Если горы ближе к Солнцу, почему на их вершинах так холодно?

Ясным летним утром туристы выходят из зелёной долины, где трава тёплая, а люди едят мороженое в футболках. Через несколько часов на вершине той же горы те же туристы натягивают шапки и перчатки рядом с пятнами старого снега, который так и не растаял до конца. Солнце там светит так же ярко. Пожалуй, на лице оно чувствуется даже сильнее. Так почему же воздух настолько холоднее?

Что часто понимают неправильно

В этой загадке обычно прячется скрытое допущение: вершина должна быть теплее, потому что она ближе к Солнцу. Она и правда ближе, но всего на несколько километров из многих миллионов. Солнечный свет от этого меняется так мало, что никто не смог бы этого почувствовать. Настоящая история мало связана с расстоянием и очень много — с тем, откуда воздух вообще берёт своё тепло.

И вот сюрприз. Солнечный свет в основном не нагревает воздух напрямую. Большая его часть проходит сквозь нижние слои атмосферы и нагревает землю, а уже земля греет воздух, который её касается. Как сказано в лекциях по физике Техасского университета в Остине, нижние слои атмосферы нагреваются снизу, а не сверху. Поэтому самый тёплый воздух обычно тот, что ближе всего к широким равнинам и долинам.

Как поднимающийся воздух сам себя охлаждает

Вторая причина ещё изящнее. Воздух у земли сжат весом всего воздуха над ним. Когда порция воздуха поднимается, на неё давит всё меньше воздуха, и она расширяется, а на расширение нужна энергия. Воздух расплачивается за это собственным теплом и остывает, ничего не отдавая окружающему. Физики называют это адиабатическим охлаждением, и в тех же лекциях сказано, что именно в нём главная причина того, что на высоте воздух холоднее.

Для совершенно сухого воздуха охлаждение составляет около 9,8 градуса Цельсия на каждый километр высоты — почти как старое правило горнолыжных курортов: градус на каждые сто метров. В настоящем воздухе есть водяной пар, и, когда воздух остывает, часть пара конденсируется в облака и возвращает немного тепла, поэтому на деле воздух остывает медленнее. Университетская корпорация атмосферных исследований называет стандартную среднюю величину: 6,5 градуса на каждые 1000 метров. Если на уровне моря 27 градусов, то на вершине высотой 4000 метров воздух будет около 1 градуса.

• ≈ 1 °C холоднее на каждые 100 м, правило горнолыжных курортов
• 9,8 °C на километр для совершенно сухого поднимающегося воздуха
• 6,5 °C на 1000 м, стандартный средний вертикальный градиент
• ≈ 12% больше ультрафиолета на каждые 1000 м высоты

Почему солнце всё равно греет лицо

Солнечный свет от всего этого слабее не становится. Наверху между вами и Солнцем меньше воздуха, который его фильтрует, поэтому свет доходит, сохранив больше ультрафиолета. По данным Гонконгской обсерватории, уровень ультрафиолета растёт примерно на 12 процентов на каждые 1000 метров подъёма. Вот почему на вершине можно мёрзнуть как в холодильнике и всё равно вернуться домой с порозовевшим от солнца носом, и почему солнцезащитному крему место в рюкзаке рядом с перчатками.

Так что холодная вершина — загадка не расстояния, а того, как устроен воздух. Тепло приходит снизу, поднимающийся воздух тратит его на расширение, и чем выше вы забираетесь, тем дальше вы от тёплого пола неба. В следующий раз, натягивая шапку на вершине холма, поблагодарите землю, которую оставили внизу, за всё тепло, что было у вас по дороге наверх.