大气是如何被改变的?高处不仅不胜寒,还可能不胜热

出品:科普中国

  制作:王铮(中国科学院国家空间科学中心)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  我们很多人都会背大文豪苏东坡的《水调歌头》,其中有一句写道“我欲乘风归去,又恐琼楼玉宇,高处不胜寒”,也点明了一个科学小常识——海拔越高气温越低。

  我们生活中也确实会体会到“高处不胜寒”,比如许多避暑胜地都在高山上,而且很多照片也显示,高山的顶端往往都被终年不化的积雪覆盖。

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  △被白雪覆盖的喜马拉雅山

  (来源:https://dp.pconline.com.cn/photo/list_3290047.html)

  “高处不胜寒”所说的高处的温度,是指空气、大气的温度。对于高处温度低的现象有一个直观的说法,即高度每上升1000米,气温就要下降6度左右,因此我们坐飞机的时候,飞机舱外面的温度能达到零下50度之低。那么再往高处呢,还会更加寒冷吗?

  热空气不是会向上走吗,为什么高处还是那么冷?

  要理解“高处不胜寒”,首先我们要搞明白地球的大气是如何被“加热”的。

  生活中我们能直观感受的一点就是太阳很温暖,太阳光能带来热量。太阳光穿过透明的大气来到我们身边,我们的身体和身上的衣服通过吸收阳光,就能获得太阳光带来的能量,温度提升了,我们也就感受到了温暖。

  自然的阳光以较短的波长为主,它们很容易穿透大气。当短波长的太阳光到达地面被地面吸收后,地面就会被加热,再加上地球本身产生的热量,使得地面成了新的热源。就好像在空气底端点燃了一把火,离地面近的地方更加温暖,离这个热源远、也就是越高的地方就会越冷。并且与以短波为主的太阳光不同,地面这一热源温度较低,所释放的波波长较长,而它们更容易被大气吸收。这样一来,地面对大气的加热是自下而上的,越往上剩下的波和能量越少,最终地球形成了下边热、上边冷的状态。

  不过我们也听过一种说法:热空气向上运动,冷空气向下运动。这个常见的说法原理在于热胀冷缩,热空气膨胀密度变小,冷空气密度较大,热空气就“浮”了上去。好比寒冬之际我们在房间里放上暖炉,那么接近房顶的部分就比下边我们坐的地方更快暖和起来。热气球就是利用了这一原理飞起来的。

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  △利用加热气体的热气球(来源:Veer图库)

  那么地球大气为什么看上去不符合这个原理呢?因为虽然地表附近被加热的空气上升是很正常的,但是地球的空气在地球引力的吸引下,会呈现越往高处空气越少的情况。因此较高的空中空气更加稀薄,气压较小,从下边升上来的空气反而因为密度太大,升上高空后会在气压作用下发生膨胀。对空气来说,处于气体状态下发生这样的膨胀,又没有其他的热源能加热它,就会降温而变冷。所以,地表附近的热空气的确在上升,但在上升中也发生膨胀和冷却,并不会使上空的空气温度升高。

  苏东坡词中的“高处不胜寒”,描绘的是神仙住的地方“琼楼玉宇”,不过因为古人除了登山之外,没有办法达到很高的高空,因此他们的诗词中所描绘的最高地,是符合我们上面所讲的原理的。我们刚才说的“高度每上升1000米,气温就下降6度左右”大概适用的高度在3000米以下,而我们所描绘的上冷下热的过程所处高度基本也不超过1万米。而现在,我们平时出行坐的飞机普遍飞行都在1万米以上的高度,在这种高度下,情况是否又会有所不同呢?

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  △飞机飞得比云更高(来源:Veer图库)

  高处也可能“不胜热”?

  其实地球的大气,从1万米到几万米的高度区域,存在很多空气成分,例如我们经常能听到的臭氧层,它们可以吸收太阳光当中波长较短的一些波,例如紫外线等,所以这里高度越高,温度会变得越高。加热这一区域的主要是来自更高处的太阳发出的光,而不是地面。既然这里的空气上热下冷,而客观规律是热气密度较小而上升,冷气密度较大而下降,所以在这里的空气上边热而轻,下边冷而重,除了一些扰动过程外,不会再发生上下空气交换,故而气流是非常稳定的,被称为“平流层”,飞机也因此会主要选择在这一高度范围内飞行。

  从这个高度再向上几万米以内的区域叫做中间层,能够加热它的光成分很少,这里再次出现了下面热、上面冷的状态。再往高处去,从八九万米再向上的数千公里范围,这里的空气会被太阳光当中波长特别短的极紫外射线、X射线等加热,所以在这超大的上千公里范围内,都是呈现下边冷,上面热的状态。换言之,实际上地球大气真正较高之处,是“高处不胜热”的。

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  △地球大气按照温度的垂直分层(来源:https://ss0.bdstatic.com/70cFuHSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=1216810425,442108891&fm=26&gp=0.jpg)

  高空大气成分吸收这些波段的光可不单单会起到加热的作用,这些波段的光能量非常高,它们可以使大气的成分发生“电离”,也就是让中性原子失去周围的电子,变成带正电的离子和带负电的电子。在高度较低的区域(约几百公里高),这些带电粒子所占的比例比较低,大气当中的中性成分和带电粒子成分共同构成了一个具有特殊物理性质的区域,称为电离层。它可以对无线电波传播产生很大的影响。而在上千公里以外,带电粒子成为主要成分,甚至大气成分全部电离变成带电的粒子,它们会受到地球磁场的制约,故而这个区域也被称为磁层。

  而最“高处”,也就是高到上千公里高的宇宙中,温度的描述往往取决于带电粒子的能量。由于密度特别低,这里的温度与我们在地面所说的热或冷的状态有所不同——比如航天器在天上飞,有阳光等加热的地方可能有上百度热,背向太阳的一侧则可能达到零下百度,这里“寒”还是“不寒”,主要还是看加热源。如果未来人类有幸能前往到太阳的“势力范围”,会发现那里的粒子的温度高达上百万度。

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  △示意图:从太阳(高温)到地球周围磁场范围中(低温)的等离子体

  (来源:中国科学院国家空间科学中心)

  这么看来,苏东坡能够写出“高处不胜寒”的诗句,与他所处时代的科技水平也有一定的关系。在已经能够飞向宇宙的今天,科学技术的发展说明高处不一定就会更寒冷。

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