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既然热气上升,为什么还会“高处不胜寒”?

2020-10-29 08:46:06 整理发布   转载来源:科技日报  

在苏东坡的《水调歌头》中有一句写道“我欲乘风归去,又恐琼楼玉宇,高处不胜寒”,这里点明了一个科学小常识——海拔越高气温越低。 我们生活中也确实有这样的体会,例如许多避暑胜地都在高山上,还有很多高山的顶端被终年不化的积雪覆盖...《既然热气上升,为什么还会“高处不胜寒”?

在苏东坡的《水调歌头》中有一句写道“我欲乘风归去,又恐琼楼玉宇,高处不胜寒”,这里点明了一个科学小常识——海拔越高气温越低。

我们生活中也确实有这样的体会,例如许多避暑胜地都在高山上,还有很多高山的顶端被终年不化的积雪覆盖。

“高处不胜寒”所说的高处的温度,是指空气、大气的温度。对于高处温度低的现象有一个直观的说法,即高度每上升1000米,气温就要下降6摄氏度左右,因此我们坐飞机的时候,飞机舱外面的温度能达到零下50摄氏度之低。

热空气不是会向上走吗,为什么高处还是那么冷?

热空气上升途中会膨胀冷却

生活中我们能直观感受的一点,就是太阳光能带来热量。

自然的阳光以较短的波长为主,它们很容易穿透大气。当短波长的太阳光到达地面被地面吸收后,地面就会被加热,再加上地球本身产生的热量,使得地球表面成了新的热源。就像在空气底部点燃了一把火,离地面近的地方更加温暖,离这个热源远也就是越高的地方就会越冷。

不过物理学中还有另外一个现象:热空气向上运动,冷空气向下运动。这种现象的原理在于热胀冷缩,热空气膨胀密度变小,冷空气密度较大,热空气就“浮”了上去。热气球就是利用了这一原理飞起来的。

为什么地球大气看上去不符合这个原理呢?

这是因为在地球引力的吸引下,空气会呈现越往高处越稀薄的情况,因此较高的空中气压较小,从下边升上来的空气反而因为密度太大,升上高空后会在气压作用下发生膨胀。

对空气来说,在气体状态下发生这样的膨胀,又没有其他的热源能加热它,就会降温而变冷。所以,地表附近的热空气的确在上升,但在上升中发生了膨胀和冷却,所以并不会使上层的空气温度升高。

极高处也可能“不胜热”

文章开始提到的“高度每上升1000米,气温就下降6摄氏度左右”,适用的高度大约在3000米以下,而地表上冷下热状态的空气所处高度基本也不超过1万米。1万米之上,情况是否又会有所不同呢?

事实上,地球表面从1万米到几万米高度区域的大气存在很多空气成分,例如臭氧层可以吸收太阳光当中的紫外线等,所以这个区域内的高度越高,温度也会变得越高。因为加热这一区域的主要是来自更高处的太阳发出的光,而不是地面。

这里的空气上热下冷,加上客观规律是热气密度较小而上升,冷气密度较大而下降,所以在这里的空气上边热而轻,下边冷而重,除了一些扰动过程外,基本不会发生上下空气交换,故而气流是非常稳定的,被称为“平流层”,飞机也因此主要选择在平流层靠近底部的位置飞行。

从平流层再向上几万米以内的区域叫做中间层,这个区域几乎没有臭氧,而氮气和氧气等气体可吸收的太阳辐射又大部分被上层大气所吸收,主要靠平流层承担起热源的角色,所以这里再次出现了下面热、上面冷的状态。

从中间层再往高处去,直到再向上数千公里范围内,这里的空气会被太阳光当中波长特别短的极紫外射线、X射线等加热,所以在这超大的上千公里范围内,都是呈现下边冷,上面热的状态。

而最“高处”,也就是进入到距离地球上千公里的宇宙中,对那里温度的描述往往取决于宇宙带电粒子的能量。航天器在宇宙中飞行,接受阳光照射的地方温度可能达到上百摄氏度,而背向太阳的一侧则可能达到零下百摄氏度,这里“寒”还是“不寒”,主要还是看加热源,也就是太阳。如果未来人类有幸能前往到太阳的“势力范围”,会发现那里的带电粒子的温度可高达上百万摄氏度。(来源:科普中国)


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