高處一定會更寒冷嗎？

□河北日報記者 王璐丹

蘇東坡的《水調歌頭》中寫道，“我欲乘風歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒”，這裡點明瞭一個科學小常識——海拔越高氣溫越低。我們生活中也確實有這樣的體會，例如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。但熱空氣不是會向上走嗎，為什麼高處還是那麼冷？越高的地方就一定越寒冷嗎？

熱空氣上升途中會膨脹冷卻

在物理學中有一個現象：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。好比在寒冷的冬天，我們在屋裡放上暖爐，接近房頂的部分就比下邊更快熱起來。

但在生活中，我們也能直觀感受到另一個現象：自然光以較短的波長為主，很容易穿透大氣。當短波長的太陽光到達地面被吸收後，地面就會被加熱，再加上地球本身產生的熱量，地球表面就變成了新的熱源，導致離地面近的地方更加溫暖，而越高的地方就會越冷。

為什麼地球大氣看上去並不符合熱空氣向上運動的原理呢？

“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。”河北師範大學資源與環境科學學院教師張曼說，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”

“高度每上升1000米，氣溫就下降6攝氏度左右”大概適用的高度在3000米以下，而我們所描繪的上冷下熱的過程所處高度基本也不超過1萬米。飛機普遍飛行都在1萬米以上的高度，在這種高度下，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陽光當中的紫外線等，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太陽發出的光，而不是地面。”張曼說。

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。”張曼介紹，因此這裡再次出現下面熱、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，這裡的空氣會被太陽光中波長特別短的極紫外射線、X射線等加熱，所以在這個範圍內，都是下邊冷、上面熱。

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，接受陽光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。張曼介紹，在已經能夠飛向宇宙的今天，科學技術的發展已經說明高處不一定就會更寒冷。