Warum fällt die Temperatur in der Höhe ab?

Jeder hat bereits einmal die Erfahrung gemacht, dass die Temperatur in größeren Höhen abnimmt: Auf hohen Bergen ist es meistens viel kälter als im Flachland. Flüge sind nur in der geheizten Kabine eines Flugzeugs ein Vergnügen, da die Außentemperatur bei normalen Flughöhen bereits unterhalb des Gefrierpunktes liegt. Wie kann das sein?

Würde die Luft hauptsächlich durch die Sonneneinstrahlung erwärmt, die ja aufgrund der Absorption in der Lufthülle zum Erdboden hin abnimmt, müssten die Luftschichten am Boden kälter sein. Dieser Prozess spielt jedoch für die niedrigen Luftschichten bis etwa 12 km Höhe (Troposphäre), in der sich das Wettergeschehen abspielt, kaum eine Rolle, da die Luft dort hauptsächlich vom Erdboden erwärmt wird.

Der Prozess lässt sich vereinfacht folgendermaßen verstehen: Die am Boden erwärmte Luft steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf. Nun hat Luft nur eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass die aufsteigende Luft nur sehr wenig Wärme an ihre Umgebung abgeben kann. Andrerseits fällt der Luftdruck mit der Höhe stark ab (Wir haben dies bereits diskutiert). Als Folge dieses Druckabfalls dehnt sich die warme Luft in der Höhe aus. Da praktisch kein Wärmeaustausch stattfindet, liegt also eine adiabatische Ausdehnung vor: Die Luft kühlt sich daher beim Aufstieg aufgrund ihrer Ausdehnung ab.