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  • 1 # 漢良367

    “高處不勝寒”所說的高處的溫度,是指空氣、大氣的溫度。對於高處溫度低的現象有一個直觀的說法,即高度每上升1000米,氣溫就要下降6攝氏度左右,因此我們坐飛機的時候,飛機艙外面的溫度能達到零下50攝氏度之低。

    熱空氣不是會向上走嗎,為什麼高處還是那麼冷?

    熱空氣上升途中會膨脹冷卻

    生活中我們能直觀感受的一點,就是太Sunny能帶來熱量。

    自然的Sunny以較短的波長為主,它們很容易穿透大氣。當短波長的太Sunny到達地面被地面吸收後,地面就會被加熱,再加上地球本身產生的熱量,使得地球表面成了新的熱源。就像在空氣底部點燃了一把火,離地面近的地方更加溫暖,離這個熱源遠也就是越高的地方就會越冷。

    不過物理學中還有另外一個現象:熱空氣向上運動,冷空氣向下運動。這種現象的原理在於熱脹冷縮,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的。

    為什麼地球大氣看上去不符合這個原理呢?

    這是因為在地球引力的吸引下,空氣會呈現越往高處越稀薄的情況,因此較高的空中氣壓較小,從下邊升上來的空氣反而因為密度太大,升上高空後會在氣壓作用下發生膨脹。

    對空氣來說,在氣體狀態下發生這樣的膨脹,又沒有其他的熱源能加熱它,就會降溫而變冷。所以,地表附近的熱空氣的確在上升,但在上升中發生了膨脹和冷卻,所以並不會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的空氣所處高度基本也不超過1萬米。1萬米之上,情況是否又會有所不同呢?

    事實上,地球表面從1萬米到幾萬米高度區域的大氣存在很多空氣成分,例如臭氧層可以吸收太Sunny當中的紫外線等,所以這個區域內的高度越高,溫度也會變得越高。因為加熱這一區域的主要是來自更高處的太陽發出的光,而不是地面。

    這裡的空氣上熱下冷,加上客觀規律是熱氣密度較小而上升,冷氣密度較大而下降,所以在這裡的空氣上邊熱而輕,下邊冷而重,除了一些擾動過程外,基本不會發生上下空氣交換,故而氣流是非常穩定的,被稱為“平流層”,飛機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米以內的區域叫做中間層,這個區域幾乎沒有臭氧,而氮氣和氧氣等氣體可吸收的太陽輻射又大部分被上層大氣所吸收,主要靠平流層承擔起熱源的角色,所以這裡再次出現了下面熱、上面冷的狀態。

    從中間層再往高處去,直到再向上數千公里範圍內,這裡的空氣會被太Sunny當中波長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範圍內,都是呈現下邊冷,上面熱的狀態。

    而最“高處”,也就是進入到距離地球上千公里的宇宙中,對那裡溫度的描述往往取決於宇宙帶電粒子的能量。航天器在宇宙中飛行,接受Sunny照射的地方溫度可能達到上百攝氏度,而背向太陽的一側則可能達到零下百攝氏度,這裡“寒”還是“不寒”,主要還是看加熱源,也就是太陽。如果未來人類有幸能前往到太陽的“勢力範圍”,會發現那裡的帶電粒子的溫度可高達上百萬攝氏度。

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