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我们都知道，爬山时会感到越来越冷，飞机在高空飞行时外界温度可达零下几十度。这种现象的根本原因在于大气层的加热机制和物理特性。让我们通过这个示意图来了解温度随海拔变化的规律。
地面是大气层的主要热源。太阳辐射到达地球后，主要被地面吸收，使地面温度升高。然后地面通过三种方式将热量传递给大气：辐射传热、传导传热和对流传热。由于这个加热过程是从下往上进行的，所以越靠近地面的空气温度越高，离地面越远温度越低。
绝热膨胀冷却是高空温度低的最主要原因。当空气团上升到高海拔时，周围的大气压力降低，空气团会自然膨胀。在这个膨胀过程中，空气分子需要对外做功来克服周围压力，这些能量来自空气本身的内能，导致空气温度下降。这个过程被称为绝热膨胀，是大气温度随高度递减的核心机制。
空气密度和温室气体分布也是影响温度变化的重要因素。高空的空气比低空稀薄得多，单位体积内的空气分子数量少，因此吸收和储存热量的能力较弱。同时，能够吸收地面长波辐射的温室气体，如水蒸气和二氧化碳，主要集中在低层大气中。这些温室气体就像一层保温毯，帮助保持低层大气的温度相对较高。
总结一下，海拔越高温度越低的现象是多个因素共同作用的结果。地面作为主要热源从下往上加热大气，绝热膨胀冷却是最主要的物理机制，空气密度的递减和温室气体分布的不均匀进一步加强了这种效应。在对流层中，温度大约以每公里6.5摄氏度的速率递减，这就是我们观察到的温度随海拔变化的基本规律。