Varmi leitar upp, af hverju er þá kaldara eftir því sem ofar dregur?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Varmi leitar upp, af hverju er þá kaldara eftir því sem ofar dregur?
Upprunalega hljóðaði spurningin svona:

Nú er vitað að heitt loft stígur upp og kalt loft leitar niður á við, hvernig stendur þá á því að það er kaldara uppi á fjöllum en niðri á láglendi?

Loftþrýstingur fellur með hæð. Við að lyftast þenst loft út þegar þrýstingur fellur. Varmi þess dreifist þar með á meira rúmmál og hiti þess lækkar.

Það er misskilningur að varmi leiti alltaf upp. Hann getur borist í allar áttir með geislun, leiðni eða streymi. Hins vegar leitar loft upp sé það hitað. Lofthjúpurinn sjálfur er oftast í flotjafnvægi, syndir í sjálfum sér. Hitni loft þenst það út (vex að fyrirferð), kólni það dregst það saman.

Gjarnan ímyndum við okkur loftinu skipt á litla loftböggla. Við getum fylgst með því sem gerist þegar við bætum varma í böggul eða kælum hann. Við mælum fyrst hita og berum saman við nágrannaböggla. Sé hitinn sá sami í okkar böggli og nágrönnum hans í sömu hæð telst flotjafnvægi ríkja. Böggullinn leitar hvorki upp né niður.

Ef við nú hitum böggulinn – en ekki nágrannabögglana – þenst loftið í honum út, rúmmál hans vex. Rammi sem áður markaði útlínur hans heldur honum ekki lengur, loft sleppur út fyrir mörk hans þegar hann hitnar. Minna loft er þannig í sama rúmmáli hans heldur en er í nágrannabögglunum – hann er orðinn léttari heldur en þeir. Þetta veldur því að hann flýtur ofar. Uppstreymið heldur áfram þar til hann finnur nýtt jafnvægi við umhverfið.

Ef böggullinn hefur engin samskipti við umhverfið, blandast ekki nágrannabögglum, tekur hvorki við meiri varma heldur en við gáfum honum í upphafi né tapar varma, til dæmis vegna útgeislunar, fellur hiti í honum um 1,0°C við hverja 100 metra hækkun. Þessi hitabreyting sem verður vegna þrýstibreytinga eingöngu er kölluð innræn.

Loftþrýstingur ræðst að mestu af því hversu mikið loft er ofan þeirrar hæðar sem við erum í hverju sinni. Við yfirborð erum við með allan lofthjúpinn fyrir ofan okkur, en minna og minna eftir því sem ofar dregur. Eftir því sem böggullinn lyftist ofar kemur hann í minni og minni þrýsting – meira og meira loft sleppur því út úr upphaflegu rúmmáli hans, varmaorkan á rúmmálseiningu minnkar. Það kemur fram í því að hiti sem mældur er með hitamæli fellur.

En lítum nú á málið frá sjónarhóli efnismagns böggulsins. Við bætum varma í hann, hann þenst við það út og rís rétt eins og lýst var að ofan og kólnar. En heildarvarmaorka þess lofts sem í bögglinum var helst óbreytt þótt hann stækki að umfangi.

Algengast er að loft hitni við snertingu við hlýtt yfirborð, land eða sjó. Því bætist þar við varmi, það þenst út, verður léttara heldur en loftið umhverfis og lyftist – loftið við hliðina situr eftir og fær ef til vill tækifæri til að hitna og lyftast líka. Mikil samkeppni verður um lyftinguna, en svo fer að það loft sem ber í sér mestan varma lyftist mest. Allir bögglarnir lyftast og keppa og allir kólna þeir jafnmikið við lyftinguna – en sá sem fékk mesta varma í upphafi fer hæst. Það skiptir engu máli hver endanlegur hiti hans er. Af því að hann er efstur vitum við að í honum er mestur varminn – en af því hann er hærra en hinir mælist hiti í honum lægri.

Af þessu má ráða að hitinn sem hitamælirinn mælir skiptir máli þegar keppt er við böggla í sömu hæð – en varminn þegar keppt er um endanlegu hæðina. Til að vita um samkeppnisstöðu einstakra böggla alls staðar reiknum við út hversu hár hitinn í þeim yrði væru þeir fluttir úr stöðu sinni niður til sjávarmáls. Hinn mögulegi sjávarmálshiti kallast mættishiti – við gætum líka í huganum kallað hann þrýstileiðréttan eða þrýstijafnaðan hita.

Þá kemur í ljós að því ofar sem böggull liggur – því hærri verður hiti á mæli í honum eftir að hafa verið dreginn niður til sjávarmáls. Sé tíu stiga frost í böggli í 3 km hæð væri 20 stiga hiti í honum niðri við sjávarmál. Mættishiti þessa bögguls er því 20 stig. Sé fimm stiga frost í böggli í 2 km hæð væri 15 stiga hiti í honum niðri við sjávarmál, mættishitinn er 15 stig. Efri böggullinn inniheldur meiri varma en sá neðri (mættishitinn er hærri), jafnvel þótt kaldari sé á hitamæli. Hann flýtur því betur – og getur því með engu móti komist niður fyrir þann neðri – hann flýtur alltaf ofan á.

En loft getur líka tapað varma, til dæmis við útgeislun. Þá dregst það saman og hiti fellur. Sé land hallandi fer loftið að skríða niður hallann, það tapar floti miðað við nágrennið, böggullinn dregst saman. Ástæður þess að loft tapar varma eru fleiri.

Mynd:

• Rising air parcels - adiabatic cooling. (Sótt 4. 12. 2013).

...