Hvorfor falder luftens temperatur med højden?

Hej spørg om fysik
Hvorfor falder luftens temperatur med højden? Jeg vil gerne begrunde og uddybe mit spørgsmål.

Jeg var en gang sammen med en del fysiklærere fra folkeskolen, som morede sig over et naivt spørgsmål der lød: Når varm luft søger opad, hvorfor er luften så koldere længere oppe?

Lærerne grinede af spørgsmålet, men de havde faktisk svært ved at komme med et ordentligt svar!

Nogle forsøgte sig med, at solen varmede jorden op, og jorden så varmede luften op, og dermed fortrinsvis den mængde luft, der var tættest på jordoverfladen.

Men så blev det svært at forklare, hvorfor luften over Den Tibetanske Højslette tæt ved jorden var forholdsvis kølig.

Andre forsøgte sig med, at der med højden var større afstand mellem luftmolekylerne. Det skulle bevirke at bevægelsesenergien / trykket på termometeret blev mindre og temperaturen faldt.

Så undersøgte de om temperaturen faldt, målt med et termometer, der blev placeret i en udpumpet glasbeholder fra fysiksamlingen. Her burde der være længere mellem luftmolekylerne.

Men temperaturen faldt ikke.

Så gik jeg på nettet og læste at luftmolekyler, der befinder sig højere oppe indeholder mere potentiel energi og dermed mindre kinetisk energi, som så bevirker at temperaturen er lavere.

En spændende forklaring, som dog kan være svær at forstå eller forklare over for folkeskoleelever.

For betyder det så, at hvis man har en meget dyb brønd vil temperaturen også stige med dybden,- upåvirket af, at der er varmere jo længere man kommer ned i jorden p.g.a. radioaktive processer.

Betyder det også at flydende og faste stoffer opfører sig på samme måde, at de får mindre potentiel energi jo længere vi kommer ned og dermed mere kinetisk energi, så temperaturen på bunden af Marianergraven er meget høj.

Noget andet, der så også er svært at forklare er, hvorfor temperature i luften igen stiger, når vi kommer op i 50 km højde.

Med venlig hilsen
LL

Det korte, simple svar er, at temperaturen falder med højden i troposfæren pga den vertikale opblanding (konvektion), der hele tiden kører dér. 

Samtidigt er der en hydrostatisk trykfordeling med højden. Dvs. luft, der bevæger sig opad, kommer under lavere tryk, udvider sig og bliver derved afkølet adiabatisk. I snit vil dette give den observerede klimatiske temperaturfordeling med højden i troposfæren. Tal: ca. 6-7 C/km i store dele af troposfæren og ikke 10 C/km pga. kondensationvarmens bidrag, men det er meget afhængigt af breddegraden og vandindholdet.

Man kan ikke sige, at den observerede temperaturfordeling SKYLDES opblandingen alene, fordi hvad hvis der nu ikke var opblanding? Og i den forbindelse er det jo vigtigt at kigge på f.eks. stratosfæren, hvor temperaturen ikke falder med højden. Dette HÆNGER sammen med forekomsten af f.eks. ozon og tilgængeligheden af sollys. (/se spørgerens bemærkning om de 50 km)

Så diverse processer og atmosfærens sammensætning indgår i et samlet koblet system, som kunne ende helt anderledes i udseende, hvis én eller flere parametre ændrer sig.

Nede ved overfladen vil temperaturen og forløbet i de første 500-1000 m være stærkt påvirket af varmebudgettet ved overfladen.

Den hydrostatiske balance gør, at indre energi og potentiel energi følges ad.

I højder over 100 km kan man ikke tale om temperatur i normal forstand, idet afstanden mellem molekylerne er så stor, at sammenstød er sjældne. Der er ikke tale om såkaldt lokal termodynamisk ligevægt over 100 km. Det er derimod tilfældet fra overfladen og op til 100 km.

I praksis kan man dog ofte bruge termodynamikken over 100 km alligevel, bare man kigger på store volumener.

Hvis luft i en dyb brønd er i god vekselvirkning med luften oven over vil den være varmere end ved jordoverfladen pga. sammentrykningen. Men det vil nok ikke være opfyldt i en virkelig brønd, her vil temperaturen være bestemt af omgivelsernes temperatur, som f.eks. i en dyb kælder.

Med hensyn til termometer i glasklokke udpumpet i fysiksalen, termometervisningen er i høj grad påvirket af den indstrålede varme fra omgivelserne (strålings ligevægt). Desuden er der i størrelsesorden 10¹⁴ molekyler (eller mere) pr. kubikcentimeter tilbage med skoleapparatur, så der er mildest talt ikke lufttomt.

For flydende og faste stoffer sker der naturligvis en ændring af trykket på overfladen eller på gassen, hvis man går ned i en dyb mineskakt, men den potentielle energi har ikke betydning for temperaturen, som ændres i ligevægt med omgivelserne, man får altså ikke varmet en kop vand op, ved at gå ned af en selv nok så lang trappe, med koppen i hånden, men er der tilstrækkeligt langt ned, vil man opdage, at man kan måle, at kogepunktet er steget lidt. Det er klart, at flyttes vand op og ned i en åben beholder, vil der kunne ske fordampning og kondensation, og det kan ændre temperaturen, men det er altså trykændring og ikke potentiel energi der er årsagen. I dybe huler eller på bunden af oceanerne bestemmes temperaturen først og fremmest af varmestrømmen ud fra jordens indre samt strømninger af vandet eller luften.

Med hensyn til temperaturfordelingen op igennem atmosfæren se også spørgsmålet:

• Hvad er tropopausen? >>

Med venlig hilsen
Aksel Walløe Hansen
Malte Olsen