地球/4e. 布萊茲·帕斯卡和他的氣壓計
1647 年，居住在法國巴黎的布萊茲·帕斯卡是數學領域的天才，也是第一臺機械計算器的發明者，他對一場偉大的科學辯論產生了興趣。一些科學家認為，完全的真空是不可能的。這些科學家暗示，不可能從一個密封的玻璃容器中去除所有物質，包括氣體。無論你從玻璃容器中吸出多少氣體，裡面總會殘留一些物質。布萊茲·帕斯卡認為這個想法是錯誤的。真空是可能的，因此他寫了一本關於這個主題的小冊子，名為Expériences nouvelles touchant le vide，或關於真空的新實驗。在整本書中，帕斯卡描述了使用管子、注射器、風箱和虹吸管進行的實驗，使用了各種液體，包括水銀（汞）。帕斯卡發展了現代科學中關於作用在物質上的物理力的概念，稱為壓力，如今以帕斯卡為單位測量。1 帕斯卡相當於 1 牛頓的力作用在 1 平方米的面積上。
有一個特別的實驗讓布萊茲·帕斯卡比其他任何實驗都更加興奮：在 1630 年代和 1640 年代，義大利進行了一系列實驗，展示了水如何在密封的玻璃管內保持，即使它從底部開啟並被允許流入一個盆地中。水不能全部流入盆地這一現象表明，某種壓力將水向上保持在管子內部。埃萬傑利斯塔·托里拆利是伽利略的學生，他認為空氣有重量，並且向下壓著盆地中的液體，阻止水從玻璃管中流出。托里拆利開始用一個裝滿水銀而不是水的裝置進行實驗。水銀的效果更好，因為使用水的實驗需要非常長的管子（超過 10 米）和大的水盆才能進行。水銀的效果很好，因為管子的長度可以很短，足以移動裝置。托里拆利的這個新裝置是第一個水銀氣壓計。氣壓計測量的是大氣從上面向下施加的壓力或重量。托里拆利將大氣看作是我們的頭頂上的一片水洋，它會具有重量，而這厚厚的大氣層會向下壓著表面。大氣壓越高，水銀在玻璃管中的高度就越高。
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布萊茲·帕斯卡想知道托里拆利是否正確，並很快想到一個想法來測試它。如果你爬上一座巨大的山，你頭頂上的大氣量就會減少，因此施加的壓力也會減少，氣壓計中的水銀高度也會比在山腳下的觀測值低。帕斯卡不是登山者，也不是冒險家。他有兩個姐妹，其中一個嫁給了名叫弗洛林·佩裡埃的英俊男子。在夏季，帕斯卡說服了他的姐夫去攀登火山，多姆山，並沿途測量氣壓計管中水銀的高度。佩裡埃同意了，在 9 月，他爬上了山頂，記錄了沿途水銀的高度。與此同時，在山腳下附近，測量了第二臺氣壓計中的水銀高度。發現，當佩裡埃越往上爬，水銀的高度就越低，比山腳下的氣壓計低。帕斯卡對實驗結果感到高興，並證明了托里拆利是正確的；大氣有重量，會向下壓在地球表面。氣壓計很快就成為了一種新的科學工具，用於測量大氣壓（以及山的高度）。大氣壓隨海拔升高而降低。你的海拔越高，大氣壓就越低。氣體有重量，並由於大氣的質量和地球的引力而向下壓在地球表面。在地球表面海平面附近，大氣施加的壓力為 101,325 帕斯卡，相當於 1013.25 毫巴，或 101.325 千帕斯卡，或相當於水銀測量的高度為 760 毫米（通常表示為 760 毫米汞柱）。
當一個充滿氦氣的氣球在大氣中上升時會發生什麼？如果它向上升時，施加在它上面的壓力減小，那麼氣球會發生什麼？在壓力較小的情況下，氣球會隨著它向上漂浮到大氣中而膨脹，因為氣球內部的氣體會在壓力較小的作用下佔據更大的體積。最終，氣球會被撐破或破裂，因為它被拉伸得更大。
當你快速越過山口開車或乘坐飛機時，你可能會感到不舒服，因為氣壓發生了變化。在你的耳朵裡，中耳腔（包含錘骨、鐙骨和砧骨）是一個充滿空氣的腔室。當大氣壓降低時，這個中耳腔會膨脹，它會向你的耳鼓施壓，導致不適。一個由肌肉控制的小開口可以開啟這個充滿空氣的腔室，以緩解這種不斷增長的內部壓力，但如果你患有感冒或鼻竇感染，這個開口可能會被粘液堵塞，這種情況會導致耳鼓破裂。
構成地球大氣層的氣體分子被大氣壓壓縮，因此氣體分子的密度隨著你離地球表面越近而增加，離海平面越近而增加。氣體被上面大氣層的重量高度壓縮，導致在地球表面附近的氣體分子濃度最高。事實上，大氣中一半的氣體分子都位於海拔 5.5 公里或 18,045 英尺以下。這意味著在海拔 18,000 英尺的山頂上，每單位體積的氧分子數量幾乎是海平面的一半。這就是為什麼登山者攀登高山，如珠穆朗瑪峰（海拔 29,000 英尺）時，會隨身攜帶氧氣罐。高原反應是由山區稀薄的空氣引起的，這種空氣是由較低的大氣壓和每單位體積的可用氧分子數量較少造成的。在海拔較高的山上徒步旅行，身體需要比在海平面徒步旅行時吸入更多的空氣才能獲得相同的氧氣量。使用氣壓計測量大氣壓是天氣預報中的重要工具。大氣壓在地球表面的不同地點以及不同時間會發生變化。等壓線圖是每天或每小時繪製的等壓線圖，顯示了高壓和低壓的地理區域，因為大氣分佈會隨著時間的推移而變化。地球表面記錄到的最高氣壓為 108.48 千帕斯卡（在蒙古），最低記錄值為 87.00 千帕斯卡（在 1979 年太平洋颱風期間），相比之下，標準海平面大氣壓為 101.325 千帕斯卡。大氣壓在地球表面各處都有變化，對於天氣預報至關重要。
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