※このウェブページは中学校理科2年の学習内容です。<2年p.198>
１｜地球をつつむ大気
１ 地球をとりまく空気による圧力
私たちは日常生活で感じないが，空気には質量があり，重さ（空気が受ける重力）がある。そのことは図5 の方法で確かめることができる。さらに，探究2 のような方法で空気を入れて密閉した容器の中の空気を減らすと，容器が外の空気によって押しつぶされることがわかる。このように，空気中にある物体の面は空気の重さにより常に押されている。
簡易加圧器は，ポンプの部分を何回も押すことで，容器の中に空気をつめこんでいく器具である。これを用いて，ペットボトルに空気をつめる前後で質量を比べる。
容器に空気を多くつめるほど，質量が増えていくことがわかる。これは空気に質量があるためである。
注意!! 簡易加圧器を何回も押しすぎない。20 回程度で，かたくてもう押せなくなるが，無理に押しすぎると加圧器が勢いよく外れる危険がある。
図５ 空気に質量があることを確かめる
探究２ 空気の重さによる現象
準備
準備ペットボトル（500mL），簡易減圧器
① ペットボトルの口に簡易減圧器を押し当て，減圧器のハンドルを引く。
② ペットボトルの変化を観察し，その変化の原因を考える。
〔ペットボトルが押しつぶされるしくみ〕
中の空気が減ることにより，中の空気が外側に押す力よりも，外の空気が押す力のほうが大きくなり，ペットボトルが押しつぶされる。
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力が面にはたらくとき，力が一定でも，はたらく面の面積によって力のはたらきは変化する（図6）。その関係をどのように定量的に表すことができるだろうか。
図6 力のはたらきを大きくする・小さくするくふう
探究３ 力・面積・力のはたらきの関係
準備
レンガ（2.5kg），スポンジ（ポリウレタン製），台ばかり，ものさし，実験用スタンド
$$ 圧力〔Pa〕=\frac{面を垂直に押す力〔N〕}{力がはたらく面積〔m^{2}〕} $$
① 台ばかりの上に，いろいろな向きに変えたレンガを置き，レンガが台ばかりを押す力の大きさを調べる。また，それぞれの面にはたらく圧力を求める。
ここではレンガにはたらく重力と，面積の関係を調べます。レンガの質量は一定でも，その力がはたらく面積は異なりますね。
② スポンジの上に向きを変えてレンガを置き，それぞれの場合のスポンジのへこみ方を調べる。
❶ ニュートン毎平方メートル。
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探究3 では，力が一定でも，力が押す面積が小さいほど，力のはたらきが大きくなることがわかる。
このような面を押す力のはたらきを表すときは，単位面積（1m²や1cm²）当たりの面を垂直に押す力の大きさで表すと都合がよい。これを圧力という。圧力は次の式で求められ，単位にはN/m²❶またはパスカル（記号Pa）を用いる。1Paは1m² の面を垂直に押す力が1N のときの圧力（1N/m²）である。
$$ 圧力〔Pa〕=\frac{面を垂直に押す力〔N〕}{力がはたらく面積〔m^{2}〕} $$
足の接地面積を広げる「かんじき」をつけた場合，雪にうもれにくくなる。
図7 接地面積のちがい2 大気圧
地球をとりまく空気を【大気】といい，大気の層を【大気圏】という（図8）。大気圏の厚さは数百km で，上空にいくほど空気の密度が小さくなり，しだいに真空に近くなっていく。
大気圏の中でも，雲ができるなどの気象現象が起こるのは地上から高さ約11km ❷までの層の中である。この層の中では，空気の温度は上空へいくほど低い。
地球表面のうすい青色の部分が大気の層である。大気の層は，地球の半 径の約6400km と比べると非常にうすい。また，空気の密度は，地表 から15km の高さになると，地表の約6 分の1 しかない。
図 8 人工衛星から見た地球の大気と雲❶ 「ニュートン毎平方メートル」とよむ。大気の層（大気圏）大気の層の厚さは数百km 程度地球の半径約6400 km
❷ この高さは，赤道付近では約17km，中緯度（→ p.224）では約11km，極付近では約9km である。また，季節によっても変わる。
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大気が面を押す作用を【大気圧（気圧）】という。大気圧の観測では，圧力の単位に【ヘクトパスカル】（記号hPa❶）を用いる。海面と同じ高さにおける大気圧は平均すると約1013hPa（101325Pa）であり，これを1 気圧という。
大気を上空に向かって切り取った「空気の柱」というモデルを考えると（図9），標高の低いところほど，上にある空気の層が厚くなるため，空気の柱が長くなり，大気圧は大きくなる❷ことがわかる（図10）。
大気圧は，大気中にある物体のあらゆる方向からはたらいている。また，大気圧は高度によって変化するだけでなく，空気の温度によっても変化する❸。そのため，地表でも大気圧は常に変化している。
大気にも重さがあるので，物体の上にある大気の層が厚いほど，大気の重さによる大気圧も大きくなる。
図9 空気の柱のモデルと大気圧
❶ 1hPa=100Pa，hPaのhは接頭語といい，単位の大きさを表す。
❷ 逆に，高い山に登ると,気圧が下がり,からだが大気中の酸素を取りこみづらくなる。それによって頭痛などの症状が出ることがあり，これを高山病という。
❸ 空気が冷えて体積が減ると，「空気の柱」の中に，より多くの空気が入れるようになる。すると空気の密度が大きくなり，大気圧が大きくなる。
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資料 大気圧を定量的に求める
① 注射器のゴムの部分の直径をはかり，大気圧がかかる部分の面積を，平面の円の面積(A)として求める。
② ピストンにビニルひもをしっかり結ぶ。
③ ピストンを注射器にもどし，いちばん下まで押し下げておく。
④ 一人が注射器をしっかり押さえ，もう一人がビニルひもにばねばかりをかけ，ばねばかりをゆっくり上に引き上げる。ピストンがゆっくりと上がっている状態で，注射器を押さえている人が，ばねばかりの目盛りを読む。
注意!! 力いっぱい引き上げると，ピストンが急にぬけて危険である。ゆっくりとばねばかりを引き上げる。また，ピストンが注射器の上まで達してぬけそうになる前に，注射器を押さえている人が声がけし，引き上げることをやめるようにする。
結果例
面積（A）の異なる注射器で，ばねばかりの値の平均を求めると，いずれも大気圧の値は約10万Paになる。注射器の面積（A）のちがいによって，ばねばかりの値は異なるが，単位面積当たりの大気圧で考えると，一定であることがわかる。
ニュース
- 【雹（ひょう）のできるしくみ】 2023年3月1日5月末以降，長野県や関東など各地で激しい降ひょうが発生しています。中にはピンポン玉ほどの大きさのひょうも確認されており，農作物や建物などへの被害も発生しています。 この「ひょう」，同じく氷が降ってくる現象である「あられ」と何が違うか，ご存じでしょうか。 記事によると，氷の粒の直径が2mm～5mmのものを「あられ」，直径5mm以上のものを「ひょう」と気象用語では使い分けているとのこと。また，ひょうは積乱雲の中で育った氷の粒なので，夏などあたたかい季節に多く，たいていの場合に雷を伴います。氷どうしが雲の中でぶつかることで雷のもととなるエネルギーが生まれるという説もある……など，ひょうについてちょっと詳しくなれる記事です。 もと記事リンク
- 【「標高2150mで閉めたステンレスボトルを地上で開ける方法」，あなたならどうする？】 2023年3月1日普段は意識することのない「気圧」。しかし，地上のあらゆる場所で逃れることのできない気圧は，時に大変な事態をもたらします。 2017年7月に旧Twitter上に投稿されたつぶやきも，そんな悲劇のひとつでした。なんと，標高2150メートルで熱湯入りの保温ボトル（ステンレス製）の蓋をしっかり閉め，そのまま山を下りてしまったというのです！ 事態に気が付いたのは標高10メートルの自宅。標高差が大きい上に，時間経過で中の温度が下がっているため，蓋はびくとも動きません。さあ，どうする？ さまざまな珍案・奇案の中から，つぶやきの投稿者さんが取った手段は「ボトルをあたためる」でした。なんとか開けることには成功したものの，保温ボトルで熱が十分に伝わらなかったためか，圧力に耐えきれず蓋が壊れたそうです。気圧の大きさを実感しますね。 もと記事リンク