标准大气压

定义

标准大气压表示的是一种压强大小，符号记作 atm^[1]。它的常用定义值为 101.325 kPa，也就是 101325 帕斯卡^[1]。这一数值近似等于地球海平面上的平均大气压强，因此在物理和工程中常被当作参考压力使用^[2]。

另一种等价的表述是，在摄氏 0 度、重力加速度为 980.665 厘米每二次方秒、地球纬度约 45 度的海平面上，密度为 13.5951 克每立方厘米的水银形成 760 毫米高的液柱，其产生的压强即为 1 标准大气压^[5]。据此，1 标准大气压等于 760 毫米汞柱、约 1.01325 巴，也相当于约 10.33 米高的水柱^[6][7]。

在要求不高的粗略计算中，标准大气压常被近似取作 1×10⁵ 帕斯卡^[5]。

原理

气压是大气自身重量在单位面积上产生的压力。托里拆利设计的水银气压计由一端封闭的玻璃管和水银槽组成，管内水银在重力作用下流入槽中，直到管内液柱的压强与槽面受到的大气压相等时才停止下降^[8]。此时管内水银面上方几乎不含空气，形成被称为托里拆利真空的空间^[9]。

液柱高度与压强的关系由流体静力学公式给出，$p = \rho g h$，其中 $\rho$ 为液体密度，$g$ 为重力加速度，$h$ 为液柱竖直高度。水银密度约为水的 13.5 倍，所以水银柱只需 760 毫米左右即可与大气压平衡，而换用水则需要 10 米以上，这正是托里拆利选择水银的原因^[7]。

因为公式中的密度和重力加速度都随条件变化，同一高度差对应的压强并不唯一。为得到可复现的常量，定义中必须同时固定温度、重力加速度和水银密度，这也是标准大气压定义要写明 0 摄氏度与 980.665 厘米每二次方秒的原因^[5]。

发展历程

1643 年至 1644 年间，意大利科学家托里拆利与助手维瓦尼完成了著名的水银柱实验。他们把约 1 米长的玻璃管灌满水银后倒立于水银槽中，观察到管内液面稳定在槽面之上约 760 毫米处，据此推断大气具有重量，并制成世界上第一具水银气压计^[8][10]。托里拆利起初只在给友人的信件中提及此事，1644 年法国科学家梅森来访并带走信件副本后，这一成果才在欧洲科学界公开^[10]。

此后帕斯卡重复并发展了该实验。他委托亲属携带气压计攀登法国多姆山，测得山顶气压明显低于山脚，从而确认大气压随高度增加而减小^[11]。1654 年，奥托·格里克在马德堡完成半球实验，进一步验证了大气压的存在和量级^[12]。

早期人们把 0 摄氏度、纬度 45 度、晴天海平面上的大气压规定为标准值，后来发现该条件下的实测值受风力、温度等影响而不稳定，于是改为直接规定 76 厘米汞柱为准^[13]。1954 年，第十届国际计量大会决议把标准大气压确定为 101325 帕斯卡，即 1,013,250 达因每平方厘米，并说明该值代表法国巴黎平均海平面的平均大气压^[3][1]。

化学领域一度把标准温度和压力定义为 0 摄氏度与 101.325 kPa，但国际纯粹与应用化学联合会自 1982 年起把标准压力改定为 100 kPa^[1][3]。尽管如此，101.325 kPa 仍在气象、航空和计量等领域被广泛沿用^[3]。

应用

气象观测中，标准大气压是报告和比较气压的基准之一，气象与航空领域常以 1013.25 hPa 作为标准值。由于各地实际气压随天气和海拔变化，气象人员会把测得的本站气压按标准大气折算到海平面，以获得可比的海平面气压值^[14]。

航空领域用它校准气压高度表并划分飞行高度层。高度表实质上是一台按标准大气标刻的气压计，把测得气压换算为高度读数^[15]。当飞机进入高空航路后，飞行员把高度表拨正到 1013.25 hPa 这一标准值，所有航空器使用同一参考基准，据此得出的气压高度称为飞行高度层，可以避免因各自采用本地气压而出现垂直间隔错乱^[16]。

国际标准大气把海平面的标准状态定为温度 15 摄氏度、气压 1013.25 hPa、密度 1.225 千克每立方米，并规定 11 千米以下每上升 100 米温度下降约 0.65 摄氏度^[17]。它被用作压力测高表校准、航空器性能计算、飞机与火箭设计以及气象图表制作的依据^[17]。中国把该标准 30 千米以下的部分选为国家标准 GB 1920-80，自 1980 年 5 月 1 日起实施^[17]。

在计量与真空技术中，标准大气压是压力传感器校准和真空度表示的参照量。为纪念托里拆利，1958 年第四届真空会议决定采用「托」作为真空度单位，1 托定义为 1/760 标准大气压，数值上等于 1 毫米汞柱^[13]。

局限

标准大气压是一个约定值，并不等于任意地点任意时刻的真实气压。真实海平面气压随天气、温度、风力和重力而变化，冷高压来袭时气压偏高，风暴天气时偏低^[18][16]。因此以标准大气压为基准换算出的高度只是气压高度，并非真实海拔^[16]。

把它外推到高海拔地区时误差会显著放大。有研究指出，按标准大气推算珠穆朗玛峰峰顶的气压约为 236 毫米汞柱，明显低于实测水平；在 4000 米至 5000 米高度，登山者使用按标准大气标定的气压高度表时，需要给读数增加约 3% 才能接近真实高度，8000 米以上偏差可达 6% 至 7%^[19]。飞机从高压区飞入低压区时，若不重新拨正高度表，实际飞行高度会低于仪表指示高度^[14]。

标准值本身也并非全球统一。国际纯粹与应用化学联合会自 1982 年起把化学中的标准压力改为 100 kPa，而国际民航组织、国际标准化组织以及美国国家标准与技术研究院等仍沿用 101.325 kPa，不同学科和行业采用的标准条件并不一致，查阅物性数据时需要确认所用标准^[3]。

以水银柱高度定义标准大气压还带来了操作上的限制。水银气压计的读数需要就温度、当地重力加速度和毛细下降等进行修正，指标精度越高，对温度稳定性和修正表的要求越严格，所以现代气象与航空计量已逐步改用压电石英晶体或电子压力传感器作为参考标准^[10][20]。

参见

• 水银气压计 —— 利用水银柱高度测量大气压强的仪器，标准大气压的定义直接来源于它的读数。

• 托里拆利 —— 意大利物理学家，通过水银柱实验首次测得大气压数值。

• 帕斯卡 —— 通过不同海拔的气压测量，证实大气压随高度增加而减小。

• 国际标准大气 —— 以 1013.25 hPa 海平面气压为基准的大气温度、压力与密度随高度变化的模型。

• 飞行高度层 —— 民航以标准大气压为基准推算的飞行高度，用于管理航空器垂直间隔。

• 毫米汞柱 —— 与标准大气压直接换算的压强单位，760 毫米汞柱等于 1 标准大气压。