Повітряну оболонку Землі називають атмосферою (у перекладі з грецької — «пара» і «сфера»).
Повітря, як і будь-які інші речовини, складається з молекул і атомів. Молекули й атоми мають масу, тому вони притягуються до Землі завдяки дії сили тяжіння.
Разом із тим величезна кількість молекул газів, що складають атмосферу, перебувають у неперервному хаотичному русі — весь час вони зіштовхуються, відскакують одна від одної, змінюють значення та напрямок швидкості свого руху... Через це вони не падають на Землю, а перебувають у просторі біля неї.
Інтерактивні симуляції "Фізика в школі" (Атмосфера Землі)
За підрахунками, атмосфера Землі має масу близько 5⋅1018 кг. Під дією сили тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на її нижні шари, тому повітряний шар навколо поверхні Землі стиснутий найбільше і, згідно із законом Паскаля, створює тиск на поверхню Землі й на всі тіла поблизу неї. Це і є атмосферний тиск (pатм).
Атмосферний тиск зумовлює існування всмоктування — підняття рідини за поршнем (у насосах, шприцах тощо). Якщо піднімати поршень, то атмосферний тиск, діючи на вільну поверхню рідини в посудині, нагнітатиме рідину вгору, в порожнечу під поршнем. Іззовні все має такий вигляд, наче рідина піднімається за поршнем сама по собі.
В середині XVII ст. у ході спорудження фонтанів у Флоренції зіткнулися з незрозумілим — виявилося, що вода, яку всмоктують насоси, не піднімається вище за 10,3 м. Ґалілео Ґалілей запропонував розібратися в цьому своїм учням — Еванджелісті Торрічеллі (1608-1647) і Вінченцо Вівіані (1622-1703). Розв’язуючи цю проблему, Торрічеллі вперше довів існування атмосферного тиску.
Для зручності проведення дослідів Е. Торрічеллі здогадався замінити воду рідиною зі значно більшою густиною. Скляну трубку завдовжки близько метра, запаяну з одного кінця, Торрічеллі доверху наповнив ртуттю. Потім, щільно закривши отвір, перевернув трубку, опустив її в чашу із ртуттю і відкрив отвір — частина рідини з трубки вилилася в чашу. У трубці залишився стовп ртуті приблизно 760 мм заввишки, а над ртуттю утворилася порожнеча.
Однорідна рідина в трубці та чаші не рухається, і це означає, що, згідно із законом Паскаля, тиск на поверхню ртуті з боку атмосфери і гідростатичний тиск стовпа ртуті в трубці є однаковими. Тобто тиск стовпа ртуті висотою 760 мм дорівнює атмосферному.
Тиск, який створює стовп ртуті висотою 760 мм, називають нормальним атмосферним тиском:
У даному випадку за одиницю атмосферного тиску прийнято один міліметр ртутного стовпа (1 мм рт. ст.).
Подамо нормальний атмосферний тиск в одиницях СІ — паскалях.
Гідростатичний тиск обчислюють за формулою: р = ρgh.
Ураховуючи, що густина ртуті ρрт = 13 600 кг/м3, g = 9,8 H/кг, а висота стовпа ртуті h = 0,76 м, маємо:
У фізиці й техніці також використовують позасистемну одиницю атмосферного тиску — фізичну атмосферу (1 атм). Одна фізична атмосфера дорівнює нормальному атмосферному тиску:
Барометр Торрічеллі є доволі точним приладом, але великий розмір, отруйні пари ртуті та скляна трубка роблять його незручним для повсякденного використання. Тому сьогодні частіше застосовують так звані барометри-анероїди — прилади для вимірювання атмосферного тиску, які діють без допомоги рідини.
Зміна атмосферного тиску приводить до зміни сили, яка стискає стінки коробочки. Відповідно, змінюється й вигин цих стінок, що спричиняє рух стрілки.
Покази барометра змінюються в разі зміни погоди. Зазвичай атмосферний тиск перед негодою падає, а перед сонячною погодою зростає.
Проте покази барометра залежать не тільки від погоди, а й від висоти місця спостереження над рівнем моря. Чим вище, тим меншим є атмосферний тиск. Поблизу поверхні Землі через кожні 11 м висоти тиск меншає приблизно на 1 мм рт. ст.
Завдяки тому що атмосферний тиск залежить від висоти, барометр можна проградуювати так, щоб за тиском повітря визначати висоту. Так було винайдено альтиметр — прилад для вимірювання висоти.
Інтерактивні симуляції "Фізика в школі" (Атмосферний тиск - Висота над рівнем моря)