地球引力与大气层有啥关系?

无论有没有大气层的保护,地球引力都会存在。有质量的物体都有引力,质量越大,引力越大。

  • 万有引力

举一个距离最近的例子:我们都知道美国的阿波罗计划,他们先后派了6批12名宇航员登上月球;在那前后美国和苏联也向月球发射了多个航天器;我们的嫦娥系列月球探测器也进行了多次绕月和落月探测。这些都说明月球是有引力的。但月球表面几乎没有大气层,只有在贴近月球地面的地方,每立方厘米有几十到几百个气体分子。

(玉兔2号月球车在月球表面行驶并开展科学探测活动)

引力是宇宙中自然存在的力之一,一切有质量的物体,都会对其它物体产生引力。爱因斯坦说这是物体因为它的质量弯曲了周围的时空而引起的,物体质量越大,引力就越大。

实际上影响引力的另一个因素还有距离,距离越近,引力就越大。我们来看看万有引力的计算公式就能知道:

在这个公式中,一个质量为m1和一个质量为m2的物体相互引力是相等的,这个引力的大小除了与它们的质量有关,还与它们之间的距离 r 有关;G是引力常数,G = 6.67×10-11 N·m2/kg2

我们站在地球表面,地球对我们的引力是多少?这里可以做一个简单计算:

地球的质量m1大约是5.965×1024kg,某个人的质量我们假设是50kg,我们站在地球的表面,所以我们与地球质心的距离就是地球的半径,在这里r =6371000m。把这些数值代入万有引力公式。得出的结果是:

F= 490 N = 50 千克力

要计算地球上物体受到的引力,我们还可以用到另一个公式:W=mG

这里W指的是重力,m是物体的质量50kg,G是地球表面的重力加速度约为9.8m/s2,经过计算,我们得出的结果是:

W=50×9.8= 490 N = 50 千克重

  • 地球的大气

地球的大气也就是我们每天都呼吸的空气,它包含各种不同物质组成的气体、气溶胶和灰尘。其中大约有78.1%的氮气、20.9%的氧气、0.93%的氩气、0.03%的二氧化碳,还有极少量其它的气体物质。

(地球大气层)

我们都知道气体都是由物质构成的,物质有质量,地球对这些有质量的物体就有引力。地球通过它的引力将这些气体吸引在自己周围,形成了我们赖以生存的大气层。

大气层很厚,很厚的大气层因为地球引力的关系对它的下方就有一定的压强,这就是我们常说的大气压。地球海平面的大气压力大约是101.325kPa,这是一个标准大气压的值。

一个标准大气压是这样规定的:将温度为0℃、纬度45度海平面上的气压称为1个大气压(1atm),这时候水银气压表上的数值为760毫米水银柱高(相当于101.325kPa)。

这里需要强调的一点是:我们能够站在地球的表面,并不是因为大气的压力将我们“压”在了地球表面,而是地球与我们之间相互引力造成的,地球对我们的引力就是我们在地面的重力,也就是我们的重量。

  • 其它星球的引力

正因为引力的产生是由于物体间因为质量和距离的作用引起,所以不管有没有大气,其它所有的星球都会有引力。

月球的质量比地球小,它的质量大约是7.349×1022kg,它的半径大约是1738140米,如果一个质量为100kg的穿着宇航服的宇航员站在月球表面,他受到的引力大约是多少呢?

我们将其代入万有引力公式进行计算的结果是:

F=162.25 N = 16.56 千克力

这名宇航员在地面的重量约等于他的质量100kg,因此他在月球表面受到的引力大约是地球上受到引力的1/6。

(阿波罗13号宇航员在地面做搬运训练,在月球上他会轻松许多)

同样的,尽管火星上的大气层也非常稀薄,它的大气密度大约只有地球的1%,火星对在它上面的各种物体也是有引力的。

我们还是用数据说话。火星的质量为6.4219×1023kg,它的半径大约是3397000m,一个质量为100kg的宇航员站在火星上,他受到的引力有多大呢?我们将数据代入万有引力公式计算后的结果为:

F=371.2 N = 37.88 千克力

由此可见,这名宇航员在火星表面受到的引力大约是他在地球表面的1/3多一点。

(火星车的自拍照)

  • 总结:

地球对我们的引力与地球上有没有大气层、以及大气层的密度没有关系,地球上之所以有稠密的大气层,是因为地球有足够的质量能够吸引大气物质,同时地球强大的磁场保护了这些气体不会被强烈的太阳射线分解和吹散。

其它的天体,包括质量比较小的火星与月球同样都有引力,这是由万有引力决定的。月球和火星上之所以只有极少的大气,一方面与它们质量比较小、引力不足有关,同时也因为它们失去了强大磁场的保护,因此在漫长的岁月里,它们的大气层一点一点地被分解并吹散到太空中。

即使是太空中极小的灰尘与碎片,它们之间也会因为万有引力而慢慢聚拢在一起,形成更大的小行星。同样地,这些小行星也会因为大行星的吸引而偏离自己原来的轨道,坠毁在其它星球上。