när ett luftpaket stiger kommer det att börja expandera när det möter mindre atmosfärstryck. Detta fenomen kan observeras i vardagen. Om du till exempel tar en påse potatischips (som i grunden är ett luftpaket med lite skräpmat inuti) till en högre höjd, kommer luften inuti påsen att expandera när det omgivande lufttrycket sjunker. Klippet nedan visar en SunChips-väska som expanderar när den körs upp till Pikes Peak i Colorado (där lufttrycket är ~50% lägre än vad du skulle hitta havsnivån).
samma typ av expansion kan observeras, ännu mer dramatiskt, i en robust ballong. Time-lapse-klippet nedan visar en stigande väderballong, som approximerar beteendet hos ett luftpaket, expanderar när atmosfärstrycket minskar under en uppstigning på ~90 000 fot. Ballongen expanderar till mer än 100 gånger sin ursprungliga volym tills den äntligen säger ”inte mer” och exploderar!
snabb expansion av ett luftpaket (eftersom det möter lägre atmosfärstryck) kommer att få det att svalna betydligt — i allmänhet några grader eller mer per 1000 fot. Väderballongen ovan, till exempel, kyldes till långt under frystemperaturen när den expanderade.
denna kylning uppstår eftersom ett luftpaket på molekylär nivå använder en del av sin inre energi när den expanderar. På ett sätt krävs energi för att luftpaketet ska ”trycka ut” i miljön. En minskning av inre energi motsvarar en minskning av värmeenergi. Därför, när en gas inre energi minskar, så gör dess temperatur. (Om du är intresserad av det detaljerade termodynamiska beteendet hos gaser och arten av så kallad ”adiabatisk expansion” kan du lära dig mer här.)
ett bra hushållsexempel på expansionsrelaterad kylning är att släppa ut luft från ett cykeldäck. En kille som heter Ryan visar detta nedan på YouTube. Ryan låter luften rusa ut ur sitt cykeldäck; luften expanderar naturligt när den rör sig från att vara under högt tryck (inuti däcket) till lägre tryck (utanför däcket). Som förväntat kyler luften mycket i processen, vilket visas av Celsius-temperaturmätaren.
på baksidan, när ett luftpaket möter större atmosfärstryck, kommer det att komprimera och värma. Ryan från ovan publicerade en annan video som visar hur luftens temperatur ökar när den komprimeras för att blåsa upp ett cykeldäck.
på samma sätt komprimeras ett luftpaket ute i naturen och värms när det rör sig från högre höjd till lägre höjd. Ökningen i atmosfärstrycket klämmer på paketet och överför därmed inre energi till det och ökar dess temperatur. Det är en viktig anledning till att Death Valley — den lägsta punkten i Nordamerika-är så het: varje luftpaket som sjunker ner till den låga höjden genomgår intensiv kompression och uppvärmning i processen.
ett andra lärorikt exempel: Varför är det kallare i bergen?
Berg är kallare än lägre höjder av samma grundläggande anledning att det är kallt utanför ett plan: luft är alltid på rörelse, och all luft som rör sig uppåt i atmosfären kommer att expandera och svalna.
en stor skillnad mellan flygplan och berg är att när du är på ett berg står du på land — snarare än att flyga i himlen. Land kan vara ganska effektivt för att absorbera solens energi och överföra värme till närliggande luft. Denna typ av uppvärmning sker inte i den fria atmosfären där ett plan flyger, eftersom luften i sig inte lätt absorberar solljus.
på detta sätt kommer solljus som absorberas av ytan på ett berg eller en hög platå att verka för att öka lokala temperaturer. Ju större ett berg yta, desto större uppvärmningseffekt. Det finns dock skäl till varför bergen fortfarande i allmänhet är kallare än land på lägre höjder.
först är luften alltid på väg: en viss bergskedja — även om den värms upp avsevärt av solen-kommer att stöta på kall luft som blåser in från andra skyhöga platser. Mycket av denna luft kommer att vara ganska kylig eftersom den inte har värmts av en solbakad yta. Jorden har faktiskt en relativt liten mängd höghöjdsyta och har därmed begränsad förmåga att värma höghöjdsluft i stor skala.
för det andra kommer en del luft som anländer till Bergen att ha stigit upp från lägre höjder, expanderat och kylt på grund av nedgången i atmosfärstrycket.