Почему молекулы газов, входящих в состав атмосферы, не падают на Землю под действием силы тяжести?

Молекулы атмосферных газов вообще-то постоянно “падают” под действием силы тяжести — но атмосфера не оседает на Землю целиком, потому что одновременно работают несколько физических причин, из-за которых газ не ведёт себя как куча песка.

1) Газ — это не твёрдое тело: у молекул есть огромная тепловая скорость

В воздухе молекулы непрерывно и хаотически движутся из-за тепловой энергии. Они сталкиваются друг с другом и с поверхностью Земли, меняют направление, отскакивают, снова сталкиваются и т. д.
Сила тяжести действительно тянет каждую молекулу вниз, но между столкновениями молекула успевает пролететь очень маленькое расстояние, а очередное столкновение “перетасовывает” её скорость и направление. В итоге нет такого, чтобы все молекулы дружно полетели вниз и “легли” на землю: их движение постоянно перемешивается.

2) Атмосфера удерживается в гидростатическом равновесии: давление компенсирует вес воздуха

У воздуха есть вес. Этот вес создаёт давление: нижние слои “несут” на себе верхние.
Если взять тонкий слой воздуха на высоте $h$, то на него сверху давит воздух выше, снизу — воздух ниже. Разность давлений как раз и даёт силу вверх, которая уравновешивает силу тяжести, действующую на этот слой. Это называется гидростатическое равновесие.

Проще говоря:

• воздух действительно притягивается к Земле;

• из-за этого он становится плотнее у поверхности;

• повышенная плотность даёт повышенное давление;

• градиент давления “подпирает” воздух снизу так, что всё не схлопывается мгновенно.

3) Атмосфера всё же “оседает” вниз — просто она сжимается, а не падает как ком

Если бы у молекул не было теплового движения, воздух бы действительно осел тонким слоем на поверхности. Но из-за теплового движения он не может сжаться до бесконечности: при сжатии растёт давление, которое сопротивляется дальнейшему сжатию.
Поэтому атмосфера уже находится в состоянии “упавшего” воздуха, насколько это возможно: у поверхности плотность больше, выше — меньше. То есть гравитация проявляется как убывание давления и плотности с высотой.

4) Почему молекулы не улетают все в космос и почему всё-таки часть улетает

Тепловое движение даёт молекулам скорости в разные стороны, в том числе вверх. Для того чтобы молекула навсегда покинула Землю, ей нужна скорость не меньше второй космической (порядка 11,2 км/с) и при этом ей нужно “проскочить” верхние слои без потери энергии на столкновениях.
У большинства молекул такие скорости при обычных температурах не встречаются, поэтому основная масса воздуха остаётся связанной гравитацией. Но самые лёгкие газы (особенно водород и частично гелий) и некоторые частицы в верхней атмосфере всё же могут постепенно теряться — это медленный процесс “утечки” атмосферы.

5) Важная деталь: воздух у поверхности всё время взаимодействует с Землёй

Молекулы постоянно ударяются о поверхность и передают ей импульс — это и есть вклад в давление. Они не “зависают”, а непрерывно двигаются и сталкиваются. Можно сказать так: молекулы и падают, и взлетают, и отскакивают; а в среднем устанавливается распределение, при котором давление и плотность уменьшаются с высотой.

Итог

Молекулы атмосферных газов не “падают на Землю” как единая масса, потому что:

• у них есть хаотическое тепловое движение, постоянно меняющее направления из-за столкновений;

• атмосфера находится в гидростатическом равновесии: вес воздуха уравновешивается градиентом давления;

• гравитация проявляется не как “всё упало”, а как сжатие воздуха у поверхности и разрежение на высоте.