Почему меньше температура на большой высоте

Crazy Buddy совершенно прав, что это происходит потому, что газ расширяется и охлаждается по мере подъема, но дело не только в этом.

Чтобы что-то нагрелось, оно должно либо поглотить ЭМ-излучение, либо нагреться от какого-нибудь горячего предмета, с которым оно соприкасается. Воздух не поглощает свет, поэтому он не может быть непосредственно нагрет солнечным светом. Вместо этого солнечный свет проходит через воздух и нагревает землю, а земля нагревает воздух.

Расширение происходит потому, что горячий воздух, нагретый землей, поднимается вверх. Однако по мере того, как он поднимается, его объем увеличивается, и, следовательно, его температура уменьшается. Так что понижение температуры с высотой действительно связано с расширением, но это только так, потому что воздух нагревается снизу от земли.

Если бы воздух поглощал свет напрямую, он нагревался бы независимо от земли, и мы не наблюдали бы такого же изменения температуры с высотой. На самом деле именно этот эффект происходит в стратосфере . В верхних слоях стратосферы молекулы озона поглощают ультрафиолетовый свет и нагреваются, а в стратосфере температура с высотой увеличивается, а не снижается.

Я хотел бы добавить к уже данным ответам. Действительно, атмосфера прозрачна для коротковолнового солнечного излучения, но поглощает большое количество длинноволнового излучения Земли; вот почему у нас есть парниковый эффект, вот почему Земля имеет пригодный для жизни климат, и это одна из причин, по которой мы наблюдаем такое отклонение. Но почему холоднее на Тибетском плато, которое представляет собой большую плоскую территорию на высоте примерно 4 км? Разве мы не находимся там так же близко к местной поверхности, как и когда находимся на уровне моря?

Предположим, что Тибетское плато получает такую ​​же интенсивность солнечного излучения, как и более низкие области на той же широте. В действительности он, вероятно, получает больше из-за сухого климата. Тогда он должен нагреваться больше, не так ли? Но это не так. Можно считать, что система Земля-Атмосфера находится в локальном радиационно-конвективном равновесии (см. диаграмму Кевина Тренберта ниже). Это означает, что потоки энергии «вход» и «выход» уравновешиваются переносом энергии за счет излучения и конвекции. Другими словами: то, что входит, должно выйти (это не совсем верно локально, потому что существуют крупномасштабные модели потоков, известные как ветер). Теперь поверхность Земли излучает радиацию в зависимости от ее температуры с$P = \epsilon \sigma T^4$. Часть этого излучения поглощается парниковыми газами (или облаками) в атмосфере: водяным паром, углекислым газом, метаном и другими. Затем атмосфера нагревается и снова излучает по$P = \epsilon \sigma T^4$; часть этого излучения уходит в космос, а часть возвращается на поверхность. Парниковые газы согревают поверхность Земли, как одеяло.

Сейчас на Тибетском плато атмосфера намного менее плотная из-за большой высоты над уровнем моря. Поэтому излучение, испускаемое поверхностью, мало поглощается, а в основном уходит прямо в космос. Это означает, что поверхность остывает. Возвращаясь к аналогии с одеялом: у Тибета одеяло гораздо тоньше, чем у более низких возвышенностей.

Теперь я сделал ряд серьезных упрощений, потому что на самом деле это зависит от дня и ночи, от облаков, от атмосферных потоков, таких как ветер, от влажности и от других факторов. Но в то время как объяснение, данное другими, объясняет, почему выше в свободной атмосфере становится холоднее , я думаю, что оно на самом деле не объясняет, почему холоднее на Тибетском плато.

Это очень старый вопрос, но ни один из ответов полностью не отвечает на этот вопрос. Я сформулирую свой ответ с точки зрения ответов на ряд вопросов:

• Насколько сильно зависит температура от высоты?
• Почему давление зависит от высоты?
• Почему температура меняется с высотой?
• А второй закон термодинамики?
• Почему на Тибетском плато так холодно и так тепло?

Насколько сильно зависит температура от высоты?
Ответ совсем немного. Следующий график, который изображает среднее поведение температуры в зависимости от высоты над уровнем моря:

Изображение предоставлено Ником Стробелем с сайта www.astronomynotes.com .

Начиная с поверхности, температура имеет тенденцию к линейному падению с высотой в тропосфере, меняет направление в тропопаузе и увеличивается с высотой в стратосфере, снова меняет направление в стратопаузе и понижается в мезосфере и, наконец, снова меняет направление в тропопаузе. мезопауза и повышение в термосфере. Приведенный выше график дает краткие пояснения для тех регионов, где температура увеличивается с увеличением высоты. Это также дает подсказку, почему температура снижается в тропосфере, парниковых условиях и конвекции. Остальная часть этого ответа посвящена этим колебаниям температуры тропосферы.

Почему давление зависит от высоты?
Градиент атмосферного давления является одним из ключевых факторов градиента температуры тропосферы. Прежде чем понять, почему температура меняется с высотой, важно понять, почему давление меняется с высотой. На любой высоте атмосферное давление должно более или менее выдерживать вес воздуха над этой высотой. Математически это можно выразить как условие гидростатического равновесия$dp/dz = -\rho g$, куда$p$,$\rho$, а также$g$давление, плотность и гравитационное ускорение на высоте$z$. Это означало бы экспоненциальное падение давления, если бы температура была постоянной. Затухание быстрее, чем экспоненциальное, в регионах, где температура уменьшается с высотой, но медленнее, чем экспоненциальное, в регионах, где температура увеличивается с высотой.

Почему температура меняется с высотой?
На приведенном выше графике указаны две причины: конвекция и парниковый эффект. Посылка воздуха, нагретая поверхностью, начнет подниматься, когда температура посылки превысит температуру окружающего воздуха. Этот поднимающийся поток воздуха будет адиабатически охлаждаться по мере подъема. Если предположить, что (1) атмосфера уравновешена гидростатически, (2) поднимающийся пакет действует как идеальный газ и (3) поднимающийся пакет более или менее термически изолирован, температура пакета будет падать линейно с увеличением высоты. Скорость, с которой происходит это охлаждение, представляет собой скорость сухого адиабатического градиента .. Посылка будет продолжать подниматься до тех пор, пока температура посылки остается выше температуры окружающего воздуха. Относительная влажность внутри посылки будет повышаться по мере того, как посылка продолжает подниматься. Вода начнет конденсироваться, как только посылка остынет до точки росы . Эта конденсация обеспечивает тепло поднимающейся посылки. Этого недостаточно, чтобы полностью противодействовать охлаждению из-за подъема. Градиент падает до нового значения, влажного адиабатического градиента. И снова посылка продолжает подниматься до тех пор, пока температура посылки остается выше температуры окружающего воздуха.

Есть еще два важных градиента: градиент атмосферы и градиент окружающей среды. Адиабатические градиенты диктуются исключительно газовыми законами и гидростатическим балансом атмосферы. Атмосферный градиент - это скорость, с которой температура действительно падает с увеличением атмосферы. Это может быть или не быть линейным, и оно может соответствовать или не соответствовать адиабатическим градиентам. Если атмосфера остывает с высотой быстрее, чем поднимающиеся порции воздуха, то эти порции поднимутся на вершину тропосферы. Инверсия температуры в тропопаузе образует очень сильный барьер для поднимающихся воздушных масс. Поднимающиеся посылки перестанут подниматься в тропосфере, если градиент атмосферы меньше адиабатического. Наконец, вертикальный градиент окружающей среды представляет собой наблюдаемое среднее значение вертикального градиента атмосферы, со средним значением, взятым с течением времени и по всему миру. Это профиль, изображенный на графике выше.

Этот перенос тепла за счет конвекции является одним из двух ключевых механизмов, с помощью которых тепло передается от нижних слоев атмосферы к более высоким уровням. Другой механизм — парниковый эффект. В то время как наша атмосфера более или менее прозрачна в видимом диапазоне длин волн, она более или менее непрозрачна в тепловом инфракрасном диапазоне. Водяной пар, углекислый газ и метан являются ключевыми парниковыми газами, которые вызывают это парниковое потепление. Точно так же, как мы используем одеяла зимой, чтобы согреться ночью, эти парниковые газы действуют как одеяло, замедляя передачу теплового излучения от нагретой солнечным светом поверхности в черноту космоса. Конвекция преобладает над радиационным теплообменом, если конвекция возможна. Парниковые газы и возникающий в результате радиационный теплообмен создают условия, подходящие для возникновения конвекции.

А второй закон термодинамики?
Однородная температура атмосферы максимизирует энтропию атмосферы. Любое отклонение представляет собой отклонение от этой максимальной энтропии. Существование градиента, кажется, идет вразрез со вторым законом термодинамики. Энергия может вызывать и вызывает отклонения от теплового равновесия. Мой кондиционер и холодильник пользуются этим преимуществом. Мой кондиционер и холодильник не нарушают второй закон термодинамики. Ни атмосфера.

Парниковые газы создают условия в атмосфере, при которых адиабатический градиент становится локальным максимумом энтропии. Конвекция перемещает атмосферу к этому локальному максимуму. Наконец, солнечный свет обеспечивает энергию, которая управляет конвекцией. Существование градиента не нарушает второй закон термодинамики.

Почему на Тибетском плато так холодно и так тепло?
В одном из ответов используется Тибетское плато для объяснения скорости отклонения. С этим есть одна проблема: разница температур между местами на Тибетском нагорье и местами на уровне моря на той же высоте намного меньше, чем предполагает градиент. Лхаса, например, на высоте 3490 метров средняя круглогодичная максимальная температура составляет 15,8 ° C, а средняя минимальная - 1,5 ° C. Скорость изменения температуры окружающей среды в 6,5 К/км предполагает, что в Лхасе должно быть значительно прохладнее. Самые высокие границы леса в северном полушарии находятся на южных окраинах Тибетского плато. Тибетское нагорье довольно теплое, учитывая его большую высоту. Скорость градиента объясняет, почему Тибетское плато должно быть прохладным, и это так. Почему так тепло?

Ответ в том, что плато очень высокое. Свободный воздух на этой высоте нагревается довольно косвенно от земли далеко внизу. Промежуточный воздух крадет большую часть восходящего тепла. Скорость заброса идет полным ходом. Плато обогревается непосредственно возвышенностью земли. Солнечный поток выше, чем на уровне моря из-за большой высоты плато. Плато на самом деле является основным источником тепла для верхних слоев атмосферы. Начиная с 1950-х годов на эту тему опубликовано большое количество научных статей .

Пока мы не поднимаемся намного выше (мы застреваем в тропосфере), нижние области атмосферы можно приблизительно представить как массу идеального газа (это стандартная атмосфера, которую мы используем в нашем курсе аэродинамики), так что мы можем рассматривать это, используя закон идеального газа ($PV\propto T$). По мере того, как мы поднимаемся все выше и выше, атмосферное давление уменьшается, вызывая падение температуры (поскольку они прямо пропорциональны).

В этой таблице показано изменение давления в зависимости от высоты в фунтах на квадратный дюйм.

Дополнительные сведения см. в разделе Скорость задержки в Википедии.

В среднем Международная организация гражданской авиации определяет международный стандарт атмосферы с градиентом температуры от 6,49 ° C / 1000 м (3,56 ° F или 1,98 ° C / 1000 футов) от уровня моря до 11 километров (36000 футов). На высоте от 11 до 20 километров (от 36 000 до 66 000 футов) постоянная температура составляет -56,5 ° C, что является самой низкой предполагаемой температурой в ISA.

Как сказал Марк, содержание водяного пара в воздухе также играет важную роль. При изменении влажности следует учитывать различные градиенты. Даже незначительное отклонение может существенно повлиять на скорость отклонения.

К этому моменту должен был возникнуть естественный вопрос: « Почему тогда давление снижается? »

Поскольку молекулы воздуха здесь, на более низких высотах, испытывают вес ($mg$) молекул над ними, тем самым создается результирующая сжимающая сила. Хотя сила очень мала (порядка$10^{-25}$что ли) для отдельной молекулы, если рассматривать в целом (несколько километров в глубину и ширину), вес нетто большой! По мере увеличения высоты сила, направленная вниз, также уменьшается из-за уменьшения плотности молекул.

И (как говорят Крис и Джон), когда мы поднимаемся в верхние слои атмосферы, температура начинает повышаться с высотой, так как воздух нагревается непосредственно солнечным излучением!

Гравитация притягивает воздух ближе к более низким высотам. По этой причине атмосферное давление выше на более низких высотах. Это более высокое давление также приводит к более высокой температуре, как это впервые описано в законе Гей-Люссака (давление пропорционально температуре).