Виникає дуже логічне питання: якщо тепле повітря справді йде вгору, чому на вершинах гір холодніше, ніж унизу? Чому біля моря може бути тепло, а високо в горах у той самий час лежить сніг? Відповідь ховається не лише в русі повітря, а й у тиску, інформує Сonversation.
Що вище ми підіймаємося, то нижчим стає атмосферний тиск. Повітря розширюється, його енергія розподіляється на більший об’єм – і температура падає.
Чому тепле повітря взагалі піднімається?
Коли повітря нагрівається, воно справді стає легшим і може підійматися вгору. Так виникають термічні потоки – "терміки". Їх використовують планери, а також великі хижі птахи, наприклад південноамериканські кондори, які можуть довго триматися в небі майже без помахів крил.
Чому вершини гір вкриті снігом навіть літом / Фото unsplash
Це не означає, що тепле повітря залишається теплим на будь-якій висоті. Коли воно піднімається, навколишній тиск зменшується. Повітря розширюється, і його температура знижується. Саме цей ефект виявляється сильнішим за просту ідею "тепло піднімається".
Теплий потік може йти вгору, але дорогою він охолоджується. У певний момент його температура зрівнюється з температурою навколишнього повітря, і він уже не може підійматися так легко. Важливо й те, звідки взагалі береться тепло в нижніх шарах атмосфери. Сонце не нагріває повітря біля поверхні напряму так сильно, як може здатися.
У нижніх кількох кілометрах атмосфери мало газів, які добре поглинають сонячне світло. Насамперед Сонце нагріває поверхню Землі. А вже від землі прогрівається повітря – приблизно так, як вода в каструлі нагрівається від дна, коли каструля стоїть на плиті. Саме тому найтепліше зазвичай біля поверхні. Земля передає тепло повітрю знизу, і вже потім це повітря може підніматися.
Чому повітря охолоджується з висотою?
Земля повертає частину енергії назад у космос у вигляді тепла, або інфрачервоного випромінювання. Його довжина хвилі більша, ніж у видимого світла, але менша, ніж у мікрохвиль. В атмосфері є гази, які добре поглинають таке випромінювання. Це водяна пара, вуглекислий газ, метан та інші парникові гази. Саме завдяки їм повітря може нагріватися від тепла, яке випромінює Земля.
Найсильніше цей процес відбувається біля поверхні. Там повітря отримує більше тепла, стає легшим і ніби "бульбашками" підіймається в атмосферу. Але що вище піднімається повітря, то нижчим стає тиск. Через це повітря розширюється й охолоджується. У метеорології є спеціальний термін – вертикальний температурний градієнт, або lapse rate. Він показує, як швидко температура падає з висотою. У сухому повітрі температура знижується майже на 10 градусів на кожен кілометр висоти. Тобто приблизно на 1 градус на кожні 100 метрів підйому.
Якщо в повітрі є водяна пара, ситуація змінюється. Коли вологе повітря піднімається й охолоджується, воно вже не може утримувати стільки водяної пари. Частина пари конденсується й перетворюється на рідку воду. Під час цього процесу виділяється енергія, яка раніше була потрібна для випаровування води. Це тепло трохи підігріває повітря й уповільнює падіння температури. Тому у вологому повітрі температура в середньому знижується не на 10, а приблизно на 6,5 градуса на кілометр.
Як виглядають вершини гір влітку: дивіться відео
Що спільного між горами, хмарами й грозами?
Коли водяна пара в повітрі конденсується, утворюються крихітні краплі. Саме з них складаються хмари. Якщо краплі злипаються й стають достатньо важкими, вони падають на Землю як дощ. Тому хмари й дощ існують саме через те, що температура з висотою знижується. Повітря піднімається, охолоджується, водяна пара перетворюється на краплі – і в небі з’являються хмари.
Хмари, які утворюються з таких висхідних потоків, називають купчастими. Їх легко впізнати за нерівними, "кучерявими" верхівками, схожими на цвітну капусту. Такі форми виникають тому, що різні частини висхідного повітря мають різну кількість водяної пари. Там, де вологи більше, виділяється більше тепла під час конденсації, і повітря підіймається вище. Там, де повітря сухіше, воно не заходить так далеко. Якщо вологи дуже багато, може сформуватися грозова хмара. Тоді з’являються сильний дощ, грім, блискавка, а іноді й град.
У верхніх частинах таких високих хмар температура значно нижча за нуль. Там краплі води можуть перетворюватися на кристали льоду. Вони злипаються, ростуть і можуть випадати у вигляді граду або снігу. Блискавки теж пов’язані з рухом усередині глибокої купчастої хмари. Кристали льоду й краплі води стикаються, підіймаються й опускаються. Через ці зіткнення у хмарі накопичуються електричні заряди: позитивні – у верхній частині, негативні – в нижній.
Коли ми підіймаємося на вершину, ми просто потрапляємо в холодніші шари атмосфери. Ми віддаляємося від поверхні Землі, яка нагріває повітря знизу, і рухаємося в зону нижчого тиску. Тепле повітря може підійматися навіть із вершини гори. Але стартує воно вже з нижчої температури, ніж повітря біля рівня моря, бо перебуває в умовах нижчого тиску. Саме тому на високих вершинах часто лежать сніг і лід. Там достатньо холодно, щоб вони зберігалися протягом року.
Альпіністи, які підіймаються на дуже високі гори, зокрема Еверест, беруть із собою кисневі балони, бо повітря на таких висотах не лише холодне, а й дуже розріджене. Тож правило "тепле повітря піднімається" справді правильне. Просто в атмосфері є ще одне, сильніше правило: що вище ми піднімаємося, то нижчим стає тиск, повітря розширюється – і температура падає.