愈高地方愈冷?

文/左卷健男 |2022.09.30
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圖/123RF
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文/左卷健男

「愈高的地方明明離太陽愈近,為什麼卻愈冷呢?」若有小朋友這麼問你,你會如何回答呢?

高原總給人清涼的印象,常被人們做為避暑的地方。而日本許多的高山,包括富士山在內,即使到了春天,山頂仍有未融的積雪。通常愈高的地方氣溫愈冷,平均每上升1000公尺,氣溫就會下降6.5℃。

因此,當東京(海拔0公尺)的氣溫為15℃時,輕井澤(海拔約1000公尺)的氣溫會是8.5℃;富士山山頂(約4000公尺)則是-11℃;飛行在海拔1萬公尺高空的客機,機外的溫度則約為-50℃。

影響氣溫的因素還有很多,所以各地的實際氣溫不會完全符合這個規則,不過大致上仍是正確的。那麼,為什麼愈高的地方愈冷呢?

服裝深淺 影響保暖

氣溫就是大氣的溫度,所以大氣的加熱機制會是影響氣溫的一大關鍵。物質吸收愈多陽光,被加熱的效果愈好。舉例來說,挑選冬季服裝時,你會選擇黑色服裝還是白色服裝呢?若不考慮美觀或設計感,僅以功能性做為標準的話,請你選擇黑色衣服。因為黑色衣服較能吸收陽光,較能保暖。或許也是因為這個理由,所以市面上冬天的衣服大多是深色。

另一方面,白色衣服容易反射陽光,很適合夏天穿著。在日照強烈的沙漠地區,人們的傳統服飾大多為覆蓋全身的衣物,乍看之下很熱,但這些衣物多以白色布料製成,覆蓋全身後可反射大部分的陽光,反而會讓人覺得比較涼爽。總之,陽光的吸收量與變暖的程度有正向的相關性。

大氣為透明無色,其實並不會吸收陽光。射向地球的陽光會穿透大氣抵達地表,地表吸收陽光後,溫度會上升,而溫度上升的地表,才是加熱大氣的熱源。因此,離地表愈近的地方愈溫暖,離地表愈遠、愈高的地方則愈寒冷。

熱氣上升 空氣膨脹

但還有一個問題。愈熱的空氣愈輕,愈容易往上升,這也是為什麼熱氣球能飛上天空。放置暖爐的房間內,熱空氣會往上飄,所以天花板附近的空氣會比較溫暖。既然熱空氣會往上飄,那高處應該比較溫暖不是嗎?

確實,在地表附近的溫暖空氣會往上升。然而,高空的空氣比較稀薄,這個氣壓環境,會使得從地面抵達高處的空氣團膨脹起來(絕熱膨脹)。一般來說,空氣經過加熱後會膨脹,但「絕熱膨脹」的情況卻不一樣,是因為氣壓變化引起的膨脹,結果反而會讓這團空氣冷卻(絕熱冷卻)。

也就是說,地表附近的溫暖空氣確實會上升,但這些空氣會在高空膨脹、同時冷卻,使高空維持低溫。

繼續往上 溫度反升

那麼,繼續往上的話,高空溫度仍會愈來愈低嗎?在距離地表30公里附近,有一層含有高濃度臭氧的臭氧層,可以吸收來自太陽的有害紫外線。紫外線也是陽光的一種,所以臭氧層吸收這些紫外線之後,溫度會上升。

因此,以地表上方11公里處為界線,這裡的氣溫為-50℃,愈往上氣溫會變得愈來愈高,到了地表上方50公里處,氣溫會上升到0℃。

在臭氧層這附近的大氣,下方是較冷較重的空氣,而上方則是較暖較輕的空氣,所以這段高度的大氣相對穩定許多,這裡就是平流層。

另一方面,從地表到11公里高空的區間內,下層是較溫暖、較輕的空氣,會與上層較冷、較重的空氣對流,彼此混合,所以稱做對流層。

這種對流活動所產生的上升氣流,會形成雲,再降下雨水,所以僅有對流層內會發生天氣現象。飛機在飛行時需避免大氣的上下擾動,所以會在對流層與平流層的交界處(稱做平流層底部)飛行,這也是為什麼當乘客從窗戶看出去時,雲朵總是在視線下方。

文字內容節錄自《有趣到睡不著的地球科學:變成化石沒那麼簡單》,快樂文化授權使用

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