Question

为什么海拔越高反而温度越低，不是离太阳更近吗？

Answer 1

这个问题可能是我们小时候都会考虑的一个问题，因为我们很早就听说过“高处不胜寒”，而且也亲眼或者在照片上看到过山顶上常年积雪的景象。但是那时并没有人为我们解释这个现象为何会这样，因为我们觉得太阳为地球提供了光和热，那么根据我们以往生活中的经验，我们肯定会认为只要离热源更近，温度肯定会越高，这一点确实没有问题，但是为何离太阳更近的山顶却比地面温度更低呢？

先说下太阳是如何发光发热的

太阳能发出耀阳的光芒和巨大的热量，这一点在我们人类 历史 上早已经被人们认识到了，而且也显而易见。因为我们地球上的生物生存都要依赖太阳所提供的能量，但是关于它如何能在非常长的时间尺度上为地球提供稳定的能量，我们人类也是在大约100年前才了解的。

一开始我们人类肯定会想到太阳的发光发热是通过燃烧燃料的方式进行的，就类似于我们地球上的燃烧反应，但是按照太阳的体积来说，化学反应所能提供的能量总量和时间尺度都不足以解释太阳真实的情况，通过燃烧燃料的话，太阳只能存在几万年的时间。

于是19世纪末开尔文勋爵和亥姆霍兹提出了开尔文-赫尔姆霍兹原理，说的是：太阳的能量来源于引力势能的收缩，虽然这个理论将太阳释放能量的时间提高到了2000万到1亿年之间，但是还是不能解释我们在地球上发现的地质和生物特征，也就是说，我们在地球上通过地质和生物线索发现地球的年龄要比太阳的年龄还要大。

这肯定是不可能的，到了20世纪初，人们对微观世界的研究让我们走进了原子内部，首次发现了原子核，它是由质子和中子组成的联合体。虽然将电子与原子核结合或者从原子中分离出去只会释放几个电子伏的能量，但是将一个质子或中子从原子核分离或者结合所释放的能量高达几百万电子伏。这种控制原子核的力称为强力，它能让原子核中微小的粒子通过结合或者分裂释放出巨大的能量。

核反应的发现也让我们找到了太阳发光发热的方式，在太阳的核心高温、高压将轻元素融合成为重元素并释放出巨大的能量，在太阳内部的聚变反应是将四个质子融合成氦-4的过程，氦-4会比四个质子轻7%，那么损失的质量会通过E=mc^2释放出高达2800万电子伏的能量。

通过核反应太阳可以在缓慢损失质量的过程中，持续不断的为地球提供能量长达120亿年左右。

太阳如何加热地球的

我们知道热量会从高能量系统转移到低能量系统，这其实就是热传递的过程，那么热传递主要由以下三种方式：

热传导：这种方式的热传递主要是通过介质的互相接触实现的。我们知道，任何物质都有由原子或者分子组成的，而原子和分子的在物质内的随机运动就表现出了热能，当一个物质和两外一个物质表面相互接触时，随机运动剧烈的物质粒子会通过碰撞的方式将动能传递给运动较慢的物质粒子，这种动能的传递就实现了热能的传递。

例如：当我们身体的温度高于外界空气时，冷空气粒子会通过于我们皮肤的频繁碰撞获得更高的动能，并带走热量。反过来也是一样的，热空气中快速运动的粒子会将动能传递给我们皮肤表面的粒子，从而加热我们体表。

热对流：这种传递热的方式主要发生在流体内。例如：烧水的时候，热水从壶底上升，将热量带到上部，冷水下降，在壶底继续被加热，这样有利于流体内部快速达到热平衡状态。还有我们冬天使用的暖气也是同样的道理。

热辐射：这种热量传递的方式不需要任何介质的参与，而是通过释放和吸收能量载体粒子的方式实现的热传递效应。在宇宙中任何高于绝对零度的物体都会发出热辐射来向外释放热量。而我们的太阳和地球之间基本属于真空状态，所以热辐射是唯一在太空中传递热量的方式。

太阳所发出的电磁辐射波谱近似于黑体，是一种连续的波谱。从长波无线电波到可见光，再到x射线，太阳发出的能量分布在整个光谱范围内。但是可见光不断达到了峰值，也就是说太阳发出的电磁辐射中，主要集中在可见光范围。这就是为什么，我们地球上的生物都进化的对可见光波段的光子非常敏感。

而地球的能量来源主要就是接受太阳所发出的电磁辐射。

那么为何高出温度低呢？

这一点其实很好理解，我们只需要记住在太阳光中可见光波段的光占了很大的一部分。而我们地球上大气并不能直接吸收可见光的能量。所以可见光就会直接穿透大气层直接达到地球表面。

而地面却可以吸收可见光的能量并被加热，加热后的地面又会释放出波长比较长的红外辐射，这种波段的电磁辐射就可以被大气吸收，来增加温度。所以虽然地球大气温度的主要能量来源是头顶上的太阳，但是直接加热大气的确实地球表面。这一点我们在夏天时候的地面就可以看到一股股的热浪不断地上升，通过热对流的方式加热大气。

所以，地球地面附近的大气是首先被太阳加热地，而高层大气只会通过热对流的方式获得热量。所以越往高处走，温度越低。

我们生活中都有这样的感受，围着火堆时，距离火堆越近就感觉越热。而太阳就可以看做是一个巨大的“火堆”，那么理论上是不是距离太阳越近就越热呢？

并不是这样的。地球上的火堆能温暖的范围非常有限，距离稍微变化就会影响很大，这种变化我们感觉就会非常明显。而由于地球距离太阳达到1.5亿公里，这只是平均距离，地球的远日点和近日点相差在500万公里左右。

如果我告诉你，对于地球的北半球来说，地球在远日点时正好是夏季，也就是说地球在距离太阳最远时恰好是最热的时候，你相信吗？

但事实正是这样！这说明什么？与太阳的距离并非冷热的关键。简单想想，远日点比近日点与太阳的距离远了500万公里也不能影响地球北半球的冷热（甚至恰恰相反），地球上的那点海拔高度就更可以忽略不计了。

地球上海拔最高的珠穆朗玛峰也不到1万米，与500万公里相比几乎可以忽略不计，而与地球太阳距离1.5亿公里更是微不足道！

影响地球冷热程度最关键的因素有两点：太阳直射情况还有热量被地球吸收情况，太阳越是直射，地面温度就越是相对较高，比如赤道地区温度常年较高。而太阳热量照射地球时被地面和大气吸收一部分，其中地面吸收的更多，造成距离地面更近的地方温度相对更高。同时还有一点，随着海拔升高，空气变得比较稀薄，吸收热量和锁定热量的能力也会下降！这也是为什么金星并非距离太阳最近的行星，但却是平均温度最高的行星。

当然，如果你距离太阳足够近，距离的因素就会成为决定性的。比如说你距离太阳只有1万公里，估计会被烤焦！

为什么海拔越高反而温度越低，不是离太阳更近吗？

首先我们来了解一下什么叫温度？

温度是表示物体冷热程度的物理量，从微观上来讲是指物体分子运动的剧烈程度。

也就是说，物体分子密度越大，分子运动越活跃越剧烈，这个物体表现出来的温度就越高。

太阳当然是带给地球光和热的源头，我们地球表面的温度主要是靠太阳提供的，这个没错。

但太阳照射到地球的温度高低，与距离关系并不大。这是因为在地球上，太阳照射某处的距离变化，与太阳与地球的距离之比太小了。

太阳到地球平均距离约1.5亿公里，而地球最高峰的珠穆朗玛峰也才8844.43米，与海平面到太阳的距离之比，只有约1亿分之6，因此是可以忽略不计的。

在地球上，影响温度高低的主要因素有两个： 一个是阳光直射不直射。

阳光直射时，同样的热量所照射的面积就小，这样单位面积得到的热能就大，因此太阳直射时温度就高；太阳斜射时同样热量所照射的面积就大，单位平均得到的热量小，因此温度就要低些。

地球近日点约1.47亿公里，远日点约1.52亿公里，这之间相差了500万公里，这可比珠穆朗玛峰和地表之间这点距离大多了。但我们北半球的夏天却是在远日点，而冬天却是在近日点。

这就是因为地球歪着脖子转，有了一个南北回归线，随着太阳公转，太阳直射的地方会在这个回归线之间移动，直射到哪里哪里就是夏天，与近日点远日点毛关系都没有。

太阳直射和斜射还有一个阳光穿越大气层厚度的问题，斜射穿越得更厚些，直射穿越得就薄一些，因此中午直射时温度就高一些，早晨和傍晚斜射时温度就低一些。

二个是大气密度。

阳光照射地表与珠穆朗玛峰都在同一角度时，为啥温度不一样呢？

这就是气体分子的密度影响原因了。

气体分子密度越大，吸收的太阳能量就越多，分子运动就越激烈，我们感受到的温度就越高，反之就会越低。

因此温度与空气密度有密切关系，而空气密度又与海报高度和大气压有密切关系。一般来说，海拔越高，重力越小，气压也就越低，空气密度也就越低。

空气密度低，温度就低。

因此空气密度与海拔、气压、温度又有密切关系。

海平面空气密度在标准大气压下，也就是0℃、0海拔、1个标准大气压下，空气密度为1.293kg/m³，温度为25℃时，空气密度为1.205kg/m³。

计算气压与高度的对应关系公式为：空气密度ρ=1.293*(实际压力/标准物理大气压)*(273/热力学温度)

热力学温度=摄氏温度+273。

根据计算，海拔每升高1000m，相对气压降低约12%，随着高度降低率会递减；而气压随着高度升高，每1000米会降低约10%；温度则每升高1000米，相对降低约5摄氏度。

珠穆朗玛峰是地球最高峰，按高度8845m计算，比海平面温度要低44℃。

实际上，珠穆朗玛峰比这个温度还要低。

这是因为山顶常年被冰雪覆盖，对太阳光反射作用更强，地表吸收热量很少；大气稀薄，只有地表的三分之一，束缚地面长波辐射很少；还有风大，西伯利亚的冷空气吹过来进一步降低了温度。

据推测，珠峰最低温度可达到-60℃，人类监测到的最低温度为-41℃。

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