Почему высокогорье холоднее: роль разреженного воздуха и парникового эффекта

为什么高原地区离太阳更近，反而却更冷？ 我发现这个简单的问题，直到今天还是互联网的热门话题。 我们可以在网上轻松找到解释，但是我发现大部分解释都没有说到本质，都只是解释了一下空气热量的获取方式，不是太阳而是地表。 这种解释看似没错，但是有很多歧义，所以很多人可能确实不好理解。 要想用最简单、最容易让人理解的方式回答这个问题，其实我们只要找到高原地区和低海拔地区到底有什么不同就可以了。 当然，这种不同肯定不是海拔高，离太阳近啊，相比于地球到太阳1.5亿公里的距离，珠穆朗玛峰的高度都可以忽略不计。 两者真正的不同是空气密度，高海拔地区空气相对稀薄，低海拔地区则空气密度大。 所以，导致高原更冷的本质原因就是那里空气稀薄，没有什么其它的了。 所以这个问题正确的问法应该是，为什么空气稀薄会导致气温更低？ 要回答这个问题，我们就要知道空气到底是如何获取温度的。 首先，对流层的空气确实不是被太阳加热的，太阳照射到地球的光基本是短波辐射，也就是可见光到紫外线的部分。 对流层的大气成分对短波辐射几乎就是透明的，所以太阳光是穿过大气直接加热了地表。 但是被太阳加热后的地表，它也会向外发出辐射，这种辐射主要就是红外线为主的长波辐射。 对流层的空气成分主要是氮气和氧气，其实这两种气体分子不仅基本无法吸收太阳的短波辐射，它们也基本无法吸收地面发射出去的长波辐射。 真正让对流层空气获得温度的是水蒸气、二氧化碳、甲烷等气体。 这些气体有一个共同名字，叫做温室气体，它们吸收了地面的辐射之后，就会被加热，而它们被加热后又会向外发出热辐射，从而加热周围环境。 我们理一理哈，太阳加热的是地面，然后地面加热温室气体，温室气体加热了周围环境，这就是气温的由来。 那些空气稀薄的地方，温室气体的浓度也相应得很低。 由于空气稀薄，高原地区的地面其实更容易被太阳加热，但是轮到地面发出长波辐射时，那里缺少水蒸气、二氧化碳、甲烷等气体来承接，所以大部分辐射都直接射向太空，而不是变成气温。 所以自然就是更冷了，这些地区还有一个特点就是昼夜温差很大。 现在我们知道，靠近地表的空气会更热，但是热空气会上升，而高处的冷空气会下沉，这就是对流层的由来。 那么更有趣的问题是，上升的热空气为什么不会导致高原地区的气温升高？还有为什么对流层没有无限延伸？ 为什么暖空气没有加热高原地区？ 空气是有重量的，同时可被压缩，所以在地球引力的作用下，越靠近地表空气密度就越大，海拔越高则空气越稀薄。 受热的空气会膨胀，密度减小从而上升，而它周围的相对冷的空气则正好相反，会下沉填充，热空气上升，冷空气下沉，这就形成了对流层。 但是，上升的热空气，随着气压的下降，膨胀得越发厉害，气体膨胀的过程会消耗自身内能，也就是会失去温度，这个就是膨胀降温。 地球上气体上升的膨胀降温速度非常激烈，越干燥的空气上升过程膨胀降温越厉害，平均而言，地球上每升高1000米膨胀降温6.5℃。 所以，海拔越高获得地面暖空气的气温就越少。 所以，整体下来高海地区还是更冷。 不过，热空气不会无限上升。 我们前面提到过，对流层的空气成分基本不会吸收太阳发出的短波辐射，但是臭氧层中的臭氧不一样，臭氧分子会大量吸收太阳的短波辐射（这就是它是地球保护伞的原因所在）。 所以，虽然臭氧层比对流层海拔更高，但实际上那里的气温比下方的对流层更高。 对流层到了最顶部，气温已经低到-50℃ 到 -80℃，但是随着进入臭氧层，气温就开始随着海拔升高而升高，甚至在最高点可以达到0℃。 对流层的暖空气上升的本质是它的温度高于上方空气，但它到平流层后，空气温度已经低于上方的空气了，它自然就无法继续上升。 “掌”握科技鲜闻 （微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注）