热气上升为什么还会“高处不胜寒”？极高处也可能“不胜热”

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)

关键词： 热气上升 高处不胜寒