wanneer een luchtperceel stijgt, zal het beginnen uit te breiden naarmate het minder Atmosferische druk ondervindt. Dit fenomeen is waarneembaar in het dagelijks leven. Bijvoorbeeld, als je een zak chips (dat is in principe een lucht pakket met wat junk food binnen) naar een hogere hoogte, de lucht in de zak zal uitbreiden als de omringende luchtdruk daalt. De clip hieronder toont een SunChips zak uit te breiden als het wordt gedreven tot Pikes Peak in Colorado (waar de luchtdruk is ~50% lager dan je zou vinden zeeniveau).
dit zelfde type Expansie is waarneembaar, nog dramatischer, in een stevige ballon. De time-lapse clip hieronder toont een opkomende weerballon, die het gedrag van een luchtpakket benadert, die uitdijt als de atmosferische druk afneemt tijdens een ~90.000-voet stijging. De ballon breidt uit tot meer dan 100 keer zijn oorspronkelijke volume, totdat hij eindelijk “niet meer” zegt en explodeert!
snelle expansie van een luchtpakket (als het een lagere atmosferische druk tegenkomt) zal ervoor zorgen dat het aanzienlijk afkoelt — over het algemeen een paar graden of meer per 1000 voet. De weerballon hierboven, bijvoorbeeld, koelde tot ver onder de vriestemperatuur toen het uitzette.
deze koeling vindt plaats omdat op moleculair niveau een luchtpakket een deel van zijn interne energie verbruikt wanneer het uitdijt. In zekere zin is er energie nodig om het luchtpakket in het milieu te laten” duwen”. Een vermindering van de interne energie komt overeen met een vermindering van de warmte-energie. Daarom, wanneer de interne energie van een gas afneemt, doet de temperatuur dat ook. (Als je geïnteresseerd bent in het gedetailleerde thermodynamische gedrag van gassen en de aard van de zogenaamde “adiabatische Expansie”, kun je hier meer leren.)
een goed huishoudelijk voorbeeld van expansiegerelateerde koeling is het laten van lucht uit een fietsband. Een man genaamd Ryan demonstreert dit hieronder op YouTube. Ryan laat lucht rush uit zijn fiets band; de lucht zet natuurlijk uit als het beweegt van onder hoge druk (in de band) naar lagere druk (buiten de band). Zoals verwacht koelt de lucht tijdens het proces veel af, zoals blijkt uit de temperatuurmeter van Celsius.
aan de andere kant, wanneer een luchtpakket een grotere Atmosferische druk tegenkomt, zal het comprimeren en opwarmen. Ryan van boven geplaatst een andere video laat zien hoe de temperatuur van de lucht toeneemt wanneer het wordt gecomprimeerd om een fietsband op te blazen.
op dezelfde manier wordt een luchtperceel in het wild gecomprimeerd en verwarmt wanneer het van hogere hoogte naar lagere hoogte beweegt. De toename van de atmosferische druk drukt het perceel, waardoor interne energie wordt overgedragen en de temperatuur wordt verhoogd. Dat is een belangrijke reden waarom Death Valley — het laagste punt in Noord-Amerika-zo heet is: elk luchtpakket dat daalt tot dat dieptepunt van een hoogte ondergaat intense compressie en opwarming in het proces.
een tweede leerzaam voorbeeld: waarom is het kouder in de bergen?
bergen zijn kouder dan lagere hoogtes om dezelfde fundamentele reden dat het koud is buiten een vliegtuig: lucht is altijd in beweging, en alle lucht die omhoog beweegt in de atmosfeer zal uitzetten en afkoelen.
een belangrijk verschil tussen vliegtuigen en bergen is dat wanneer je op een berg bent, je op het land staat — in plaats van in de lucht te vliegen. Land kan heel effectief zijn bij het absorberen van de energie van de zon en het overbrengen van warmte naar de nabijgelegen lucht. Dit soort opwarming gebeurt niet in de vrije atmosfeer waar een vliegtuig vliegt, omdat lucht zelf niet gemakkelijk zonlicht absorbeert.
op deze manier zal zonlicht dat door het oppervlak van een berg of een hoog plateau wordt geabsorbeerd, de lokale temperatuur verhogen. Hoe groter het oppervlak van een berg, hoe groter het verwarmingseffect. Er zijn echter redenen waarom bergen nog steeds over het algemeen kouder zijn dan land op lagere hoogtes.
eerst is de lucht altijd in beweging: een bepaalde bergketen — zelfs als deze sterk wordt verwarmd door de zon-zal koude lucht tegenkomen die vanuit andere torenhoge plaatsen binnen waait. Veel van deze lucht zal vrij koud zijn omdat het niet is opgewarmd door een zongebakken oppervlak. Inderdaad, de aarde heeft een relatief kleine hoeveelheid hooggelegen oppervlak, en heeft dus beperkte capaciteit om hooggelegen lucht op grote schaal te verwarmen.
ten tweede zal de lucht die in de bergen aankomt van lagere hoogtes zijn gestegen, uitgebreid en afgekoeld als gevolg van de daling van de atmosferische druk.