空气究竟有多重

华腾飞

水是人们的生命之源，空气则是人们的生命之本，因此我们的日常生活每时每刻都离不开空气和水。在人们的印象之中，由于空气虚无缥缈，是看不见、摸不着且无色、无味、透明的气体，好像没有质量一样。其实，事实并非如此。说起来你可能不相信，空气不仅有质量，而且空气的质量还大到了让人们惊讶的程度呢！

同学们可以用学过的物理知识考虑下面这样一个有趣又实在的问题：在地球表面附近取边长为10 米的正方形，以这个正方形为底的大气柱的重力是多少呢？不算不知道，算后真的会吓你一跳啊！

对于这个非常有趣的问题，有些同学可能是这样考虑的：用大气柱的高度乘以其底面积就是大气柱的体积，再用大气柱的体积乘以大气密度即可得大气柱的质量，然后再由重力与质量的关系公式G = mg，便可求出大气柱的重力了。

上面的思路当然看上去有一定的道理，不过如果照此思路来处理，则有两个问题很不容易确定。一个问题是，大气柱的高度究竟是多少？过去人们认为大气层的厚度约为800 千米，可后来探测到距离地面1 000～2 000 千米的高度仍存在空气，只不过空气变得稀薄了而已。近三四十年来，根据人造卫星探测的结果，在2 000～3 000 千米的高空，依然可以找到气体分子。由此可见，大气柱的确切高度至少目前来说还是难以确定的。另一个问题是，大气层中空气的密度并不是固定不变的，它会随着高度的变化而变化。越靠近地面的地方，空气越稠密；越到高空，空气越稀薄。也就是說，随着高度的增加，空气的密度是逐渐减小的。由此看来，大气柱的密度值也是难以确定的。

由于存在上述两个难以确定的问题，看来想求解空气的重力大小，此路显然是行不通的。那么，有没有其他既可行又简便的求大气重力的方法呢？答案当然是肯定的，只要我们改变思路，还是可以找到解决这个问题的简单方法。事实上，我们只要运用八年级物理中的压强知识，就可以求出大气柱的重力。

大家都熟知：物体单位面积上受到的压力（F），叫作压强（p）。于是，大气柱对水平地面的压力在数值上等于大气的重力。故此有G=F=pS，式中S 为正方形的面积，p 为大气柱对地面的压强，它的数值可以用气压计较为准确地测出来。

在上述问题中， 若取大气压为1 个标准大气压， 即1.013×10⁵帕， 这样就能很容易地求出大气柱的重力为：G=F=pS=1.013×10⁵牛/ 米²×10 米×10米=1.013×10⁷牛。

采用同样的方法，我们可以求出地球周围整个大气层的重力，不过这需要满足以下两点假设：一是地球表面各处的大气压值要相同（ 都是1.013×10⁵帕）； 二是地球要是一个标准球体（地球的半径通常取R = 6 400 千米）。由球的表面积公式S=4πR²，大气层对整个地球表面的压力在数值上等于整个大气层的重力，所以有G=F=p·4πR²，据此代入已知数值，很容易求出大气层的重力约为5.1×10¹⁹牛。这个数值是非常大的（地球大气的质量约为6 000 万亿吨，地球质量约为60 万亿亿吨，因此地球大气质量约为地球质量的百万分之一）。

对于如此巨大的数字，如果没有一定的物理知识是很难求出来的。不过，要请同学们注意的是：由于地球是不规则球体，并且各地的大气压也是各不相同的（虽然差异不是很大），因而上面求得的结果只是一个近似值。虽然是近似值，但是我们从中找到了解决问题的简单方法，这不仅体现了物理知识的有趣，也体现了物理知识的有用。

由此可见，我们在学习知识的过程中，不仅要善于动脑，还要能够进行科学探究，进而拓展思路。开放想象思维，就一定能够找到解决疑难问题的简单方法。

（责任编辑：白玉磊）