太阳是个大火炉,离太阳近应该更热些,为什么高山反而比地面冷

原标题:太阳是个大火炉,离太阳近应该更热些,为什么高山反而比地面冷

太阳是个大火炉,它是地球表面最主要的热源,连续不断地以电磁波的形式向地表放射巨大的能量,科学家们把这种能量传递的方式称为太阳辐射。

我们冬天在屋里烤火,站得距离火炉近就热些,离得远就不热,这是任何人都知道的生活常识。按一般人的想象,地球上海拔愈高的地方,比如高山山顶,距离太阳相对要近一些,接受太阳的辐射也应多一些。按理说,海拔越高,气温也必然会相应地增高,事实却并非如此。

白雪皑皑的高山山顶

说一些连小学生都知道的科学常识:

世界第一高山喜马拉雅山的山脚下是一派枝叶繁茂的热带和亚热带森林的景色,山顶则是一片冰雪覆盖的寒带景色。

夏季去安徽黄山旅游,山麓暑气逼人,到了山顶却寒气袭人。

位于赤道附近的非洲海拔最高的乞力马扎罗山,在山麓地带是一派郁郁葱葱,枝繁叶茂的热带雨林景色,但山顶却是冰雪覆盖的极地风光。

懒洋洋的豹子背后就是乞力马扎罗山,山顶白雪皑皑,山下绿树聪聪

这些生活常识都说明,山顶高处的温度要比山脚下低很多,这种反常现象是为什么呢?

是距离的关系吗?

让我们先一起来考虑这样一个科学问题,离一个烧得很旺的炉子比如5公里远和6公里远,两者有没有什么区别呢?当然不会有多少区别,因为距离那么远,几乎都不会感觉到炉子的暖烘烘啦!

热乎乎的火炉是冬日里的最佳伴侣

同样道理,太阳离我们居住的地球距离大约15000万千米,而地球上最高的地方是世界第一高峰——珠穆朗玛峰,高9千米不到一点。这9千米相对于15000万千米来说,简直算不了什么。近了那么一点点距离,是不会影响到气候冷热的。可见高山反比平地冷,是另有原因的。

热量到了地球会发生什么?

对于大气层的温度问题,物理学家和气象学家都做了很多的研究,取得了众多成果。

地球外部的大气层

气象学家发现,太阳辐射在到达地面的过程中,受到环绕地球周围的大气的反射、散射、吸收作用而削弱。在这三种方式中,以反射作用最为重要,散射作用次之,吸收作用最小。从全球平均状况看,太阳辐射约有34%因反射和散射回到宇宙空间,19%被大气吸收,47%直接到达地面。

大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体尘埃等物质,被大气吸收太阳辐射的这部分能量即转变成热能。从这一情况说明,直接由大气吸收的太阳辐射的热能占比不高。由此可见,太阳辐射并非大气增温最主要的热源。

地球低层大气中含有较多的二氧化碳、水气等易吸热物质,这些物质对太阳的短波辐射几乎是透明的,即能让太阳的短波辐射直接到达地面。地面在接受太阳辐射的同时,再自地面向外进行地面辐射。地面辐射是长波辐射。低层大气中的吸热物质对长波辐射有很强的吸收能力,因而地面辐射几乎都能被大气所吸收。由此可见,地面辐射才是低层大气的主要热源。

大气层的辐射示意图

这中间还有个对流作用。地面把吸收到的热散射出来,把地面附近的空气 “烘“ 热。紧挨地面的这一层空气“烘“热了,就膨胀上升,由另一层比较冷的空气来接替,这一层空气又被“烘“热以后,接着又上升。这是冷热空气的对流。

大气中由此而增加的热能,一部分又以长波辐射的方式重新传回地面,称为大气逆辐射。大气逆辐射,补偿了地面辐射损失的一部分地球热量,对地面起了保温作用。这种作用和温室的作用类似,所以称为大气的温室效应。

当我们了解太阳辐射、大气辐射、地面辐射三者的关系后,就会懂得,随着海拔的增高,虽然太阳辐射增强了,但是由于空气变得愈来愈稀薄,吸收太阳辐射和水汽、尘埃和二氧化碳等不断减少。所以大气吸收太阳短波辐射和地面辐射的能力逐步减弱,大气保温条件不断变得差。

这样一来,海拔增高,地面以长波辐射的方式放出的大量的热能,就会因保温条件变差,而愈来愈多的散失在空中,并且散失的热能也愈来愈多地超过从太阳直接辐射中吸收的热能。因而,就形成随地势增高,气温越低的状况。科学家发现,海拔每升高1千米,气温就下降约6摄氏度。所以,从乞力马扎罗山山麓到山顶能见到从赤道到两极的自然景色就不足为怪了。

阿尔卑斯山的美丽风光

关于山地随着地势的增高,地表通过地面辐射向空中散失的热能,大大地超过太阳直接辐射的情况,可以从实地观测资料中得到证实。某科学团队对欧洲阿尔卑斯山的观测结果表明:3100米处的太阳辐射比300米处增加20%,而地面辐射则增加40%。这样就必然导致向空气散失的热量,随高度增加,使气温不断降低。

那么,距离地面高度越高,气温一定越低吗?

不一定。大气层的气温是否都是随着离地面高度的增加而降低呢?

不,因为大气从下往上可分为5个层,它们是对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层。对流层的气温随着离地面高度增加而降低。对流层顶到平流层的气温却随离地面高度的增加而上升,这是因为平流层中含有大量的臭氧,臭氧能大量吸收太阳光中的紫外线,高度越高,离太阳越近,得到的紫外线也就越多,因而温度升高。平流层的这种上热下冷的气温使大气比较稳定,水气含量较少,有利于高空飞行。现在飞机的飞行大多在这一层中进行。

地球大气的垂直分层及各层的温度变化

气温随着离地面高度的增加而升高的大气层还有暖层,离地面的高度为85—800千米。暖层的主要物质是氧原子,它直接吸收从太阳辐射出来的紫外线,上部温度会超过1000摄氏度。在太阳紫外线的强烈照射下,暖层处于高度的电离状态,因而能反射无线电波,使我们听到很远地方电台的广播。

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