熱氣上升為什么還會(huì)“高處不勝寒”？極高處也可能“不勝熱”

在蘇東坡的《水調(diào)歌頭》中有一句寫道“我欲乘風(fēng)歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒”，這里點(diǎn)明了一個(gè)科學(xué)小常識(shí)——海拔越高氣溫越低。

我們生活中也確實(shí)有這樣的體會(huì)，例如許多避暑勝地都在高山上，還有很多高山的頂端被終年不化的積雪覆蓋。

“高處不勝寒”所說的高處的溫度，是指空氣、大氣的溫度。對(duì)于高處溫度低的現(xiàn)象有一個(gè)直觀的說法，即高度每上升1000米，氣溫就要下降6攝氏度左右，因此我們坐飛機(jī)的時(shí)候，飛機(jī)艙外面的溫度能達(dá)到零下50攝氏度之低。

熱空氣不是會(huì)向上走嗎，為什么高處還是那么冷?

熱空氣上升途中會(huì)膨脹冷卻

生活中我們能直觀感受的一點(diǎn)，就是太陽(yáng)光能帶來(lái)熱量。

自然的陽(yáng)光以較短的波長(zhǎng)為主，它們很容易穿透大氣。當(dāng)短波長(zhǎng)的太陽(yáng)光到達(dá)地面被地面吸收后，地面就會(huì)被加熱，再加上地球本身產(chǎn)生的熱量，使得地球表面成了新的熱源。就像在空氣底部點(diǎn)燃了一把火，離地面近的地方更加溫暖，離這個(gè)熱源遠(yuǎn)也就是越高的地方就會(huì)越冷。

不過物理學(xué)中還有另外一個(gè)現(xiàn)象：熱空氣向上運(yùn)動(dòng)，冷空氣向下運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象的原理在于熱脹冷縮，熱空氣膨脹密度變小，冷空氣密度較大，熱空氣就“浮”了上去。熱氣球就是利用了這一原理飛起來(lái)的。

為什么地球大氣看上去不符合這個(gè)原理呢?

這是因?yàn)樵诘厍蛞Φ奈?，空氣?huì)呈現(xiàn)越往高處越稀薄的情況，因此較高的空中氣壓較小，從下邊升上來(lái)的空氣反而因?yàn)槊芏忍螅细呖蘸髸?huì)在氣壓作用下發(fā)生膨脹。

對(duì)空氣來(lái)說，在氣體狀態(tài)下發(fā)生這樣的膨脹，又沒有其他的熱源能加熱它，就會(huì)降溫而變冷。所以，地表附近的熱空氣的確在上升，但在上升中發(fā)生了膨脹和冷卻，所以并不會(huì)使上層的空氣溫度升高。

極高處也可能“不勝熱”

文章開始提到的“高度每上升1000米，氣溫就下降6攝氏度左右”，適用的高度大約在3000米以下，而地表上冷下熱狀態(tài)的空氣所處高度基本也不超過1萬(wàn)米。1萬(wàn)米之上，情況是否又會(huì)有所不同呢?

事實(shí)上，地球表面從1萬(wàn)米到幾萬(wàn)米高度區(qū)域的大氣存在很多空氣成分，例如臭氧層可以吸收太陽(yáng)光當(dāng)中的紫外線等，所以這個(gè)區(qū)域內(nèi)的高度越高，溫度也會(huì)變得越高。因?yàn)榧訜徇@一區(qū)域的主要是來(lái)自更高處的太陽(yáng)發(fā)出的光，而不是地面。

這里的空氣上熱下冷，加上客觀規(guī)律是熱氣密度較小而上升，冷氣密度較大而下降，所以在這里的空氣上邊熱而輕，下邊冷而重，除了一些擾動(dòng)過程外，基本不會(huì)發(fā)生上下空氣交換，故而氣流是非常穩(wěn)定的，被稱為“平流層”，飛機(jī)也因此主要選擇在平流層靠近底部的位置飛行。

從平流層再向上幾萬(wàn)米以內(nèi)的區(qū)域叫做中間層，這個(gè)區(qū)域幾乎沒有臭氧，而氮?dú)夂脱鯕獾葰怏w可吸收的太陽(yáng)輻射又大部分被上層大氣所吸收，主要靠平流層承擔(dān)起熱源的角色，所以這里再次出現(xiàn)了下面熱、上面冷的狀態(tài)。

從中間層再往高處去，直到再向上數(shù)千公里范圍內(nèi)，這里的空氣會(huì)被太陽(yáng)光當(dāng)中波長(zhǎng)特別短的極紫外射線、X射線等加熱，所以在這超大的上千公里范圍內(nèi)，都是呈現(xiàn)下邊冷，上面熱的狀態(tài)。

而最“高處”，也就是進(jìn)入到距離地球上千公里的宇宙中，對(duì)那里溫度的描述往往取決于宇宙帶電粒子的能量。航天器在宇宙中飛行，接受陽(yáng)光照射的地方溫度可能達(dá)到上百攝氏度，而背向太陽(yáng)的一側(cè)則可能達(dá)到零下百攝氏度，這里“寒”還是“不寒”，主要還是看加熱源，也就是太陽(yáng)。如果未來(lái)人類有幸能前往到太陽(yáng)的“勢(shì)力范圍”，會(huì)發(fā)現(xiàn)那里的帶電粒子的溫度可高達(dá)上百萬(wàn)攝氏度。(來(lái)源：科普中國(guó))

關(guān)鍵詞： 熱氣上升 高處不勝寒