Strona głównaPytania → Dlaczego w wysokich górach powietrze...

Dlaczego w wysokich górach powietrze jest zimne?

Pytanie

Pyta Tomasz

Dlaczego w wysokich górach powietrze jest zimne, skoro to właśnie ciepłe powietrze jest lżejsze i unosi się ku górze?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski

Fajne pytanie, dotyczy podstaw fizyki atmosfery. Pomyślmy: co dzieje się z lekkim (mniej gęstym niż otoczenie), ciepłym (o temperaturze wyższej niż otoczenie) powietrzem unoszącym się w górę wskutek działania siły wyporu? Dla skupienia uwagi wyobraźmy sobie, że mamy do czynienia z pewną objętością — „balonikiem”  ciepłego powietrza. W miarę jak „balonik” wznosi się coraz wyżej, doświadcza coraz niższego ciśnienia — wszak ciśnienie to ciężar słupa powietrza (o jednostkowym przekroju poziomym) ponad balonikiem. W związku z tym balonik rozpręża się, zwiększa swoją objętość. Rozprężanie się gazu wiąże się ze spadkiem jego temperatury, stąd temperatura wznoszącej się w procesie konwekcji cząstki („balonika”, pewnej objętości powietrza) spada z wysokością. Ponieważ powietrze jest bardzo dobrym izolatorem cieplnym, ciepło z otoczenia nie przenika do cząstki ani z cząstki do otoczenia. Fizycy procesy termodynamiczne w których układ termodynamiczny (u nas „balonik”, cząstka) nie wymienia ciepła z otoczeniem nazywają adiabatycznymi. Wznosząca się cząstka powietrza rozpręża się zatem adiabatycznie.  W takim wypadku,  bez kondensacji pary wodnej (która może być w „baloniku”) spadek temperatury wznoszącej się cząstki powietrza wynosi 9,8 K/km (stopnia Celsjusza/Kelvina na kilometr).

W rzeczywistej atmosferze przemiany nie są idealnie adiabatyczne: cząstki mieszają się trochę z otoczeniem,  we wznoszących się „balonikach” dochodzi często do kondensacji pary wodnej (chmury) co spowalnia ochładzanie się powietrza podczas wędrówki w górę, a samo powietrze pochłania (w niewielkim stopniu) promieniowanie słoneczne i promieniowanie podczerwone  powierzchni ziemi. Stąd, w rzeczywistej atmosferze, w obszarze objętym konwekcją, temperatura spada średnio o 4-7 K/km.

Obszar atmosfery objęty konwekcją nazywa się troposferą, a jego grubość zależy od tego jaka jest temperatura powierzchni ziemi (co określa temperaturę najcieplejszych cząstek). Z oczywistych względów grubość troposfery jest większa w tropikach (sięga 16-20 km) niż w okolicach biegunowych (5-7 km). W leżącej nad troposferą stratosferze nie ma konwekcji, a temperatura powietrza rośnie z wysokością, co jest efektem pochłaniania promieniowania nadfioletowego Słońca przez obecny tam ozon (O$_3$). W jeszcze wyższej warstwie — mezosferze — temperatura znowu spada z wysokością, bo nie ma tam gazów pochłaniających obecne tam promieniowanie elektromagnetyczne. Jeszcze wyżej, w termosferze, następuje silne pochłanianie promieniowania słonecznego w dalekim nadfiolecie przez tlen cząsteczkowy (O$_2$) i kolejny wzrost temperatury powietrza z wysokością. Stąd opisywany (bez wyjaśnień) w podręcznikach do geografii podział atmosfery na warstwy.

A wracając do wysokich gór: gdyby Mt. Everest leżał na Antarktydzie, wspinając się nań powyżej 5-7 km nad poziom morza obserwowalibyśmy wzrost temperatury z wysokością.