gdy paczka powietrza wzrośnie, zacznie się rozszerzać, gdy napotka mniejsze ciśnienie atmosferyczne. Zjawisko to można zaobserwować w życiu codziennym. Na przykład, jeśli weźmiesz worek chipsów ziemniaczanych (który jest w zasadzie paczką powietrzną z niezdrowym jedzeniem w środku)na wyższą wysokość, powietrze wewnątrz worka rozszerzy się wraz ze spadkiem ciśnienia otaczającego. Poniższy klip pokazuje worek SunChips rozszerzający się, gdy jest napędzany do Pikes Peak w Kolorado (gdzie ciśnienie powietrza jest ~50% niższe niż poziom morza).
ten sam rodzaj ekspansji można zaobserwować, jeszcze bardziej dramatycznie, w solidnym balonie. Klip poklatkowy poniżej pokazuje rosnący balon pogodowy, który przybliża zachowanie paczki powietrza, rozszerzając się wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego podczas ~ 90 000 stóp wzniesienia. Balon rozszerza się do ponad 100 razy swojej pierwotnej objętości, aż w końcu powie „nigdy więcej” i eksploduje!
gwałtowne rozszerzanie się paczki powietrza (gdy napotyka niższe ciśnienie atmosferyczne) spowoduje znaczne ochłodzenie — Zwykle o kilka stopni lub więcej na 1000 stóp. Balon pogodowy powyżej, na przykład, schłodził się do temperatury znacznie poniżej temperatury zamarzania, gdy się rozszerzył.
to ochłodzenie występuje, ponieważ na poziomie molekularnym paczka powietrza zużywa część swojej wewnętrznej energii, gdy się rozszerza. W pewnym sensie energia jest potrzebna, aby paczka powietrza „wypchnęła” do środowiska. Zmniejszenie energii wewnętrznej odpowiada zmniejszeniu energii cieplnej. Dlatego też, gdy energia wewnętrzna gazu zmniejsza się, podobnie jak jego temperatura. (Jeśli jesteś zainteresowany szczegółowym zachowaniem termodynamicznym gazów i naturą tak zwanej „ekspansji adiabatycznej”, możesz dowiedzieć się więcej tutaj.
dobrym przykładem chłodzenia związanego z ekspansją jest wypuszczanie powietrza z opony rowerowej. Facet o imieniu Ryan demonstruje to poniżej na YouTube. Ryan wypuszcza powietrze z opony roweru; powietrze naturalnie rozszerza się, gdy przechodzi od wysokiego ciśnienia (wewnątrz opony) do niższego ciśnienia (Na zewnątrz opony). Zgodnie z oczekiwaniami, powietrze znacznie chłodzi w procesie, co pokazuje wskaźnik temperatury Celsjusza.
z drugiej strony, gdy paczka powietrza napotka większe ciśnienie atmosferyczne, będzie się kompresować i ogrzewać. Ryan z góry opublikował kolejny film pokazujący, jak wzrasta temperatura powietrza, gdy jest ono sprężane w celu napompowania opony rowerowej.
podobnie, paczka powietrza na wolności zostaje skompresowana i ogrzewa się, gdy porusza się z wyższej wysokości na niższą wysokość. Wzrost ciśnienia atmosferycznego zgniata działkę, przenosząc do niej energię wewnętrzną i zwiększając jej temperaturę. To główny powód, dla którego Dolina Śmierci-najniższy punkt w Ameryce Północnej — jest tak gorąca: Każda paczka powietrza, która schodzi do tej niskiej wysokości, ulega intensywnemu ściskaniu i ocieplaniu w tym procesie.
drugi pouczający przykład: dlaczego w górach jest zimniej?
góry są zimniejsze niż niższe wzniesienia z tego samego podstawowego powodu, że jest zimno na zewnątrz samolotu: powietrze jest zawsze w ruchu, a każde powietrze, które porusza się w górę w atmosferze, rozszerza się i ochładza.
jedną z głównych różnic między samolotami a górami jest to, że kiedy jesteś na górze, stoisz na lądzie — zamiast latać po niebie. Ziemia może być bardzo skuteczna w absorbowaniu energii słonecznej i przenoszeniu ciepła do pobliskiego powietrza. Ten rodzaj ocieplenia nie występuje w wolnej atmosferze, w której leci samolot, ponieważ samo powietrze nie pochłania łatwo światła słonecznego.
w ten sposób światło słoneczne pochłonięte przez powierzchnię góry lub wysokiego płaskowyżu będzie działać w celu zwiększenia lokalnych temperatur. Im większa powierzchnia Góry, tym większy efekt grzewczy. Istnieją jednak powody, dla których góry są nadal generalnie zimniejsze niż ląd na niższych wysokościach.
po pierwsze, powietrze jest zawsze w ruchu: dane pasmo górskie — nawet jeśli jest znacznie ogrzewane przez słońce — napotka zimne powietrze nadmuchujące z innych wysoko położonych miejsc. Znaczna część tego powietrza będzie dość chłodna, ponieważ nie została ogrzana przez pieczoną słońcem powierzchnię. W rzeczywistości Ziemia ma stosunkowo niewielką ilość powierzchni wysokościowej, a zatem ma ograniczoną zdolność do podgrzewania powietrza wysokościowego na dużą skalę.
po drugie, część powietrza napływającego do gór wzniesie się z niższych wzniesień, rozszerzy się i ochłodzi z powodu spadku ciśnienia atmosferycznego.