本文轉自【科技日報】；
在蘇東坡的《水調歌頭》中有一句寫道「我欲乘風歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒」，這裡點明了一個科學小常識——海拔越高氣溫越低。
我們生活中也確實有這樣的體會，例如許多避暑勝地都在高山上，還有很多高山的頂端被終年不化的積雪覆蓋。
「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攝氏度左右，因此我們坐飛機的時候，飛機艙外面的溫度能達到零下50攝氏度之低。
熱空氣不是會向上走嗎，為什麼高處還是那麼冷？
熱空氣上升途中會膨脹冷卻
生活中我們能直觀感受的一點，就是太陽光能帶來熱量。
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，使得地球表面成了新的熱源。就像在空氣底部點燃了一把火，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。
不過物理學中還有另外一個現象：熱空氣向上運動，冷空氣向下運動。這種現象的原理在於熱脹冷縮，熱空氣膨脹密度變小，冷空氣密度較大，熱空氣就「浮」了上去。熱氣球就是利用了這一原理飛起來的。
為什麼地球大氣看上去不符合這個原理呢？
這是因為在地球引力的吸引下，空氣會呈現越往高處越稀薄的情況，因此較高的空中氣壓較小，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，在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，但在上升中發生了膨脹和冷卻，所以並不會使上層的空氣溫度升高。
極高處也可能「不勝熱」
文章開始提到的「高度每上升1000米，氣溫就下降6攝氏度左右」，適用的高度大約在3000米以下，而地表上冷下熱狀態的空氣所處高度基本也不超過1萬米。1萬米之上，情況是否又會有所不同呢？
事實上，地球表面從1萬米到幾萬米高度區域的大氣存在很多空氣成分，例如臭氧層可以吸收太陽光當中的紫外線等，所以這個區域內的高度越高，溫度也會變得越高。因為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。
這裡的空氣上熱下冷，加上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，基本不會發生上下空氣交換，故而氣流是非常穩定的，被稱為「平流層」，飛機也因此主要選擇在平流層靠近底部的位置飛行。
從平流層再向上幾萬米以內的區域叫做中間層，這個區域幾乎沒有臭氧，而氮氣和氧氣等氣體可吸收的太陽輻射又大部分被上層大氣所吸收，主要靠平流層承擔起熱源的角色，所以這裡再次出現了下面熱、上面冷的狀態。
從中間層再往高處去，直到再向上數千公裡範圍內，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。
而最「高處」，也就是進入到距離地球上千公裡的宇宙中，對那裡溫度的描述往往取決於宇宙帶電粒子的能量。太空飛行器在宇宙中飛行，接受陽光照射的地方溫度可能達到上百攝氏度，而背向太陽的一側則可能達到零下百攝氏度，這裡「寒」還是「不寒」，主要還是看加熱源，也就是太陽。如果未來人類有幸能前往到太陽的「勢力範圍」，會發現那裡的帶電粒子的溫度可高達上百萬攝氏度。（來源：科普中國）