Zašto se temperatura zraka smanjuje s visinom?

Sada, dok se redaju toplinski valovi sigurno ste na vijestima čuli da je temperatura zraka na Sljemenu ugodna, znatno niža niža nego u Zagrebu. To je zbog toga što se temperatura mirne atmosfere smanjuje s visinom. To smanjenje iznosi 6,5 °C po kilometru visine. Nadmorska visina Sljemena je 1033 m, a Zagreba 122 m, pa je temperatura na Sljemenu u prosjeku za ΔT = - 6,5 °C/km ∙(1,033 km – 0,122 km) = - 5,9 °C niža nego u Zagrebu. Dobro je to znati.
Pitanje je zašto se temperatura zraka smanjuje s visinom, iako se penjanjem približavamo Suncu, izvoru topline. Ovo sniženje temperature vrijedi za tzv. troposferu. Troposfera je dio atmosfere neposredno uz Zemljinu površinu u kojem živimo, a koji se proteže do visine približno 10 km. Zemljina površina upija Sunčevu svjetlost i zagrijava se. Ta se toplina prenosi na zrak neposredno iznad njezine površine, zagrijavajući niže slojeve troposfere. Budući da zagrijani zrak ima manju gustoću od okolnog zraka on se uzdiže te tako nastaje vertikalna struja zraka. Zamislimo sada kocku zraka volumena 1 m³ koju ova struja podiže uvis. Budući da se tlak zraka smanjuje s visinom, volumen zagrijane kocke se povećava. Povećanjem volumena ona obavlja rad na okolnom zraku i zbog toga se hladi. Ovaj proces se odvija bez izmjene topline s okolnim zrakom pa se naziva adijabatska ekspanzija.
Tlak zraka ovisi o težini atmosfere iznad mjesta promatranja, poput hidrostatskog tlaka u vodi koji se povećava s dubinom. Zbog toga je tlak zraka najveći uz Zemljinu površinu, gdje je atmosfera najdublja, a smanjuje se s povećanjem visine. Atmosferski tlak na površini Zemlje od 1 bar odgovara hidrostatskom tlaku p_h = ρgh na dubini vode od h = 10 m. Budući da zrak ima 1000 puta manju gustoću od gustoće vode ρ, potrebna je težina 1000 puta debljeg sloja zraka da stvori približno jednak tlak, što znači da efektivna debljina atmosfere iznosi oko h = 10 km, tako da se tlak približno smanji na polovicu p = p₀/2 početne vrijednosti p₀ = 1 bar na visini od 5 km. U stvari, gustoća atmosfere i tlak zraka smanjuju se eksponencijalno s visinom pa je atmosfera ipak nešto deblja.
Procijenimo za koliko će se smanjiti temperatura naše kocke zraka kad dosegne visinu od 5 km. Neka je naša kocka zraka uz površinu Zemlje bila zagrijana na T₀ = 300 K (27 °C). Kada dosegne visinu od 5 km, uz uvjet adijabatske ekspanzije, njezina temperatura će biti T_h = T₀∙(p/p₀)^(1-1/γ), gdje je γ = 7/5 za dvoatomni plin. Dobivamo T_h = 246 K (-27 °C) odnosno promjenu temperature s visinom ΔT/Δh = - 10,8 °C/km. Stvarno smanjenje temperature atmosfere s visinom je ipak nešto manje i iznosi ΔT/Δh = - 6,5 °C/km. S obzirom na grube procjene veličina i jednostavnost modela, naš rezultat, a time i model, možemo smatrati zadovoljavajućim. Ako se naša kocka zraka podiže brzinom od 10 km/h treba joj 30 minuta da dosegne visinu od 5 km. Za to vrijeme u određenoj mjeri ipak izmjenjuje toplinu s okolnim zrakom, što umanjuje efekt adijabatskog hlađenja.
Možda zvuči čudno: temperatura zraka se smanjuje s visinom zbog toplog zraka koji se uzdiže! Ipak, zbog manjeg tlaka zraka u visinama, topli zrak koji se uzdiže se širi i zbog toga hladi.