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珠穆朗玛峰是地球上的最高点,离太阳应该也是最近,可为什么气温却比地面低?

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日报标题:珠穆朗玛峰峰顶离太阳近却那么冷,因为它还不够高

漠北,大气科学/强风暴物理学

珠穆朗玛峰峰顶离太阳近却比地面温度低,那是因为它还不够高,或者说是由于臭氧层的高度太高。

一、

高票答案的主要的关注点都在“几何高度”、“日地距离”等绝对高度,但是我觉得,这是不太合理的。

以下是理由:

1、高度越高温度越低在对流层以及中层大气内是成立的,所以中层大气也有高空对流层的别称。

2、而在平流层以及热层中,的确是高度越高温度越高。而热层顶在太阳活动期的温度甚至可以达到 2000K(由于热层的空气稀薄,分子平均自由程极大,这里的温度回归到了热力学的定义:反应分子平均动能,而不是人体能感觉到的冷热)。

3、所以,在平流层中,不论几何高度如何,不论从平流层底向上升千分之零点零零零零几的天文单位,只要没有超过平流层顶(就像珠穆朗玛峰从对流层底开始算起也没有突破对流层顶),的确是离太阳越近,温度就越高

所以,从绝对高度入手解释这个现象,是不合理的。

附图:大气铅直分层方法与结构

二、

题主的问题是:珠穆朗玛峰是地球上的最高点,离太阳应该也是最近,可为什么气温却比地面低?

我觉得回答这个问题应该从下面两方面入手,回答这个问题也就是要将下面这两个问题讲清楚。

而我觉得这俩个问题真正可以理解的朋友并不多,所以与其嘲讽题主不如多想想,许多问题的提出与解决都在习以为常的“常识”背后。

许多答主都提到了与下面这张图类似的图片(图上数据来源于 IPCC 的 2007 报告)

而我觉着,这张图片并不能完整的解释第二个问题,这张图反映了地 - 气系统的辐射平衡,从图的最上方可以看出从进入大气上界的太阳的辐射的值(342),是等于反射太阳辐射(短波部分)(107)与大气上界出射的长波辐射(OLR)值(235)的和。可以说这张图是将地 - 气系统看作了一个整体,反映辐射平衡。退一步来说,这张图里的确有反映大气的情况,但是,也仅仅将大气看做了一个整体,即一层大气(一层大气辐射相关内容烦请移步这个回答,即一层双面大气 + 一层单面地面的两层模式)。是没有办法解释大气在不同高度上的温度变化的。

所以,这张图片是没有办法回答题主的问题的。

以上两点,是我觉得现有答案并不能合理解释问题的原因所在。

三、回答

经过以上的分析,我分离出来的两个问题是你中有我,我中有你的关系。所以,我仅需将对流层平流层的温度变化原因解释,就可以说明以上两个问题了。

1、基础知识(供参考,关键在黑字)

根据普朗克定律(普朗克定律_百度百科)将黑体辐射曲线进行归一化: ,公式供参考,不影响阅读(从这里也可以看出来曲线下面积与温度无关)。

可以求出放出的黑体辐射随  的变化,根据数值的不同可以得到 6000K,300K,250K 处的归一化黑体辐射曲线[1]:

这分别代表着太阳、地表、大气的平均温度。

可以看出来约在 4 μm 处就可以很好的区分两种辐射了,根据普朗克定律,温度越高放出的辐射越集中于短波辐射,相应的温度越低,越向长波辐射处偏移。

所以,我们常常将太阳发出的辐射称之为短波辐射(能量集中在可见光波段和近红外波段),地面和大气放出的辐射称之为长波辐射(能量集中在红外辐射,所以也称热红外辐射)

而大气中不同的气体成分对长波短波辐射的不同吸收情况以及气体的分布,决定了大气的温度结构。

2、吸收辐射的气体  :水汽是 105°O-H 键张角的三角极性分子。由于转动带和振动带的结合使得水汽的吸收谱十分的复杂。在 6.3 μm处由于扭曲振动而存在的振动 - 转动带是最强、最宽的。其次是由于对称拉伸反对称拉伸在 2.7 μm处也有一个混合吸收区。所以,从上面的分类(4μm 为长短分界)可以看出来,水汽既可以吸收太阳短波辐射又可以吸收长波辐射,而且吸收长波辐射区几乎覆盖了整个地 - 气系统的长波辐射,这也使得水汽成为了一种重要的温室气体(然而水汽在大气中的含量短期局地多变,长期全球保持稳定,但如果持续上升可能存在正反馈机制使得水汽含量增加

:氧气的吸收主要在小于 0.26μm 的短波辐射区,0.20-0.26μm 的赫兹堡带,0.175-0.2μm 的舒曼 - 荣格带,0.13-0.175μm 的舒曼 - 荣格连续吸收带(最重要的吸收谱)。但由于吸收带主要位于紫外光区,太阳辐射能量很少(上面提到主要在可见光和近红外),所以吸收到的能量并不多。

的吸收主要在 0.2-0.36μm 处的哈金斯带,0.44-1.18μm 有一个微弱的吸收区称为查普斯带。臭氧的吸收主要在短波辐射,而长波辐射有弱的吸收,所以常说  也是一种温室气体。

:二氧化碳主要的吸收带是在 12-18μm 的反对称拉伸振动带,虽然二氧化碳分子还有对称拉伸振动,但由于电荷中心重合,所以没有吸收产生。二氧化碳吸收了长波辐射,使得相关波段的太阳辐射能量在高空就被吸收殆尽,而也会接受大部分的地面短波辐射,所以  也是一种重要的温室气体。

总结来说:

吸收短波辐射的气体: (比长波吸收弱)、(吸收能量很少)

吸收长波辐射的气体:

3、对流层大气与平流层大气

在对流层大气中,到达地面的短波辐射能量主要被地面吸收,大气吸收仅占一部分(第二张图 IPCC 那张图,地面吸收 168,大气吸收 67),所以热源是地面,地面放出了红外辐射,而水汽、 将红外辐射吸收是上层大气冷却的主因(红外冷却),越向上红外辐射的能量被吸收的越多,剩下的热辐射也就越少,所以越靠近的地面的气层温度越高。

在平流层大气中,由于臭氧层与整个平流层相重合(最开始的大气分层图),所以平流层的热源主要是臭氧吸收的太阳短波辐射离太阳越近,温度越高

四、最后

所以,回到题主的问题,从上面的解释来看,我们可以这么说:珠穆朗玛峰峰顶离太阳近却比地面温度低,那是因为它还不够高,或者说是由于臭氧层的高度太高

换句话来说,由于珠峰在对流层内,对流层内的大气吸收的主要是来自地面的长波辐射,越向高处热辐射能越少所以珠峰峰顶比地面温度要低

如果臭氧层的高度降低,甚至贴近地面,或者氧气可以大量吸收短波辐射。那么对流层和平流层的位置将会倒转,那时候的地球又是另一幅模样了。

通常大众听到的原因是 对流层的热源是地面,越靠近地面温度越高。

这也是许多人觉得这是常识的原因,殊不知常识的背后的原因是复杂和深远的,甚至为常识加上一句话,都要耗费很多的纸张去阐明背后的机理。

[1] 《大气物理(热力学与辐射部分)》

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