Теплый воздух поднимается вверх: почему же тогда чем выше в горы, тем холоднее
С детства мы знаем простое правило: теплый воздух поднимается вверх. Именно поэтому птицы могут часами кружить в небе, а планеры – ловить восходящие потоки и подниматься без двигателя.
Возникает вполне логичный вопрос: если теплый воздух действительно поднимается вверх, почему на вершинах гор холоднее, чем внизу? Почему у моря может быть тепло, а высоко в горах в это же время лежит снег? Ответ кроется не только в движении воздуха, но и в давлении, сообщает The Conversation.
Что выше мы поднимаемся, то ниже становится атмосферное давление. Воздух расширяется, его энергия распределяется на больший объем – и температура падает.
Почему теплый воздух вообще поднимается?
Когда воздух нагревается, он действительно становится легче и может подниматься вверх. Так возникают термические потоки – "термики". Их используют планеры, а также большие хищные птицы, например южноамериканские кондоры, которые могут долго держаться в небе почти без взмахов крыльев.
Это не означает, что теплый воздух остается теплым на любой высоте. Когда он поднимается, окружающее давление уменьшается. Воздух расширяется, и его температура понижается. Именно этот эффект оказывается сильнее простой идеи "тепло поднимается".
Теплый поток может подниматься вверх, но по пути он охлаждается. В определенный момент его температура выравнивается с температурой окружающего воздуха, и он уже не может подниматься так легко. Важно и то, откуда вообще берется тепло в нижних слоях атмосферы. Солнце не нагревает воздух у поверхности так сильно, как может показаться.
В нижних нескольких километрах атмосферы мало газов, которые хорошо поглощают солнечный свет. Прежде всего Солнце нагревает поверхность Земли. А уже от земли прогревается воздух – примерно так же, как вода в кастрюле нагревается от дна, когда кастрюля стоит на плите. Именно поэтому теплее всего обычно у поверхности. Земля передает тепло воздуху снизу, и уже потом этот воздух может подниматься.
Почему воздух охлаждается с высотой?
Земля возвращает часть энергии обратно в космос в виде тепла, или инфракрасного излучения. Его длина волны больше, чем у видимого света, но меньше, чем у микроволн. В атмосфере есть газы, которые хорошо поглощают такое излучение. Это водяной пар, углекислый газ, метан и другие парниковые газы. Именно благодаря им воздух может нагреваться от тепла, излучаемого Землей.
Сильнее всего этот процесс происходит у поверхности. Там воздух получает больше тепла, становится легче и словно "пузырьками" поднимается в атмосферу. Но чем выше поднимается воздух, тем ниже становится давление. Из-за этого воздух расширяется и охлаждается. В метеорологии есть специальный термин – вертикальный температурный градиент, или lapse rate. Он показывает, как быстро температура падает с высотой. В сухом воздухе температура снижается почти на 10 градусов на каждый километр высоты. То есть примерно на 1 градус на каждые 100 метров подъема.
Если в воздухе есть водяной пар, ситуация меняется. Когда влажный воздух поднимается и охлаждается, он уже не может удерживать столько водяного пара. Часть пара конденсируется и превращается в жидкую воду. В ходе этого процесса выделяется энергия, которая ранее была необходима для испарения воды. Это тепло немного подогревает воздух и замедляет падение температуры. Поэтому во влажном воздухе температура в среднем снижается не на 10, а примерно на 6,5 градуса на километр.
Как выглядят вершины гор летом: смотрите видео
Что общего между горами, облаками и грозами?
Когда водяной пар в воздухе конденсируется, образуются крошечные капли. Именно из них состоят облака. Если капли слипаются и становятся достаточно тяжелыми, они падают на Землю в виде дождя. Поэтому облака и дождь существуют именно из-за того, что температура с высотой понижается. Воздух поднимается, охлаждается, водяной пар превращается в капли – и в небе появляются облака.
Облака, образующиеся из таких восходящих потоков, называют кучевыми. Их легко узнать по неровным, "кудрявым" вершинам, похожим на цветную капусту. Такие формы возникают потому, что разные части восходящего воздуха содержат разное количество водяного пара. Там, где влаги больше, при конденсации выделяется больше тепла, и воздух поднимается выше. Там, где воздух суше, он не поднимается так высоко. Если влаги очень много, может сформироваться грозовое облако. Тогда появляются сильный дождь, гром, молния, а иногда и град.
В верхних частях таких высоких облаков температура значительно ниже нуля. Там капли воды могут превращаться в кристаллы льда. Они слипаются, растут и могут выпадать в виде града или снега. Молнии тоже связаны с движением внутри глубокого кучевого облака. Кристаллы льда и капли воды сталкиваются, поднимаются и опускаются. Из-за этих столкновений в облаке накапливаются электрические заряды: положительные – в верхней части, отрицательные – в нижней.
Когда мы поднимаемся на вершину, мы просто попадаем в более холодные слои атмосферы. Мы удаляемся от поверхности Земли, которая нагревает воздух снизу, и движемся в зону более низкого давления. Теплый воздух может подниматься даже с вершины горы. Но он начинает подниматься уже при более низкой температуре, чем у воздуха на уровне моря, поскольку находится в условиях более низкого давления. Именно поэтому на высоких вершинах часто лежат снег и лед. Там достаточно холодно, чтобы они сохранялись в течение года.
Альпинисты, которые поднимаются на очень высокие горы, в частности на Эверест, берут с собой кислородные баллоны, потому что воздух на таких высотах не только холодный, но и очень разреженный. Так что правило "теплый воздух поднимается" действительно верно. Просто в атмосфере есть еще одно, более сильное правило: чем выше мы поднимаемся, тем ниже становится давление, воздух расширяется – и температура падает.