اگر هوای گرم بالا می آید، چرا در بالای کوه ها سرد است؟

بالا آمدن هوای گرم یکی از شناخته شده ترین اصول فیزیک است. اگر در خانه ای با بیش از یک طبقه زندگی می کنید، می دانید که تهویه مطبوع چقدر برای بقای ساکنان بالای پله ها حیاتی است، اما برای ساکنان طبقه همکف چندان ضروری نیست. با این حال، قله‌های کوه اولین مکان‌هایی هستند که برف می‌بارد و ممکن است در طول سال پوشیده از یخ باشد. این تناقض ظاهری احتمالاً به چشم بسیاری از مردم آمده است.

دمای گاز معیاری از انرژی جنبشی اتم ها یا مولکول های سازنده آن است. انرژی بیشتر به معنای حرکت سریعتر است. اگر گاز در یک محفظه سفت و سخت مانند مخزن ذخیره شود، این به معنای فشار اضافی است. اما اگر ظرف انعطاف پذیر باشد (مانند بادکنک)، فشار اضافی روی مواد آن را به سمت بیرون می راند و باعث انبساط بادکنک می شود. در نتیجه وجود همین مقدار ماده در فضای بزرگتر، بالون سبک تر شده و باعث شناور شدن آن در بالای گازهای اطراف می شود.

بدون بالون، هوای گرم همین کار را می کند. این بدان معناست که منبسط می‌شود، فضای بیشتری را پر می‌کند و بالای هوای خنک‌تر زیر شناور می‌شود. در یک فضای بسته، هوای گرم تا زمانی که توسط سقف محبوس می شود بالا می رود و لایه گرم تری در طبقه بالا ایجاد می کند.

ممکن است انتظار داشته باشید که در فضای باز هم همین اتفاق بیفتد. بالاخره نور خورشید زمین را گرم می کند و هوای اطراف را گرم می کند و هوای گرم بالا می رود. شما می توانید تأثیر این پدیده را در روزهای آفتابی و بدون باد ببینید که در آن پرندگان شکاری یا خلبانان گلایدر می توانند با استفاده از هوای گرم اطراف ساعت ها با انرژی کم پرواز کنند. البته نباید به این نتیجه رسید که بدون نیاز به پوشیدن لباس گرم می توانیم به ارتفاعات برویم یا در آسمان اوج بگیریم، زیرا ممکن است در هوای بسیار سرد گرفتار شویم.

در فضای باز چیزی برای محدود کردن هوا وجود ندارد. هوای گرم منبسط می شود و فشار هوا دورتر از سطح زمین کاهش می یابد. از سوی دیگر، گرانش، مقدار زیادی از جو را نزدیک زمین نگه می‌دارد، بنابراین هر چه بالاتر بروید، مولکول‌ها پراکنده‌تر و فشار کمتری می‌شوند.

با بالا آمدن هوای گرم با فشار کمتری مواجه می شود و بیشتر منبسط می شود. این انبساط باعث خنک شدن آن می شود. راه های مختلفی برای تفکر در این مورد وجود دارد.

یک دیدگاه این است که وقتی گاز منبسط می شود، کار می کند (مانند آنچه در موتورها اتفاق می افتد) و انجام کار به معنای از دست دادن انرژی است. دما معیاری برای سنجش انرژی جنبشی است و از دست دادن انرژی باعث سردتر شدن گاز می شود.

دیدگاه دیگر این است که با پراکندگی بیشتر ذرات، ذرات جذب شده به یکدیگر انرژی بالقوه بیشتری به دست می آورند. از آنجایی که انرژی ایجاد نمی شود یا از بین نمی رود، این انرژی پتانسیل باید از جایی به دست بیاید و در این صورت از کاهش انرژی جنبشی ذره یعنی دمای آن حاصل می شود.

با بالا رفتن از جو، دما برای همیشه و به طور نامحدود کاهش نمی یابد. اگر اینطور بود به زودی به صفر مطلق می رسیدیم. در عوض، در مرز بین تروپوسفر و تروپوپوز (حدود 12 کیلومتر بالاتر از سطح زمین)، دما تثبیت می شود و سپس دوباره به منفی 60 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. پس از آن، روند دما دوباره معکوس می شود. علت این تغییرات دما به قدری پیچیده است که در این مبحث نمی توان به آن پرداخت، اما به طور کلی به عواملی مانند ترکیب متغیر گازها و طول موج تابشی که جذب می کنند بستگی دارد.

گاهی پدیده وارونگی دما رخ می دهد که در آن با افزایش ارتفاع، دما افزایش می یابد. هوا در ارتفاعات بالا می تواند پایین بیاید و چیزی شبیه سقف ایجاد کند و هوای گرم در زیر آن محبوس شود. در چنین شرایطی با افزایش ارتفاع هوا گرمتر می شود. چنین وارونگی هایی می تواند خطرناک باشد زیرا می تواند به کوهنوردان احساس امنیت کاذب در مورد دما بدهد. علاوه بر این، آنها آلودگی را در زیر خود به دام می اندازند که می تواند برای روزها ادامه یابد.

شواهد بسیار خوبی در حمایت از گرد بودن زمین وجود دارد. اما سرد شدن هوا با افزایش ارتفاع یکی از شواهد غیرمستقیم این موضوع است. هر چه در طول روز در اتمسفر بالاتر می روید، به خورشید نزدیکتر می شوید. یونانیان باستان فکر می کردند که این بدان معناست که با افزایش ارتفاع، هوا نیز افزایش می یابد. اما فاصله زمین و خورشید به قدری زیاد است که حرکت چند صد متری یا حتی چند کیلومتری به آن تفاوت محسوسی در دما ایجاد نمی کند.

با این حال، اگر به اندازه کافی بدشانس باشید که به دام زمینی های مسطح بیفتید، آنها ادعا خواهند کرد که خورشید به اندازه ای که ستاره شناسان آن را اندازه گیری کرده اند، که 150 میلیون کیلومتر با ما فاصله دارد، فاصله ندارد. در عوض، آنها ادعا می کنند که خورشید خیلی نزدیک و خیلی کوچک است. اما اگر خورشید واقعاً به این نزدیکی بود، ارتفاعات بالاتر به معنای نزدیک‌تر شدن به خورشید و دمای بالاتر بود.