Атмосфера

Формальное определение

Стандартная атмосфера (обозначение: atm) — единица измерения давления, определяемая как ровно 101 325 паскалей (101,325 кПа). Она представляет среднее атмосферное давление на уровне моря на широте Парижа при температуре 15 °C. Атмосфера не входит в систему СИ, но широко используется в науке и технике на протяжении веков как эталонное давление.

Одна атмосфера равна точно 1,01325 бар, приблизительно 14,696 psi, точно 760 мм рт. ст. (при 0 °C и стандартном ускорении свободного падения) и приблизительно 760 торр. Атмосфера является интуитивной точкой отсчёта: на уровне моря столб воздуха над каждым квадратным метром поверхности Земли оказывает давление примерно 101 325 ньютонов — около 10,3 метрических тонны на квадратный метр.

Техническая и стандартная атмосфера

Важно различать стандартную атмосферу (atm) и техническую атмосферу (ат). Техническая атмосфера определяется как один килограмм-сила на квадратный сантиметр (1 кгс/см² = 98 066,5 Па), что приблизительно на 3,2% меньше стандартной атмосферы. Техническая атмосфера использовалась в старой европейской инженерной практике, но была в значительной степени вытеснена баром и паскалем.

Историческое происхождение

Слово «атмосфера» происходит от греческих слов «атмос» (ἀτμός — пар) и «сфера» (σφαῖρα — шар). Составное слово «атмосфера» изначально описывало газовую оболочку, окружающую Землю. Концепция атмосферного давления — идея о том, что эта газовая оболочка имеет вес и оказывает давление — была впервые чётко сформулирована в XVII веке Эванджелистой Торричелли, а затем экспериментально подтверждена Блезом Паскалем и Отто фон Герике.

Использование как единицы

Использование «атмосферы» как единицы измерения давления восходит к началу XIX века, когда стало естественным выражать давление как кратное давлению земной атмосферы. Точная стандартизация происходила постепенно: различные организации определяли стандартную атмосферу с несколько отличающимися значениями, пока в 1954 году 10-я Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) не определила 1 атм = 101 325 Па.

Открытие Торричелли

В 1643 году Эванджелиста Торричелли — ученик Галилея — провёл первый барометрический эксперимент. Он наполнил трубку ртутью, перевернул её в блюдце с ртутью и обнаружил, что столб ртути стабилизировался на высоте примерно 760 мм. Торричелли правильно заключил, что атмосфера оказывает давление на ртуть в блюдце, поддерживая столб. Над ртутью в трубке образовался вакуум — «вакуум Торричелли» — один из первых искусственных вакуумов в истории.

Подтверждение Паскаля

В 1648 году зять Блеза Паскаля Флорен Перье поднял ртутный барометр на гору Пюи-де-Дом (1465 м) во Франции и показал, что столб ртути на вершине короче, чем у подножия. Это окончательно доказало, что атмосферное давление уменьшается с высотой и что атмосфера имеет конечную протяжённость и вес.

Магдебургские полусферы фон Герике

В 1654 году Отто фон Герике провёл эффектную демонстрацию атмосферного давления в Магдебурге. Он приложил друг к другу две большие медные полусферы, откачал воздух между ними с помощью изобретённого им вакуумного насоса и показал, что упряжки лошадей не могут их разъединить. Когда воздух впускали обратно, полусферы легко разъединялись.

Стандартизация

Стандартная атмосфера постепенно формализовывалась в XIX–XX веках. Различные национальные стандарты определяли её немного по-разному, пока 10-я ГКМВ в 1954 году не установила 1 атм = 101 325 Па. Это значение было выбрано для соответствия давлению столба ртути высотой 760 мм при 0 °C и стандартном ускорении свободного падения.

Дайвинг

Атмосфера — естественная единица для дайвинга, поскольку давление увеличивается примерно на 1 атм на каждые 10,06 метра морской воды. На глубине 10 м общее давление составляет около 2 атм, на 20 м — около 3 атм, на 40 м (типичный предел рекреационного дайвинга) — около 5 атм. Декомпрессионные таблицы и расчёты газовых смесей используют давление в атмосферах.

Химия

Хотя ИЮПАК рекомендует 1 бар как стандартное давление, многие химические приложения по-прежнему используют атмосферу. Расчёты по газовым законам (PV = nRT) исторически используют атмосферы с газовой постоянной R = 0,08206 л·атм/(моль·К). Парциальные давления газов в смесях часто выражаются в атмосферах.

Гипербарическая медицина

Гипербарическая оксигенотерапия (ГБО) использует давление, измеряемое в атмосферах. Протоколы лечения указывают давление 1,5–3,0 атм абсолютных (АТА). При 2,5 АТА кислородоносная способность крови значительно возрастает, что способствует заживлению хронических ран и лечению декомпрессионной болезни.

Авиация и космонавтика

Герметизация кабины самолёта описывается через эквивалентное атмосферное давление. Коммерческие авиалайнеры поддерживают давление в кабине 0,74–0,81 атм (эквивалент высоты 1800–2400 м). Модель международной стандартной атмосферы использует 1 атм как базу для всех авиационных расчётов давления.

Что такое атмосферное давление

На уровне моря вы постоянно находитесь под давлением приблизительно в 1 атмосферу — эквивалент примерно 10 тонн силы на квадратный метр. Мы не ощущаем это давление, потому что наши тела уравновешены изнутри. Однако изменения атмосферного давления ощутимы: многие люди испытывают заложенность ушей при перелётах, а некоторые отмечают головные боли перед грозой при падении барометрического давления.

Высота и приготовление пищи

Атмосферное давление уменьшается с высотой, что влияет на кулинарию. При 1 атм (уровень моря) вода кипит при 100 °C. При 0,83 атм (Денвер, 1600 м) — при 95 °C. При 0,54 атм (Ла-Пас, 3640 м) — при 87 °C. Рецепты для высокогорья компенсируют это увеличением времени приготовления и корректировкой количества разрыхлителя.

Скороварки

Скороварка работает при примерно 2 атм абсолютных (1 атм выше окружающего давления), повышая точку кипения воды до 120 °C. Это сокращает время приготовления бобовых, рагу и круп на 50–70%.

Давление в ушах и пазухах

Полёт на коммерческом самолёте подвергает пассажиров перепаду давления от 1 атм (на земле) до приблизительно 0,75 атм (давление в кабине на крейсерской высоте). Это изменение на 25% влияет на уши и пазухи, особенно при снижении.

Газовые законы

Атмосфера глубоко укоренена в расчётах газовых законов. Уравнение идеального газа PV = nRT использует R = 0,08206 л·атм/(моль·К), когда давление выражено в атмосферах. Закон Дальтона выражает парциальные давления в атмосферах. Закон Генри связывает растворимость газа с парциальным давлением в атмосферах.

Исследования при высоком давлении

В физике высоких давлений условия иногда описываются в атмосферах для наглядности. В центре Земли давление составляет примерно 3,5 миллиона атмосфер. В центре Юпитера — около 40 миллионов атмосфер. Лабораторные алмазные наковальни могут создавать давление более 4 миллионов атмосфер.

Вакуумная наука

Уровни вакуума иногда выражаются в долях атмосферы. Низкий вакуум: 0,01–1 атм. Средний вакуум: 10⁻⁶–0,01 атм. Высокий вакуум: 10⁻¹²–10⁻⁶ атм. Сверхвысокий вакуум: ниже 10⁻¹² атм.

Планетология

Атмосферное давление на других планетах естественно сравнивается с земной атмосферой. На Марсе давление у поверхности составляет около 0,006 атм. На Венере — примерно 92 атм, достаточно, чтобы раздавить большинство космических аппаратов. На Титане (спутник Сатурна) — около 1,45 атм.