Wenn ein Luftpaket aufsteigt, beginnt es sich auszudehnen, wenn es auf weniger atmosphärischen Druck trifft. Dieses Phänomen ist im Alltag zu beobachten. Wenn Sie beispielsweise eine Tüte Kartoffelchips (im Grunde ein Luftpaket mit Junk Food) in eine höhere Höhe bringen, dehnt sich die Luft in der Tüte aus, wenn der umgebende Luftdruck abfällt. Der Clip unten zeigt eine SunChips-Tasche, die sich ausdehnt, während sie zum Pikes Peak in Colorado gefahren wird (wo der Luftdruck ~ 50% niedriger ist als der Meeresspiegel).
Dieselbe Art der Expansion ist in einem stabilen Ballon noch dramatischer zu beobachten. Der Zeitraffer-Clip unten zeigt einen aufsteigenden Wetterballon, der sich dem Verhalten eines Luftpakets annähert und sich ausdehnt, wenn der atmosphärische Druck während eines Aufstiegs von ~ 90.000 Fuß abnimmt. Der Ballon dehnt sich auf mehr als das 100-fache seines ursprünglichen Volumens aus, bis er schließlich „no more“ sagt und explodiert!
Eine schnelle Ausdehnung eines Luftpakets (wenn es auf einen niedrigeren atmosphärischen Druck trifft) führt zu einer erheblichen Abkühlung — im Allgemeinen um einige Grad oder mehr pro 1.000 Fuß. Der Wetterballon oben zum Beispiel kühlte auf weit unter den Gefrierpunkt ab, als er sich ausdehnte.
Diese Abkühlung tritt auf, weil ein Luftpaket auf molekularer Ebene einen Teil seiner inneren Energie verbraucht, wenn es sich ausdehnt. In gewissem Sinne wird Energie benötigt, damit das Luftpaket in die Umwelt „drückt“. Eine Verringerung der inneren Energie entspricht einer Verringerung der Wärmeenergie. Wenn also die innere Energie eines Gases abnimmt, nimmt auch seine Temperatur ab. (Wenn Sie sich für das detaillierte thermodynamische Verhalten von Gasen und die Art der sogenannten „adiabatischen Expansion“ interessieren, können Sie hier mehr erfahren.)
Ein gutes Haushaltsbeispiel für expansionsbedingte Kühlung ist das Auslassen von Luft aus einem Fahrradreifen. Ein Typ namens Ryan demonstriert dies unten auf YouTube. Ryan lässt Luft aus seinem Fahrradreifen strömen; die Luft dehnt sich natürlich aus, wenn sie sich von hohem Druck (im Reifen) zu niedrigerem Druck (außerhalb des Reifens) bewegt. Wie erwartet kühlt die Luft dabei stark ab, wie die Celsius-Temperaturanzeige zeigt.
Auf der anderen Seite, wenn ein Luftpaket auf einen höheren atmosphärischen Druck trifft, wird es komprimiert und warm. Ryan von oben hat ein weiteres Video gepostet, das zeigt, wie die Temperatur der Luft ansteigt, wenn sie zum Aufblasen eines Fahrradreifens komprimiert wird.
In ähnlicher Weise wird ein Luftpaket in freier Wildbahn komprimiert und erwärmt sich, wenn es sich von höherer zu niedrigerer Höhe bewegt. Der Anstieg des atmosphärischen Drucks zerquetscht das Paket, wodurch innere Energie auf es übertragen und seine Temperatur erhöht wird. Das ist ein Hauptgrund, warum Death Valley — der tiefste Punkt in Nordamerika – so heiß ist: jedes Luftpaket, das auf dieses Tief einer Höhe absteigt, wird dabei intensiv komprimiert und erwärmt.
Ein zweites lehrreiches Beispiel: Warum ist es in den Bergen kälter?
Berge sind aus demselben Grund kälter als tiefere Lagen, aus dem es außerhalb eines Flugzeugs kalt ist: Luft ist immer in Bewegung, und jede Luft, die sich in der Atmosphäre nach oben bewegt, dehnt sich aus und kühlt ab.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Flugzeugen und Bergen besteht darin, dass man auf einem Berg an Land steht — anstatt am Himmel zu fliegen. Land kann sehr effektiv die Energie der Sonne absorbieren und Wärme an die nahe gelegene Luft übertragen. Diese Art der Erwärmung findet nicht in der freien Atmosphäre statt, in der ein Flugzeug fliegt, da die Luft selbst das Sonnenlicht nicht leicht absorbiert.
Auf diese Weise erhöht das von der Oberfläche eines Berges oder eines Hochplateaus absorbierte Sonnenlicht die lokalen Temperaturen. Je größer die Oberfläche eines Berges ist, desto größer ist der Heizeffekt. Es gibt jedoch Gründe, warum Berge in niedrigeren Lagen immer noch kälter sind als Land.
Erstens ist die Luft immer in Bewegung: eine bestimmte Gebirgskette — selbst wenn sie durch die Sonne stark erwärmt wird – wird auf kalte Luft stoßen, die von anderen himmelhohen Orten einbläst. Ein Großteil dieser Luft wird ziemlich kühl sein, da sie nicht von einer sonnengebackenen Oberfläche erwärmt wurde. In der Tat hat die Erde eine relativ geringe Menge an hochgelegener Oberfläche und hat daher nur eine begrenzte Fähigkeit, hochgelegene Luft in großem Maßstab zu erwärmen.
Zweitens wird etwas Luft, die in den Bergen ankommt, aus niedrigeren Lagen aufgestiegen sein, sich ausgedehnt und aufgrund des Rückgangs des atmosphärischen Drucks abgekühlt sein.