空氣究竟有多重

□文/華騰飛

供圖/視覺中國

水是人們的生命之源，空氣則是人們的生命之本，因此我們的日常生活每時每刻都離不開空氣和水。在人們的印象之中，由于空氣虛無縹緲，是看不見、摸不著且無色、無味、透明的氣體，好像沒有質量一樣。其實，事實并非如此。說起來你可能不相信，空氣不僅有質量，而且空氣的質量還大到了讓人們驚訝的程度呢！

同學們可以用學過的物理知識考慮下面這樣一個有趣又實在的問題：在地球表面附近取邊長為10 米的正方形，以這個正方形為底的大氣柱的重力是多少呢？不算不知道，算后真的會嚇你一跳啊！

對于這個非常有趣的問題，有些同學可能是這樣考慮的：用大氣柱的高度乘以其底面積就是大氣柱的體積，再用大氣柱的體積乘以大氣密度即可得大氣柱的質量，然后再由重力與質量的關系公式G=mg，便可求出大氣柱的重力了。

上面的思路當然看上去有一定的道理，不過如果照此思路來處理，則有兩個問題很不容易確定。一個問題是，大氣柱的高度究竟是多少？過去人們認為大氣層的厚度約為800 千米，可后來探測到距離地面1 000～2 000 千米的高度仍存在空氣，只不過空氣變得稀薄了而已。近三四十年來，根據人造衛星探測的結果，在2 000～3 000 千米的高空，依然可以找到氣體分子。由此可見，大氣柱的確切高度至少目前來說還是難以確定的。另一個問題是，大氣層中空氣的密度并不是固定不變的，它會隨著高度的變化而變化。越靠近地面的地方，空氣越稠密；越到高空，空氣越稀薄。也就是說，隨著高度的增加，空氣的密度是逐漸減小的。由此看來，大氣柱的密度值也是難以確定的。

由于存在上述兩個難以確定的問題，看來想求解空氣的重力大小，此路顯然是行不通的。那么，有沒有其他既可行又簡便的求大氣重力的方法呢？答案當然是肯定的，只要我們改變思路，還是可以找到解決這個問題的簡單方法。事實上，我們只要運用八年級物理中的壓強知識，就可以求出大氣柱的重力。

供圖/視覺中國

大家都熟知：物體單位面積上受到的壓力（F），叫作壓強（p）。于是，大氣柱對水平地面的壓力在數值上等于大氣的重力。故此有G=F=pS，式中S為正方形的面積，p為大氣柱對地面的壓強，它的數值可以用氣壓計較為準確地測出來。

在上述問題中，若取大氣壓為1 個標準大氣壓，即1.013×105帕，這樣就能很容易地求出大氣柱的重力為：G=F=pS=1.013×105牛/ 米2×10 米×10米=1.013×107牛。

采用同樣的方法，我們可以求出地球周圍整個大氣層的重力，不過這需要滿足以下兩點假設：一是地球表面各處的大氣壓值要相同（都是1.013×105帕）；二是地球要是一個標準球體（地球的半徑通常取R=6 400 千米）。由球的表面積公式S=4πR2，大氣層對整個地球表面的壓力在數值上等于整個大氣層的重力，所以有G=F=p·4πR2，據此代入已知數值，很容易求出大氣層的重力約為5.1×1019牛。這個數值是非常大的（地球大氣的質量約為6 000 萬億噸，地球質量約為60 萬億億噸，因此地球大氣質量約為地球質量的百萬分之一）。

對于如此巨大的數字，如果沒有一定的物理知識是很難求出來的。不過，要請同學們注意的是：由于地球是不規則球體，并且各地的大氣壓也是各不相同的（雖然差異不是很大），因而上面求得的結果只是一個近似值。雖然是近似值，但是我們從中找到了解決問題的簡單方法，這不僅體現了物理知識的有趣，也體現了物理知識的有用。

由此可見，我們在學習知識的過程中，不僅要善于動腦，還要能夠進行科學探究，進而拓展思路。開放想象思維，就一定能夠找到解決疑難問題的簡單方法。