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苏东坡在其著名的《水调歌头》中吟咏道：“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒”，这句词不仅描绘了诗人浪漫的想象，也蕴含了一个基础的地理科学现象：随着海拔的升高，气温会逐渐降低。
这一现象在我们的日常生活中屡见不鲜。例如，许多著名的避暑胜地都选择在山岳地区，因为高山的凉爽气候能够提供舒适的居住环境。此外，许多山峰的顶峰常年覆盖着皑皑白雪，这也是高海拔地区低温的直接证据。
“高处不胜寒”这句词所描述的温度变化，实际上是指高空中的空气温度。科学家们发现了一个普遍的规律：每上升1000米，气温大约下降6摄氏度。这个规律不仅适用于地面，也适用于高空。例如，当飞机在高空飞行时，机舱外的气温可能低至零下50摄氏度。
我们可能会疑惑，既然热空气通常会向上流动，为什么高处的温度反而会更低呢？这背后的原因在于热空气在上升过程中会发生物理变化。
热空气上升时会膨胀并冷却
在日常生活中，我们可以通过简单的观察来理解这一现象。例如，太阳光能够为地球带来热量。太阳光中的短波辐射能够穿透大气层，到达地面后被吸收，从而使地面温度升高。地球本身也会产生热量，因此地表附近通常比高处温暖。
然而，物理学中还有一个重要的原理：热空气会上升，而冷空气会下降。这一现象的原理在于热胀冷缩。热空气膨胀后密度减小，因此会“浮”在空中。而冷空气密度较大，因此会向下流动。热气球就是利用这一原理升空的。
为什么地球大气层并不完全符合这一原理呢？
这是因为地球的引力使得空气在高层变得更加稀薄。在较高的高度上，气压较低，从下方上升的热空气在进入高层后会因为气压的降低而发生膨胀。对于气体来说，在膨胀过程中如果没有其他热源加热，就会降温。
因此，尽管地表附近的热空气确实在上升，但在上升过程中会发生膨胀和冷却，从而导致高处温度更低。
极高处的温度变化
前面提到的“每上升1000米，气温下降6摄氏度”的规律，主要适用于海拔3000米以下的高度。而地表附近冷下热的空气状态，通常也不超过1万米的高度。在1万米以上的高度，情况可能会有所不同。
事实上，从1万米到几万米的高度区域，大气中存在多种成分，例如臭氧层可以吸收太阳光中的紫外线。因此，在这个高度范围内，温度会随着高度的增加而升高。这个区域的加热主要来自更高处的太阳辐射，而不是地面。
在这个高度范围内，空气的温度上热下冷，加上热空气密度较小而上升，冷空气密度较大而下降，因此在这个区域的上方，热而轻的空气会聚集，下方则是冷而重的空气。除了某些扰动外，基本不会发生上下空气的交换，因此气流非常稳定，这个区域被称为“平流层”。飞机通常选择在平流层靠近底部的位置飞行。
从平流层再向上几万米的高度区域称为“中间层”。在这个区域，几乎没有臭氧，而氮气和氧气等气体主要吸收的太阳辐射大部分被上层大气吸收。因此，这个区域再次出现了下面热、上面冷的状态。
从中间层再往高处去，直到再向上数千公里范围内，这里的空气会被太阳光中的极紫外射线、X射线等加热。因此，在这个超大的上千公里范围内，温度会随着高度的增加而升高。
在最“高处”，即距离地球上千公里的宇宙中，温度的描述往往取决于宇宙带电粒子的能量。航天器在宇宙中飞行时，向阳一侧的温度可能达到上百摄氏度，而背阳一侧则可能降至零下百摄氏度。在这个环境中，“寒”与“不寒”主要取决于加热源，即太阳。如果未来人类能够到达太阳的“势力范围”，会发现那里的带电粒子温度高达上百万摄氏度。
来源：科普中国
来源：科技日报