اگر هوای گرم بالا می‌رود، چرا در قله‌ کوه‌ها هوا سرد است؟

چرا هوای گرم بالا می‌رود؟

دمای گاز معیاری از انرژی جنبشی اتم‌ها یا مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن است. انرژی بیشتر به‌معنای حرکت سریع‌تر است. اگر گاز در محفظه سختی مانند مخزن ذخیره‌سازی محبوس باشد، این امر به‌معنای فشار اضافی است. بااین‌حال، چنانچه ظرف انعطاف‌پذیر باشد (مثل بالون)، فشار اضافی روی ماده آن را به سمت خارج می‌راند و موجب انبساط بالون می‌شود. درنتیجه‌ی وجود همان مقدار ماده در فضای بزرگ‌تر، بالون سبک‌تر و موجب شناورشدن آن برفراز گازهای محیط پیرامون می‌شود.

بدون بالون، هوای گرم همین کار را انجام می‌دهد؛ بدین معنی که منبسط می‌شود، فضای بیشتری را پر می‌کند و برفراز هوای خنک‌تر زیر شناور می‌شود. در فضای بسته، هوای گرم بالا می‌رود تا زمانی که به‌وسیله‌ی سقف به دام انداخته شود و لایه‌ای گرم‌تر را در بالاترین طبقه ایجاد می‌کند

چرا معمولا با افزایش ارتفاع هوا خنک‌تر می‌شود؟

ممکن است انتظار داشته باشید در فضای آزاد نیز همین اتفاق رخ دهد. به هر حال، نور خورشید زمین را گرم می‌کند و هوای اطراف را گرم می‌کند و هوای گرم بالا می‌رود. می‌توانید تاثیر این پدیده را در روزهای آفتابی بدون باد ببینید که در آن پرندگان شکارچی یا خلبانان گلایدر می‌توانند ساعت‌ها با مصرف انرژی کم به کمک هوای گرم اطراف در آسمان بچرخند. البته، براین‌اساس نباید نتیجه‌گیری کرد که بدون نیاز به پوشیدن لباس گرم می‌توانیم به ارتفاعات برویم یا در آسمان اوج بگیریم، چرا که ممکن است گرفتار هوای بسیار سرد شویم.

در فضای آزاد چیزی برای محدود کردن هوا وجود ندارد. هوای گرم منبسط می‌شود و فشار هوا نیز با دورتر شدن از سطح زمین کمتر می‌شود. از طرف دیگر، گرانش حجم زیادی از اتمسفر را نزدیک زمین نگه می‌دارد، بنابراین هرچه بیشتر به سمت بالا بروید، مولکول‌ها پراکنده‌تر و فشار کمتر می‌شود.

وقتی هوای گرم بالا می‌رود، با فشار کمتری مواجه می‌شود و انبساط بیشتری پیدا می‌کند. این انبساط موجب خنک شدن آن می‌شود. به روش‌های مختلفی درباره این موضوع می‌توان فکر کرد.

یک دیدگاه این است که وقتی گاز منبسط می‌شود، کار انجام می‌دهد (مثل اتفاقی که در موتورها می‌افتد) و انجام کار به معنای از دست‌دادن انرژی است. دما معیاری از انرژی جنبشی است و از دست دادن انرژی موجب سردتر شدن گاز می‌شود.

دیدگاه دیگر این است که با پراکنش بیشتر ذرات، ذرات جذب‌شده به یکدیگر انرژی پتانسیل بیشتری به دست می‌آورند. از آنجایی که انرژی به وجود نمی‌آید یا از بین نمی‌رود، این انرژی پتانسیل باید از جایی به دست بیاید و در این مورد، ازطریق کاهش انرژی جنبشی ذره، یعنی دمای آن حاصل می‌شود.

اما نه همیشه و برای همیشه

با صعود در جو، دما به‌طور همیشگی و نامحدود کاهش پیدا نمی‌کند. اگر این‌طور بود، خیلی زود به صفر مطلق می‌رسیدیم. درعوض، در مرز بین تروپوسفر و تروپوپاز (حدود ۱۲ کیلومتر بالای سطح زمین) دما ثابت می‌شود و سپس دوباره افزایش پیدا می‌کند و به منفی ۶۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. پس از آن، دوباره روند دما معکوس می‌شود. علت این تغییرات دمایی چنان پیچیده است که در این مبحث نمی‌توان به آن‌ها پرداخت، اما به‌طورکلی با عواملی مانند ترکیب متغیر گازها و طول موج‌های تابشی که آن‌ها جذب می‌کنند، بستگی دارد.

گاهی اوقات پدیده وارونگی دما رخ می‌دهد که در آن با افزایش ارتفاع دما هم زیاد می‌شود. هوا در ارتفاعات بالا می‌تواند پایین بیاید و چیزی مانند سقف را ایجاد کند که هوای گرم‌ زیر آن به دام می‌افتد. در چنین شرایطی با بالا رفتن ارتفاع، هوا گرم‌تر می‌شود. چنین وارونگی‌هایی می‌تواند خطرناک باشد، زیرا می‌تواند موجب شود کوهنوردان درباره دما احساس امنیت کاذب کنند. علاوه‌براین، آن‌ها آلودگی را زیر خود به دام می‌اندازند که می‌تواند روزها ادامه داشته باشد.

ادعای زمین تخت‌گرایان

در پشتیبانی از گردبودن زمین، شواهد بسیار معتبری وجود دارد. بااین‌حال، سرد شدن هوا با افزایش ارتفاع یکی از شواهد غیرمستقیم این موضوع است. در طول روز هرچه در جو بالا بروید، به خورشید نزدیک‌تر می‌شوید. یونانیان باستان فکر می‌کردند این بدان معنا است که وقتی ارتفاع افزایش پیدا می‌کند، هوا نیز گرم‌تر می‌شود؛ اما فاصله زمین با خورشید آن‌قدر زیاد است که چند صد متر یا حتی چند کیلومتر نزدیک‌تر شدن به آن تفاوت محسوسی در دما ایجاد نمی‌کند.

بااین‌حال، اگر بدشانسی بیاورید و گرفتار زمین تخت‌گرایان شوید، آن‌ها ادعا خواهند کرد که خورشید آن‌طور که ستاره‌شناسان اندازه‌گیری کرده‌اند، یعنی در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری ما قرار ندارد. درعوض، آن‌ها ادعا می‌کنند خورشید خیلی نزدیک و خیلی کوچک است. اما اگر خورشید واقعاً آن‌قدر نزدیک بود، ارتفاعات بالاتر به معنای نزدیک‌تر شدن به خورشید و بالارفتن دما بود.