О том, что воздух имеет вес, в наше время, пожалуй, знают все. Впервые это было установлено в XVII веке великим итальянским ученым Галилеем. Галилей решил посмотреть, не изменяется ли вес наполненной воздухом бутылки при нагревании. Проделав этот простой опыт, ученый увидел, что нагретая бутылка весит меньше, чем холодная.

Галилей дал правильное объяснение этому явлению. Очевидно, решил он, воздух имеет вес. При нагревании бутылки находящийся в ней воздух расширился, часть его вышла наружу, и вес нагретой бутылки уменьшился.

Так было опровергнуто прежнее, неправильное мнение о невесомости воздуха.

Но если воздух имеет вес, он должен оказывать давление на все предметы, находящиеся на Земле. Каково же это давление? Чему оно равняется?

Этим вопросом занимался ученик Галилея Торричелли. Он проделал такой опыт. Взяв длинную, около одного метра, запаянную с одного конца стеклянную трубку, Торричелли наполнил ее ртутью и, перевернув, опустил открытым концом в сосуд с ртутью. При этом немного ртути вылилось из трубки в сосуд, но большая ее часть осталась в трубке — на уровне около 76 сантиметров.

Что-то помешало всей ртути вылиться из трубки в сосуд. Торричелли правильно предположил, что причиной служит давление воздуха на поверхность ртути, налитой в сосуд. Это давление уравновешивается весом ртути, оставшейся в трубке.

Открытие Торричелли было подтверждено новыми опытами, которые были проделаны по просьбе известного французского ученого Паскаля его родственником Перье.

Город, в котором жил Перье, был расположен около горы. Перье решил проверить давление воздуха на различной высоте. Опыт показал, что на вершине горы высота столбика ртути в трубке меньше, чем внизу.

Для ученых стало ясно, что это явление связано с давлением воздуха. Внизу, у поверхности земли, воздух давит с большей силой, чем на вершине горы; слой всего атмосферного воздуха, давящего на предметы, на уровне вершины горы тоньше, чем на уровне ее подножья.

Опытами Перье было окончательно доказано, что воздух имеет вес и давит на все окружающие нас тела.

Теперь мы знаем, что вес одного кубического метра воздуха у земной поверхности равен 1,293 килограмма. На высоте 12 километров этот вес уменьшается до 319 граммов, а на высоте 40 километров кубический метр воздуха весит всего 4 грамма. У поверхности земли, где воздух наиболее плотен и тяжел, он в 770 раз легче воды. Это значит, что воздух, содержащийся в литровой бутылке, весит примерно столько же, сколько весит вода в наперстке.

Наглядно убедиться в давлении воздуха можно на очень простом опыте. Налейте в стакан с ровными краями воды до самого верха, покройте его листом бумаги и, придерживая лист рукой, быстро переверните стакан. Теперь вы можете отнять от бумаги руку, вода из стакана не выльется. Лист бумаги как бы прилипнет к стакану. Это объясняется тем, что воздух давит на бумагу и крепко прижимает ее к краям стакана. Давление воды в стакане на бумажный лист меньше, чем давление наружного воздуха.

Наглядно показывает давление воздуха и следующий пример. Положите на стол лист газеты так, чтобы край его совпадал с краем стола, а под этот лист, «в его середине,— обычную деревянную чертежную линейку (примерно на 2/3 ее длины). Если теперь «вы ударите по концу линейки, то вы увидите, что лист почти не тронется с места, а линейка при сильном ударе может даже переломиться. Причина здесь та же: воздух, давящий на лист газеты, прижимает его к столу так, что удар по линейке должен преодолеть не только вес самого листа, но и вес давящего на лист воздуха.

Давление воздуха измеряется с помощью особых приборов — барометров. Первым таким прибором была, по существу, трубка Торричелли. Если позади нее поставить шкалу, разделенную на миллиметры, то давление воздуха можно измерять по высоте ртутного столба в трубке, или, как говорят, «в миллиметрах ртутного столба» (в мм рт. ст.). Этот прибор получил название ртутного барометра.

В настоящее время в метеорологии величину давления воздуха обычно выражают не высотой ртутного столба, а в особых единицах давления — миллибарах. Один миллибар (сокращённо мб) примерно равен тому давлению, которое оказывает тело весом 1 грамм на поверхность в один квадратный сантиметр. Миллибар равен приблизительно 0,75 мм рт. ст.

Часто атмосферное давление измеряют с помощью так называемого барометра-анероида — полой металлической коробки, из которой выкачан воздух. В зависимости от величины давления наружный воздух сжимает стенки коробки то с большей, то с меньшей силой. С помощью рычажков это передается стрелке, которая и показывает на шкале величину атмосферного давления.

Существует и такой прибор, который непрерывно автоматически записывает на бумажной ленте изменения давления воздуха; его называют барографом.

В физике единицей давления является так называемая физическая атмосфера. Это — давление воздуха на широте 45 градусов, на уровне моря при 0 градусов Цельсия. Для такого давления высота столбика ртути с площадью поперечного сечения в 1 квадратный сантиметр составляет 760 миллиметров. Такое давление принято считать нормальным атмосферным давлением.

Отсюда мы можем узнать величину атмосферного давления на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли. Давление воздуха на один квадратный сантиметр земной поверхности будет равно весу столбика ртути с площадью поперечного сечения в 1 квадратный сантиметр и высотой в 760 миллиметров. Этот вес равен 1,033 килограмма.

Если теперь мы рассчитаем, какое давление воздуха испытывает поверхность человеческого тела, то полученные цифры покажутся неправдоподобно большими.

Поверхность тела человека среднего роста равна примерно 15 000 квадратных сантиметров. Следовательно, она должна испытывать давление в 15 500 килограммов, т. е. более 15 тонн. На ладонь человека, площадь которой равна примерно 150 квадратным сантиметрам, воздух давит с силой 150 килограммов, а это вес двух взрослых человек.

Мы не ощущаем такого огромного давления потому, что давление воздуха внутри нашего тела равно атмосферному и тем самым оно уравновешивает внешнее давление. Организм человека и животных приспособлен к такому давлению воздуха.

Если наружное давление воздуха понижается более чем вдвое, воздух, находящийся внутри тела человека или животного, начинает его раздувать. Кожа при этом может трескаться и кровоточить. Человек испытывает головокружение и часто теряет сознание. Вот почему на современных высотных самолетах кабины летчика и пассажиров делаются непроницаемыми для воздуха; в них искусственно поддерживается давление, близкое к давлению у поверхности Земли.

На высоте 15 километров наибольшая разность давлений снаружи и внутри кабины достигает 0,91 килограмма на квадратный сантиметр. А это значит, что, например, дверца кабины высотой 1,5 метра, шириной 60 сантиметров, т. е. площадью в 9000 квадратных сантиметров, будет испытывать давление 0,91 X 9000 = 8190 килограммов, т. е. больше 8 тонн. При такой нагрузке двери и окна кабины должны быть сделаны из особо прочных материалов.

Мы можем подсчитать и вес всей земной атмосферы. Поверхность Земли равна 510 миллионам квадратных километров. Каждый квадратный километр испытывает давление в 10 130 000 тонн. Значит, вся атмосфера весит более 5 квадриллионов (5 000 000 000 000 000) тонн.

Кстати, это не так уж много по сравнению со всей массой Земли, всего одна ее миллионная часть.

Так как нижние слои воздуха значительно плотнее верхних (на нижние слои давят верхние), то основная часть веса атмосферы сосредоточена внизу, ближе к земной поверхности. До высоты 5 километров расположена половина веса всей атмосферы, а выше 15 километров остается всего 0,1 ее веса.