,那么,高度每增加公里,空气压强就将减小为原来的1/10。换句话说,在19公里的高空,空气所能支持的汞柱高度将从760毫米降低为76毫米;在38公里的高空,将降低为7.6毫米;而在57公里的高空,将降低为0.76毫米,等等。在170公里的高空,空气压强就会仅仅相当于0.000000076毫米汞柱。

    实际上,所有这些数字都只是近似的,因为空气的温度是随高度而变化的。不过,这些数字确实能使图象变得清楚一些,而且我们可以看到,大气层并没有明确的边界,它只是逐渐稀薄下去,一直到变成几乎一无所有的宇宙空间。人们曾经探测到160公里高空处的陨星光迹,那里的大气压只有地球表面的几百分之一,而空气的密度却只有十亿分之一。但这一点点空气就足以使它们那一点点物质因摩擦而燃烧到白炽。由于受到外层空间高速粒子的轰击而发出冷辉光的气体所形成的极光棗北极光,则位于海平面以上800-1000公里的高空。

    直到十八世纪末期,人们所能接触的高层大气似乎还从未超过高山的山顶。1892年设计出了带有仪器、无人乘坐的气球,这些气球能够上升得更高,从过去从未探索过的高空气层带回那里大气的温度和压强的情报。

现在用的气象电码式探空仪及其探空气球

    在离地只有几公里的空中,正象人们所预料的,温度逐渐下降。在11公里左右的高空,温度为-55℃.但是,再往上去情况就令人惊奇了。在这个高度以上温度并不降低,事实上它甚至还略有升高。

    人类用平流层气球和探空火箭进一步认识了10公里以上的地球大气。

平流层气球和探测更高高度所用的探空火箭

    上述工具帮助人类认识地球大气的成分和结构。