Как объяснить, что атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты подъёма над уровнем моря?

Чтобы объяснить, почему атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты подъёма над уровнем моря, нужно рассмотреть несколько ключевых физических принципов и явлений, связанных с атмосферой и давлением.

1. Атмосферное давление и вес столба воздуха:
   Атмосферное давление — это сила, с которой воздух давит на поверхность. Давление создаётся весом столба воздуха, находящегося над данной точкой. Чем выше находится эта точка, тем меньше воздуха находится над ней, а значит, меньше масса этого "столба". Следовательно, давление уменьшается с увеличением высоты.

2. Гравитационное притяжение Земли:
   Воздух, как и любой материальный объект, притягивается к поверхности Земли благодаря силе гравитации. Вблизи поверхности воздух наиболее плотный из−за большого веса верхних слоёв атмосферы, которые давят на нижние. С увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, потому что гравитация слабее удерживает молекулы воздуха на больших высотах, а также давление верхних слоёв воздуха становится меньше.

3. Плотность воздуха:
   Плотность воздуха тесно связана с давлением. На больших высотах воздух становится разрежённым (то есть плотность воздуха уменьшается), поскольку молекулы воздуха расположены менее плотно. Это происходит из−за уменьшения внешнего давления — верхние слои атмосферы "давят" на нижние слои с меньшей силой. Уменьшение плотности воздуха также означает уменьшение массы воздуха в единице объёма, что дополнительно снижает давление.

4. Зависимость давления от высоты:
   Атмосферное давление уменьшается с высотой не линейно, а экспоненциально. Это связано с тем, что плотность воздуха и сила тяжести, действующая на атмосферный столб, изменяются с высотой. Формула для изменения давления с высотой в приближении равновесной атмосферы выглядит так:
   $$ P(h) = P_0 \cdot e^{-\frac{Mgh}{RT}} $$
   где:

   • $P(h)$ — давление на высоте $h$,
   • $P_0$ — давление на уровне моря,
   • $M$ — молярная масса воздуха,
   • $g$ — ускорение свободного падения,
   • $R$ — универсальная газовая постоянная,
   • $T$ — температура воздуха.

Из этой формулы видно, что давление экспоненциально убывает с увеличением высоты.

1. Роль температуры:
   Температура также влияет на плотность и давление воздуха. При подъёме вверх температура обычно понижается, что приводит к ещё большему разрежению воздуха. Однако этот эффект сложно учесть точно без дополнительных данных.

2. Пример с водой:
   Аналогия с водой помогает лучше понять этот процесс. Представьте, что вы погружаетесь в воду. Чем глубже вы находитесь, тем больше вес воды давит на вас сверху, и давление увеличивается. Наоборот, если вы поднимаетесь к поверхности воды, вес воды над вами уменьшается, и давление уменьшается. С воздухом происходит та же ситуация, но вместо жидкости давление создаётся газом.

Таким образом, атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты из−за уменьшения массы воздуха над данной точкой, снижения плотности воздуха и ослабления действия силы тяжести на молекулы воздуха. Все эти факторы вместе делают давление ниже на больших высотах.