大气温度变化和高度的关系

大气温度变化和高度的关系

――对高二物理必修课本一则阅读材料的补充说明

内容提要：引起大气温度变化的原因主要是绝热变化和辐射变化。在对流层范围内，气温随高度的增加而递减；在平流层范围内，气温随高度的增加而上升，高层大气温度变化状况复杂，呈现先降低后升高的状态。

关键词：大气温度物理地理

Key words：air temperature phyhics geography

根据日常生活经验，大家都知道：在不考虑逆温现象①的情况下，高度越高，气温越低。站在高山顶上明显的就要比山脚下冷，暑假去登泰山的人，出发时穿的是短袖，到顶上恐怕就得着毛衣了！这个道理人们自古就明白，苏轼在《水调歌头》中写到：“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。”民谚有云：“山中有四季，十里不同天。”都反映了气温随高度升高而降低的情况。

为什么会有这样的现象呢？这要从气体的性质谈起。大家知道，底层近地面空气由于受到地面辐射、太阳辐射和大气逆辐射的共同作用，温度上升、体积膨胀、密度变小，因而上升。大气压强随着高度的增加递减，上升气流由于周围气压逐渐减小，导致体积膨胀，排挤周围大气，对外做功，致使自身内能减少。由于上升气流多呈现为体积很大的气团状，气团与外部空气之间的热传递对整个气团的温度没有明显的影响，粗略的考虑可以忽略不计。在这种情况下，气体内能的变化就只取决于整个气团与外界之间相互做功的多少。由于气体在上升的过程中，气压一直是逐渐降低的，因此气团总是在对外界做功，它的内能也随之不断减少，温度不断降低。这种不与外界进行热交换，仅由于空气本身体积变化而引起的块空气温度的变化称之为绝热变化。在近地面，大约高度每增加1千米，气

温降低6― 7℃②。

那么，是不是在整个大气层范围内，气温随高度的增加而降低这个结论都成立呢？答案是否定的。要了解造成这种现象的原因，首先得介绍一下大气层。我们的地球被一层厚厚的气体所包围，这就是大气层。大气是多种气体的混合物，上界可溯到距地面2000―3000千米的高空。就整个地球来看，越是靠近核心，组成物质的密度就越大。全部大气层的质量有 5600万亿吨，由于重力作用，整个大气圈质量的 90％集中在高于海面16公里的空间内。高层的密度比低层要小得多，而且愈高愈稀薄。几乎全部大气圈的质量99.999％都集中在比海面高出8 0公里的界限以下；而所余无几的大气占据的空间却极为广大，探测结果表明，地球大气圈没有明显的边界。大气层根据高度可以粗略的分成三层，贴近地面的最底层是对流层，中间的是平流层，而处于最高处且体积最大的是高层大气,高层大气可进一步分为中间层、热层和外层。

在对流层范围内，根据物理公式得出的结论是成立的。对流层位于低纬地区距海面17―18 km ,高纬地区距海面8― 9 km ，层内大气主要成分是干洁空气，水汽和固体杂质。成分相同，性质相似，而且因为地面是对流层大气主要的直接热源，因此离地面越高，空气所得到的热量就越少，温度也就越低。温度随

高度的增加递减。

而在平流层，气温并不随高度增加而下降。平流层是自对流层顶至50―55 km范围的大气。在平流层中30 km以下范围，气温几乎保持在一个很低的温度，

不随高度的增加而变化。而在30 km以上范围，气温反而随高度的增加迅速上升。在平流层，绝热变化是空气随着高度的上升继续对外做功，向外释放能量。在绝热变化的同时平流层大气也在进行辐射变化，平流层的热量来源主要是臭氧吸收的大量太阳紫外线，在22―27 km的高空，臭氧的浓度达到最高，形成臭氧层，从太阳紫外线中获得的热量也随之增加。平流层的温度变化量是绝热变化引起的降温和辐射变化引起的增温的代数和，由于这里的辐射变化远远大于绝热变化，所以，这一区域和往上区域的气温随高度增加而上升。

在占据空间极为广大的高层大气，气压很低，空气密度很小。在距地80―5 00km的高空，因受太阳辐射和宇宙射线的作用，气体分子分裂成为原子，进一步电离成离子，整体处于高度电离状态，愈高这些作用愈强，于是在地球周围形成了能够导电、能够反射无线电波的电离层。到2000―3000km的高空，大气的密度已与星际空间的密度非常接近。由于高层大气的组成结构复杂，各高度之间差异较大，而且离地面非常之远，致使它的温度变化与距地面高度没有直接的联系。高层大气底层为中间层，是平流层和高层大气的分界处，仍然具有较高的臭氧含量，因此，这里也保持了较高的温度。高层大气中层为热层，这里没有足以引起气温升高的臭氧，太阳辐射和宇宙射线的作用也还不能使氧分子分离成为氧原子，因此，热层的温度将降到很低。高层大气的最高层叫外层，也叫散遗层。在外层，氧分子进一步分离成为氧原子，氧原子能像臭氧分子一样吸收大量的热，因而外层大气的温度又开始回升。高层大气温度变化很复杂，经历了一个由高温到低温再到高温的变化过程。这种现象取决于高层大气的结构和所处的位置。

可见，地球大气温度随高度上升而递减的结论并不是恒成立，《全日制普通高级中学教科书（试验修订本?必修）物理》第二册第12―13页的阅读材料《高空的气温为什么低？》中所得出结论的成立的是有条件的。文中大部分的叙述的和课后练习中讲的都是对流层的情况，基本成立，但仍可以加以说明。阅读材料最后一个事例，列举的是飞机。根据地理课本，远程的飞机飞行都是在平流层，也就是文中所说的“万米高空”，这个事例就不符合单根据物理推理得出的结论了，建议加以修改，使之更加的严谨、科学。

大气层是重要的，又是有趣的，它与我们的生活息息相关，包含了无穷的奥秘和知识。自古以来，人类对大气的研究和探索就从未停止过，相信随着科学技术的发展，我们对大气层、对地球、对整个物质世界的了解和研究将会更详细，

更深入！

①逆温现象：当天空中存在大量含较多水分的云层时，云层可以大量的吸收热量，且恒温性能较好。而地面吸热、散热速度均较快，因此在夜间时，没有太阳辐射，有可能云层附近仍保持较高温度但地面附近已是低温。这种在近地面呈现的温度

下低上高的现象为逆温现象。

②干燥空气绝热变化递减率为0.98℃/100m，水饱和空气绝热变化递减率为

0.50℃/100m，但现实生活中的空气并不呈绝对干燥或水饱和。《全日制普通高级中学教科书（试验修订本?必修）物理》第二册第12―第13页：“……对于干燥的空气，大约每升高1km温度降低7℃……”人民教育出版社网站>>科学知识>>科学时代>>科学小品>>科学美文《地球的面纱》：“……平均每升高 1公里，温度就要降低大约6.5℃……”（.c n/kexue/kxsd/story/pin-b-21.htm）在下所在中学的地理教学中所用数据为“高度每上升 1千米，气温下降6℃”鉴于各处数据不同，在此取其区间数。