出品：科普中國
製作：王錚（中國科學院國家空間科學中心）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
我們很多人都會背大文豪蘇東坡的《水調歌頭》，其中有一句寫道「我欲乘風歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒」，也點明了一個科學小常識——海拔越高氣溫越低。
我們生活中也確實會體會到「高處不勝寒」，比如許多避暑勝地都在高山上，而且很多照片也顯示，高山的頂端往往都被終年不化的積雪覆蓋。
△被白雪覆蓋的喜馬拉雅山
（來源：https://dp.pconline.com.cn/photo/list_3290047.html）
「高處不勝寒」所說的高處的溫度，是指空氣、大氣的溫度。對於高處溫度低的現象有一個直觀的說法，即高度每上升1000米，氣溫就要下降6度左右，因此我們坐飛機的時候，飛機艙外面的溫度能達到零下50度之低。那麼再往高處呢，還會更加寒冷嗎？
熱空氣不是會向上走嗎，為什麼高處還是那麼冷？
要理解「高處不勝寒」，首先我們要搞明白地球的大氣是如何被「加熱」的。
生活中我們能直觀感受的一點就是太陽很溫暖，太陽光能帶來熱量。太陽光穿過透明的大氣來到我們身邊，我們的身體和身上的衣服通過吸收陽光，就能獲得太陽光帶來的能量，溫度提升了，我們也就感受到了溫暖。
自然的陽光以較短的波長為主，它們很容易穿透大氣。當短波長的太陽光到達地面被地面吸收後，地面就會被加熱，再加上地球本身產生的熱量，使得地面成了新的熱源。就好像在空氣底端點燃了一把火，離地面近的地方更加溫暖，離這個熱源遠、也就是越高的地方就會越冷。並且與以短波為主的太陽光不同，地面這一熱源溫度較低，所釋放的波波長較長，而它們更容易被大氣吸收。這樣一來，地面對大氣的加熱是自下而上的，越往上剩下的波和能量越少，最終地球形成了下邊熱、上邊冷的狀態。
不過我們也聽過一種說法：熱空氣向上運動，冷空氣向下運動。這個常見的說法原理在於熱脹冷縮，熱空氣膨脹密度變小，冷空氣密度較大，熱空氣就「浮」了上去。好比寒冬之際我們在房間裡放上暖爐，那麼接近房頂的部分就比下邊我們坐的地方更快暖和起來。熱氣球就是利用了這一原理飛起來的。
△利用加熱氣體的熱氣球（來源：Veer圖庫）
那麼地球大氣為什麼看上去不符合這個原理呢？因為雖然地表附近被加熱的空氣上升是很正常的，但是地球的空氣在地球引力的吸引下，會呈現越往高處空氣越少的情況。因此較高的空中空氣更加稀薄，氣壓較小，從下邊升上來的空氣反而因為密度太大，升上高空後會在氣壓作用下發生膨脹。對空氣來說，處於氣體狀態下發生這樣的膨脹，又沒有其他的熱源能加熱它，就會降溫而變冷。所以，地表附近的熱空氣的確在上升，但在上升中也發生膨脹和冷卻，並不會使上空的空氣溫度升高。
蘇東坡詞中的「高處不勝寒」，描繪的是神仙住的地方「瓊樓玉宇」，不過因為古人除了登山之外，沒有辦法達到很高的高空，因此他們的詩詞中所描繪的最高地，是符合我們上面所講的原理的。我們剛才說的「高度每上升1000米，氣溫就下降6度左右」大概適用的高度在3000米以下，而我們所描繪的上冷下熱的過程所處高度基本也不超過1萬米。而現在，我們平時出行坐的飛機普遍飛行都在1萬米以上的高度，在這種高度下，情況是否又會有所不同呢？
△飛機飛得比雲更高（來源：Veer圖庫）
高處也可能「不勝熱」？
其實地球的大氣，從1萬米到幾萬米的高度區域，存在很多空氣成分，例如我們經常能聽到的臭氧層，它們可以吸收太陽光當中波長較短的一些波，例如紫外線等，所以這裡高度越高，溫度會變得越高。加熱這一區域的主要是來自更高處的太陽發出的光，而不是地面。既然這裡的空氣上熱下冷，而客觀規律是熱氣密度較小而上升，冷氣密度較大而下降，所以在這裡的空氣上邊熱而輕，下邊冷而重，除了一些擾動過程外，不會再發生上下空氣交換，故而氣流是非常穩定的，被稱為「平流層」，飛機也因此會主要選擇在這一高度範圍內飛行。
從這個高度再向上幾萬米以內的區域叫做中間層，能夠加熱它的光成分很少，這裡再次出現了下面熱、上面冷的狀態。再往高處去，從八九萬米再向上的數千公裡範圍，這裡的空氣會被太陽光當中波長特別短的極紫外射線、X射線等加熱，所以在這超大的上千公裡範圍內，都是呈現下邊冷，上面熱的狀態。換言之，實際上地球大氣真正較高之處，是「高處不勝熱」的。
△地球大氣按照溫度的垂直分層（來源：https://ss0.bdstatic.com/70cFuHSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=1216810425,442108891&fm=26&gp=0.jpg）
高空大氣成分吸收這些波段的光可不單單會起到加熱的作用，這些波段的光能量非常高，它們可以使大氣的成分發生「電離」，也就是讓中性原子失去周圍的電子，變成帶正電的離子和帶負電的電子。在高度較低的區域（約幾百公裡高），這些帶電粒子所佔的比例比較低，大氣當中的中性成分和帶電粒子成分共同構成了一個具有特殊物理性質的區域，稱為電離層。它可以對無線電波傳播產生很大的影響。而在上千公裡以外，帶電粒子成為主要成分，甚至大氣成分全部電離變成帶電的粒子，它們會受到地球磁場的制約，故而這個區域也被稱為磁層。
而最「高處」，也就是高到上千公裡高的宇宙中，溫度的描述往往取決於帶電粒子的能量。由於密度特別低，這裡的溫度與我們在地面所說的熱或冷的狀態有所不同——比如太空飛行器在天上飛，有陽光等加熱的地方可能有上百度熱，背向太陽的一側則可能達到零下百度，這裡「寒」還是「不寒」，主要還是看加熱源。如果未來人類有幸能前往到太陽的「勢力範圍」，會發現那裡的粒子的溫度高達上百萬度。
△示意圖：從太陽（高溫）到地球周圍磁場範圍中（低溫）的等離子體
（來源：中國科學院國家空間科學中心）
這麼看來，蘇東坡能夠寫出「高處不勝寒」的詩句，與他所處時代的科技水平也有一定的關係。在已經能夠飛向宇宙的今天，科學技術的發展說明高處不一定就會更寒冷。