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圖/小格
圖/小格
文/山羊
阿嬤喜歡暑假去高約800~2000公尺的溪頭避暑,因為均溫只有21℃左右,比平地涼爽許多。
講到這件事,小明一直想不透:水星與金星離太陽近,表面溫度比我們地球高。所以,山頂離太陽近,應該比平地更熱才對。但為什麼海拔愈高,溫度反而愈低?比如玉山主峰高3952公尺,冬天均溫都在-3℃左右,成了台灣最冷的地方?
地面輻射 氣溫遞減
我們都知道太陽是個超級大火球,表面溫度高達5500℃。離它5800萬公里的水星以及1.08億公里的金星,比距離太陽1.5億公里的地球近很多,所以接收到多非常多熱量,表面溫度也就比地球高很多。
問題是,玉山山頂只比地面離太陽近4公里而已,即使地球最高的珠峰也才近9公里不到,跟1.5億公里這麼遙遠的天文數字比起來,根本微不足道,小得幾乎不會對山腳與山頂的溫度產生任何影響。也就是說,不會因為爬到幾千公尺高山上,那裡就會多得到一些太陽光而變得比較熱。
接著要釐清的是,有人以為地球上的空氣是直接被太陽光晒熱的,但其實我們周遭空氣的熱源,是經過一個「間接」的加熱過程。也就是說,大部分陽光穿過大氣層後,照射到我們的土地、海洋等地表。地表吸收了陽光後會開始變熱,接著再藉由「地面輻射」及對流等方式,慢慢把熱傳送給大氣。
明白這個道理後,就能解釋為什麼爬得愈高會變得愈冷。
首先,我們可以把吸收太陽熱能的地表想像成一部超級暖氣機,地面附近(山腳下)的空氣先被加熱,就像靠近暖氣機的出風口能接收較多的熱源一樣,感覺比較溫暖。可是愈往上爬,離地面愈遠,地面輻射散發到高空中的熱氣會遞減、變弱,空氣愈來愈冷,就像我們離暖氣機愈遠,溫度自然就愈低一樣。
一般說來,地表每升高100公尺,氣溫大約會降低0.6℃,這叫做「氣溫垂直遞減率」。所以,玉山山頂比平地低約24℃,珠峰上就終年酷寒,積雪不化。
空氣稀薄 壓力變小
第二個原因是由於地面上的空氣,被上面一層一層的空氣壓著,所以密度比較高,也就是空氣分子很多、很擠,碰撞頻繁,將部分運動能量以熱的形式釋放出來。這就像一群人緊貼在一起站著,可以緊緊困住從地面傳來的熱量,也能很有效率互相傳遞熱量,所以更容易吸收及保留熱能、維持溫暖。
但大氣密度及壓力會隨著海拔升高而遞減,高山上的空氣壓力會降低,空氣較稀薄。也就是那裡的空氣分子少又分散,碰撞次數減少,就像稀稀疏疏的一群人,又站得零零落落的,很難維持足夠熱量。這時,就算從地面接收到一點熱量,也會很快散失到周遭的空間,所以不容易吸熱,也比較難以保溫。
再用個簡單的比喻:地面空氣像一條厚棉被,熱氣不容易跑掉。山上空氣則像一層薄紗,熱氣很容易散掉。
還有一個有趣的科學原理,就是當空氣上升,壓力變小時,它就會「膨脹」,膨脹所需的能量來自空氣本身,導致空氣冷卻、溫度下降。這就像我們在做工一樣,會持續消耗掉身體的能量,讓活動力降低一樣。
小明問,是不是像打開可樂時,罐子裡壓力比較大的氣體「噗」一聲跑出來時,一下子「膨脹」開來,結果就覺得那股氣變得比較涼一樣?
沒錯!而且小明也終於了解,山上較冷是因離地面,也就是我們賴以取暖的「熱源」較遠,再加上大氣壓力低、空氣稀疏保不住熱,以及「膨脹冷卻」的關係,「離太陽近那麼一點點」是不會造成任何影響的。
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