Температура атмосферы и высота

Вопрос, который задаёт подъём

Воздух не лежит над Землёй неподвижным одеялом. Нижние слои несут вес верхних, поэтому давление с высотой меняется; поднимающийся объём воздуха оказывается в иной механической обстановке. Для физика XIX века это был удобный, хотя и далеко не игрушечный, случай общего вопроса: что происходит с температурой газа, когда тот расширяется или сжимается?

Поздние сведения о Джоуле говорят именно о такой постановке. Он объяснял причину точного изменения температуры атмосферы с высотой, продолжая многолетний интерес к связи тепловых перемен с расширением и сжатием газов. В этой теме важен не эффектный альпийский пейзаж, а цепочка причин: меняются давление и объём, газ совершает работу или получает её извне, а температура отвечает на перераспределение энергии.

Такой вопрос естественно вырос из опытов Джоуля над теплотой и механической работой. Если газ сжимают, внешняя сила передаёт ему энергию; при расширении газ способен тратить энергию на работу против давления окружающей среды. В реальной атмосфере к этому присоединяются перемешивание, облака, водяной пар, солнечное нагревание и движение воздушных масс. Поэтому задача о высоте не сводится к одному рычагу, который можно повернуть и получить готовую погоду.

Какой ход мысли здесь уместен

Полезно представить небольшой объём сухого воздуха, который медленно поднимается и остаётся почти изолированным от обмена теплом с окружением. Давление вокруг него убывает, объём увеличивается. Чтобы расшириться, газ действует на окружающий воздух; на это расходуется часть энергии его молекулярного движения. В такой учебной модели температура понижается. При опускании последовательность обращается: сжатие связано с работой над газом, и температура растёт.

Это объяснение не следует выдавать за буквальную запись опытов Джоуля или за полный расчёт атмосферы. Оно показывает физический смысл вопроса, который он разбирал: температура зависит не только от того, поднесли ли к веществу горелку. Механические изменения состояния тоже существенны. Именно этот мотив объединяет его работы о газах, теплоте и превращении работы в тепло.

Даже идеализированный пример требует оговорок. Воздушный пакет в природе редко поднимается без обмена теплом; в нём может конденсироваться влага, а ветер перемешивает его с соседними слоями. Температура зависит также от времени суток, поверхности под воздухом и общей циркуляции. Физическая идея расширения остаётся полезной, но не отменяет остальную метеорологию одним уверенным взмахом термометра.

Чего из этого не следует выводить

В доступной выдержке нет формулы Джоуля, численного изменения температуры на километр и указанного диапазона высот. Поэтому подстановка современного «стандартного градиента» под его именем была бы историческим фокусом с подменой реквизита: позднейшая сводная модель описывает усреднённые условия и сама имеет исключения, а не воспроизводит автоматически каждое старое рассуждение.

Тем более не стоит смешивать эту тему с эффектом Джоуля—Томсона. В последнем случае рассматривают расширение газа при специальных условиях; результат связан с совместной работой Джоуля и Уильяма Томсона и с тем, как реальный газ ведёт себя при дросселировании. Атмосферный подъём — другой сюжет: здесь нужно учитывать изменение давления с высотой, движение воздуха и теплообмен. Родство вопросов не превращает их в одну и ту же физическую задачу.

Исторически корректная формулировка скромнее и точнее. Джоуль применял свои представления о расширении, сжатии и теплоте к объяснению температурного изменения атмосферы с высотой. О точной формуле и численной величине по имеющейся записи судить нельзя. Зато видна характерная для его работ привычка искать за наблюдаемой температурой не словесное свойство «холодной высоты», а конкретное преобразование энергии.