從地球表面到外太空的大氣氣壓是如何變化的?

2020-12-07 騰訊網

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空少問答

小課堂

第122期

答：從地球表面到外太空的大氣氣壓是如何變化的？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：從地球表面到外太空的大氣氣壓是如何變化的？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到將近50年前，1971年的6月30日，航天歷史曾發生過的一次不幸的事故，前蘇聯的「聯盟11號」飛船返回地球的途中，換氣閥門被震開，艙內氣壓下降導致了3名太空人的死亡。航天歷史上，這種與失壓有關的事故並非僅此一遭。不久前，也曾有媒體報導對接國際空間站的聯盟號飛船出現漏氣，航天員在地面人員的指揮下排查了漏洞的位置並做了應急處理。

前蘇聯在1971年10月發行的紀念三位太空人的郵票（來源：wiki，https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/The_Soviet_Union_1971_CPA_4060_stamp_%28Cosmonauts_Georgy_Dobrovolsky%2C_Vladislav_Volkov_and_Viktor_Patsayev%29.jpg）

呼吸空氣是人類賴以生存的關鍵一環。那麼，從地球表面到外太空的大氣氣壓是如何變化的呢？

我們地球的空氣，是由地球巨大的引力吸引在地球周圍，當然在外邊緣的部分會發生逃逸等過程，但絕大部分的空氣分子，處在高頻率的相互碰撞中，是沒有機會移動到外邊緣逃逸的（空氣分子逃逸就是沒有碰撞的分子讓它回頭了）。在標準狀態下空氣分子的平均碰撞頻率高達約每秒65億次（6.5×109），空氣中的能量、成分輸運過程就是靠分子的頻繁碰撞實現的。

所謂的氣壓是大氣壓強的簡稱，是作用在單位面積上的大氣壓力，即在數值上等於單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。其實，對於計算壓強的這個參考的「面」，氣壓就是大量分子頻繁的撞擊它、傳遞衝量而產生的。例如放滿了氣體的容器，單個分子對容器壁的碰撞時間極短，作用是不連續的，但大量分子頻繁的碰撞器壁，對器壁的作用力是持續的、均勻的，這個壓力與器壁面積的比值就是壓強大小。

一張普通的海平面氣壓分布預報圖（來源：中國天氣網，http://products.weather.com.cn/product/Index/index/procode/YB_HY_HPM_24H.shtml）

朋友們可能聽過一個簡單的記憶方法：大氣中高度大約每升高10米，大氣壓減小約100Pa。這個主要適用於海拔3000米以下，而我們地球周圍的大氣可以高到上千千米，例如國際空間站的飛行高度就是約400千米，而1971年聯盟11號飛船出事故的高度大約是168千米高度。

其實，大氣的氣壓變化不是線性的。大氣氣壓的大致變化趨勢可以參照下圖中「P」所代表的曲線。

中性大氣參量隨高度變化（來源：

熊年祿等《電離層物理概論》）

上圖的曲線在100千米以下看上去仿佛是隨高度線性下降，然而橫坐標是對數坐標——每隔一個刻度相差100倍，所以其實是快速以指數速度下降的，從地面的約10萬Pa下降到100千米高度的約0.1Pa。這也是為什麼我們通常把100千米以上近似視為氣壓為0了，而且常常以此為「太空」的界限（稱為「卡門線」）。我們人類生活在約10萬Pa氣壓的環境中，而幾十千米高度僅有幾Pa、零點幾Pa的這種超低氣壓對我們來說是致命的。較低高度處，大氣氣壓的公式近似為（只適用於100千米以下）：

公式中p是氣壓，p是作為參考點的氣壓；h是相對參考點的高度；H稱為標高，是用分子密度、溫度等計算出來的參量。我們可以看出，大氣壓強隨高度是以指數速度變化的。

大約100千米高度下方各種成分（氮、氧等）在湍流作用下混合很完全，也可叫做湍流層，但在這個高度上方，各種成分開始分離，甚至開始有了原子氧等在碰撞頻率較高時無法維持的成分，這個區域也叫做異質層，在幾十公裡之內氣壓就從0.1Pa下降到0.001Pa甚至更低。在遠大於300公裡的高度，最輕原子氦和原子氫成為主要成分，密度很低、粒子碰撞頻率很低，可能原子氦和原子氫跑出去就回不來了，稱為逃逸層，從上圖來看氣壓可以低到0.00001Pa左右。

留言區·精選

@褚家言

考慮到大氣層厚度遠小於地球半徑，我們可近似認為重力加速度不改變，在溫度不改變的情況下，由理想氣體狀態方程pV=nRT，取高度為dh的單位截面積的一小段空氣，其質量為dh*p*ρ0/p0，其中ρ0為地面處大氣密度，p0為地面處大氣壓強其上下壓強差等於其重力，可得微分方程dp/dh=-ρ0*p*g/p0，且當h=0時p=p0，解得p=p0*e^（-ρ0*g*h/p0）即氣壓隨高度按指數變化

@大浪淘天

氣壓隨著高度越來越小

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