Почему давление воздуха на Земле постоянно меняется?

Когда люди устроили барометр, они заметили, что давление воздуха даже на одном месте постоянно меняется; например, в сутки оно может два раза то увеличиваться, то уменьшаться. Значит, давление воздушного слоя над барометром не бывает всегда одинаково. Но оказалось, что в то время как в одних местах давление воздуха уменьшается, в других оно увеличивается и наоборот. При этом общее количество воздуха, окружающего Землю, остается тем же самым.

Если весь этот воздух собрать в шар, то он будет весить столько же, сколько весит шар ртути в 250 верст в окружности. Как велик будет такой шар воздуха, можно судить по тому, что ртуть в 13 с лишком раз тяжелее воды, а вода в 770 раз тяжелее воздуха. Если бы эту ртуть разлить по земле ровным слоем, то она всю землю покрыла бы слоем такой же толщины, как высота ртутного столба в барометре.

Но почему же давление воздуха в одном и том же месте не остается одинаковым, а постоянно меняется? Ведь толщина воздушного слоя над землей всегда одна и та же?

Воздух от нагревания расширяется

Чтобы понять это, навяжите на горлышко бутылки резиновый шар и нагревайте эту бутылку. Вы сейчас увидите, как резиновый шарик начнет раздуваться. Значит, давление воздуха внутри бутылки увеличилось, так как воздух расширяется, и, расширяясь, растягивает стенки шарика. Воздуха внутри бутылки не стало больше; он только расширился и поэтому занял больше места. Значит, если бутылку нагревать, не закупорив ее, то часть воздуха из нее выйдет. В ней останется воздуха меньше, чем было раньше. Понятно, что и вес оставшегося воздуха будет меньше.

Предположим теперь, что над одним и тем же барометром стоит то более теплый, то более холодный слой воздуха. Хотя толщина этих слоев будет одинакова, но тяжесть их различна; теплый слой легче, и давить на ртуть барометра он будет слабее.

Теперь вы видите, что и при одинаковой высоте воздушного столба над барометром давление его может быть различно. Помните только, что теплый воздух легче холодного, но если ему не давать расширяться, то он давит сильнее.

Как можно устроить воздушный градусник

Как воздух, так и твердые тела и жидкости при нагревании расширяются, а при остывании сжимаются. Этим-то люди и воспользовались для устройства градусника. Рассмотрите как-нибудь при случае комнатный градусник. В стеклянном шарике его налита ртуть. От шарика кверху идет тонкая стеклянная трубка. Когда в воздухе делается теплее, ртуть нагревается и поэтому расширяется. Расширяясь, она поднимается по трубке кверху. С боку трубки на доске градусника написаны цифры. Если градусник опустить в воду со льдом, ртуть остановится на цифре 0; если его опустить в кипящую воду, ртуть поднимется по трубке до цифры 100. Значит, лед тает при 0 °C, а вода кипит при 100.

Спиртовой термометр

Воздушный термометр

Вы сами можете устроить градусник, только не ртутный, а воздушный. Устройте его так, как изображено на рисунке. Для этого вам придется достать очень маленький стеклянный пузырек с тонкими стенками и длинную стеклянную трубку. Эту трубку можно согнуть, сильно разогрев ее (от нагревания стекло делается мягким). Согните ее в два колена, как показано на рисунке. Просуньте короткий конец согнутой трубки через отверстие в пробке пузырька, а длинный конец привяжите к дощечке с делениями. Прежде чем запереть пузырек пробкой с трубкой, впустите в нее каплю масла. Если вы будете осторожно дуть в тот или другой конец трубки, то можете заставить каплю остановиться как раз посередине длинного колена трубки. Теперь все готово!.. Закупорьте пузырек плотнее пробкой, в которую вставлен кончик трубки, и залейте эту пробку воском. Когда в комнате станет теплее, воздух в пузырьке расширится и погонит каплю масла кверху; если же станет холоднее, то воздух сожмется, и капелька масла опустится.

О том, как теплый воздух поднимается кверху

Итак, от теплоты воздух расширяется. Расширяясь, воздух делается легче и поднимается кверху. Свое тепло воздух получает от земли: нагретая солнцем земля нагревает и воздух. В жаркий летний день теплые воздушные струйки безостановочно тянутся кверху. Когда-нибудь в знойный день, после полудня, присядьте в поле на теплую землю и смотрите по земле вдаль. Вам покажется, что и деревья, и дома, и все предметы, стоящие на краю поля, дрожат и волнуются. Они как будто сделаны из какого-то легкого вещества, которое колеблет самый нежный ветерок. Конечно, вы не подумаете, что дома и деревья в самом деле стали дрожать; это только так кажется! Дрожат не предметы, а колеблются и волнуются идущие кверху струйки теплого воздуха.

Возьмите зажженную свечу, держите ее перед собой и смотрите одним глазом на стену над ее пламенем. Как только вы начнете слегка двигать свечой, заволнуется и стена, на которую вы смотрите. Она волнуется потому, что вы смотрите на нее через дрожащие струи теплого воздуха. Этот теплый воздух поднимается от пламени свечи кверху.

Почему теплый воздух, поднимаясь кверху, остывает

Представьте себе, что вы вдруг каким-нибудь чудом очутились внутри теплой струйки воздуха, поднимающейся в жаркий день с поля, и полетели, поплыли вместе с ней кверху. Сколько интересного повидали бы вы тогда! Сколько нового узнали бы во время своего чудесного путешествия! Вот поднялись вы выше больших деревьев, которые теперь кажутся вам сверху маленькими кустиками. Какую даль теперь охватывает ваш взор… Вон виднеется между деревьями ваше село, точно кучка маленьких игрушечных домиков, а за ним, далеко-далеко, вьется пыльная дорога. Как легко и хорошо дышится в этой вышине, в чистом теплом воздухе!

Но вот вы поднялись так высоко, что уже не можете разглядеть ни села, ни деревьев. Вы почувствовали, что вам стало холодно. Дышать стало труднее. Вы стараетесь вдыхать воздух полной грудью, а воздуха все равно не хватает. Куда же девалась та чудесная теплая воздушная струйка, с которой вы поднялись от земли? Струйка эта все еще вокруг вас, но только она уже не та, что была возле земли. Она расширилась, выросла, и воздух ее сделался редким. Расширяясь, струйка сделалась холоднее. Почему же произошло с ней такое превращение? Если вы немного подумаете, то наверное поймете, в чем тут дело.

Пока ваша струйка была внизу возле земли, на нее давил весь слой воздуха, лежащий над землей. Теперь же, когда струйка поднялась, она оставила внизу самый плотный воздух. На нее теперь давит только тот воздух, который лежит еще выше нее. Давление стало гораздо слабее, и струйка расширилась. Она сделалась больше, а воздух ее стал редким.

Почему же этот воздух стал холоднее? А потому что сама струйка расширилась. Вы, вероятно, знаете, что кожа, из которой сделан поршень велосипедного насоса, укреплена так, что при вдвигании воздух не проходит под поршень и сжимается под ним, если закрыть пальцем отверстие насоса, а при выдвигании поршень не мешает воздуху проходить через него.

Попробуйте закрыть пальцем отверстие насоса и быстрым движением поршня сжать воздух насколько сможете.

Подержите воздух недолго сжатым (столько времени, сколько надо, чтобы один раз вздохнуть) и выпустите его, убрав палец с отверстия насоса. Проделайте это сейчас же еще раз 5, и вы ясно почувствуете, что та часть трубки, где сжимался воздух, нагрелась. Значит, при сжимании воздух нагревается.