【题】相比下面的空气来说，为什么高空的空气要冷一些？
【解】几十年前，伦敦气象学学会的主席阿奇巴尔德曾提出这样的问题：“为什么温度会随着高度的增加而降低？可能没有什么问题的结论解释起来能比这个更让人困惑了。”至今仍然有很多人不能正确地解释这一现象，所以再次提出这个问题仍然是很有意义的。
在解释中通常需要指出：太阳光供热对大气的影响是很微弱的，而地球表面的热量传导是大气热量的大半来源。
几年前，有一本科普读物曾这样回答读者的提问：“地球的主要热源是太阳。阳光可以自由地穿过大气层却没有使它变热。落到地表的光线把热量传给了土地，地表的空气因为土地的热量才变热。这就是上层的空气要比下层的冷的原因。”
但是问题是，在煤油炉上给锅里的水加热时面临着同样的条件：水通过被加热的锅底的热传导获得了热量，而相对于下部的水来说，上层的水所获得的热量并不比它少。原因就是，在“对流”过程中获得热量的下层液体一直被搅拌着。假如大气也是流动的，那么它们的温度在上下层大气的对流中也应该是一样的。然而实际上空气各处的温度却不是一样的。那这到底是怎么回事呢？
为了完成“上升”这样一种工作，上升的空气必须消耗能量，而这个能量恰好是来自于自己的热能储备。每千克空气上升400米需要损耗能量400焦耳。由此可以得知，因为空气的单位热容平均为1焦耳，所以温度会随着上升100米而下降1℃。这种降幅和实际测量是一样的。用这种非常讨巧的回答方式，很多权威的文献回答了这个问题。
然而上述的解释却并不完整，尽管取得了数据上令人满意的一致。它是基于“好像上升的气流真的是在完成工作”这样一种很错误的假设。就像浮在水面的木塞儿一样，空气是没有做多少功的。
从水底升到水面并不是木塞儿自己在做功，相反它是被做了功。上升的空气完全可以认为是被下沉的冷空气挤跑的；大量冷气团下降的能量促成了这项工作的完成。或者说，向上射出的子弹变冷难道也是因为消耗了自身的能量吗？当然不可能是。伴随着子弹势能的增加，它的动能会减少；机械能不会大量转化为热能是由能量守恒定律决定的。
另一种关于高空大气变冷的解释的错误之处还需要我们分析明了：在重力的影响下，上升气流的空气分子会随着高度的增加而减缓自己的运动速度。而温度的下降恰好是由于分子运动的减缓而造成的。有一位大科学家麦克斯韦就曾经被这个错误困扰了很久，虽然后来在他的《热学理论》一他纠正了这一点，他在这样写道：“重力并不会对气团中的温度分布产生任何影响。”必须认识到，对于所有分子来说，重力造成的气体分子的位移都是一样的，它们之间只会发生平行的移动，它们之间的相互位置不会发生任何变化。气体温度之所以不会发生变化是因为分子热运动并没有被破坏。
在上升中空气冷却的真正原因是一种所谓膨胀绝热性的概念。在上升的过程中越来越稀薄的气体单位面积受到的压力减少，于是气团膨胀起来，而膨胀代价就是消耗热能。不需要借助任何外在的能量，气体便可以改变自身压力的状态就叫作“绝热性”。
这种现象用数字量化是这样的。假如用T0表示近地面的空气温度，在高度h上的空气温度用Th表示，相应两点的气压用P0和Ph表示，那么空气升高高度h温度就会下降为：
这里的K表示空气恒压比热和恒容比热的比值。对于空气来说，K=1.4，所以
1-1/K=0.29
我们用一个具体的例子来计算一下在5.5千米的高度上，空气气压减小为地表气压1/2时的情况。在这里不考虑空气的湿度，假设空气是干燥的。
从T0-Th=T0（20.29-1）=0.22T0可得出
Th=0.78T0
如果17℃或者说290开，就是地面的温度，那么
Th=0.78×290=226（开）
即h高度的气温大约降低了-49℃～-47℃，接近于每升高100米就降低1℃。
但是实际上计算结果还是会有所变化的，因为空气随时都在受到水蒸气的影响：每升高100米，对于干燥的空气来说就降低1℃，而对于湿润空气来说大约就只有0.5℃。
总而言之，因为绝热膨胀上升的气团会冷却，因为绝热压缩下沉的气团会发热。相对于近地面空气温度来说，上层的空气温度总会低一些。因此，同时受热的情况下，混合的气团与下层的大气却不可能获得同样的温度。
小贴士
空气湿度为零的情况偶尔也会出现。1930年5月，气象学家莱特里就曾在海拔670米、气温20℃的土耳其某地测量到了零湿度的天气。1931年，我自己也曾经在中亚海拔700米的阿乌里阿塔遇到过这种现象。当时，我口袋中的湿度计两次显示了零湿度，但我和我的同伴并未出现任何异样的感受。
