苏东坡的《水调歌头》中写道，“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒”，这里点明了一个科学小常识——海拔越高气温越低。我们生活中也确实有这样的体会，例如很多高山的顶端被终年不化的积雪覆盖。
“高处不胜寒”所说的高处的温度，是指空气、大气的温度。对于高处温度低的现象有一个直观的说法，即高度每上升1000米，气温就要下降6摄氏度左右。但热空气不是会向上走吗，为什么高处还是那么冷？越高的地方就一定越寒冷吗？
热空气上升途中会膨胀冷却。
在物理学中有一个现象：热空气向上运动，冷空气向下运动。这种现象的原理在于热胀冷缩，热空气膨胀密度变小，冷空气密度较大，热空气就“浮”了上去。好比在寒冷的冬天，我们在屋里放上暖炉，接近房顶的部分就比下边更快热起来。
但在生活中，我们也能直观感受到另一个现象：自然光以较短的波长为主，很容易穿透大气。当短波长的太阳光到达地面被吸收后，地面就会被加热，再加上地球本身产生的热量，地球表面就变成了新的热源，导致离地面近的地方更加温暖，而越高的地方就会越冷。
为什么地球大气看上去并不符合热空气向上运动的原理呢？
“因为在地球引力的吸引下，空气会呈现越往高处越稀薄的情况，因此较高的空中气压较小，从下边升上来的空气反而因为密度太大，升上高空后会在气压作用下发生膨胀。”河北师范大学资源与环境科学学院教师张曼说，对空气来说，在气体状态下发生这样的膨胀，又没有其他的热源能加热它，就会降温而变冷。所以，地表附近的热空气的确在上升，但在上升中发生了膨胀和冷却，所以并不会使上层的空气温度升高。
极高处也可能“不胜热”
“高度每上升1000米，气温就下降6摄氏度左右”大概适用的高度在3000米以下，而我们所描绘的上冷下热的过程所处高度基本也不超过1万米。飞机普遍飞行都在1万米以上的高度，在这种高度下，情况是否又会有所不同呢？
事实上，地球表面从1万米到几万米高度区域的大气存在很多空气成分，例如臭氧层可以吸收太阳光当中的紫外线等，所以这个区域内的高度越高，温度也会变得越高。“因为加热这一区域的主要是来自太阳发出的光，而不是地面。”张曼说。
这里的空气上热下冷，加上客观规律是热气密度较小而上升，冷气密度较大而下降，所以在这里的空气上边热而轻，下边冷而重，除了一些扰动过程外，基本不会发生上下空气交换，故而气流是非常稳定的，被称为“平流层”，飞机也因此主要选择在平流层靠近底部的位置飞行。
“从平流层再向上几万米以内的区域叫做中间层，这个区域几乎没有臭氧，而氮气和氧气等气体可吸收的太阳辐射又大部分被上层大气所吸收，主要靠平流层承担起热源的角色。”张曼介绍，因此这里再次出现下面热、上面冷的状态。
从中间层再往高处去，直到再向上数千公里范围内，这里的空气会被太阳光中波长特别短的极紫外射线、X射线等加热，所以在这个范围内，都是下边冷、上面热。
而最“高处”，也就是进入到距离地球上千公里的宇宙中，对那里温度的描述往往取决于宇宙带电粒子的能量。航天器在宇宙中飞行，接受阳光照射的地方温度可能达到上百摄氏度，而背向太阳的一侧则可能达到零下百摄氏度。张曼介绍，在已经能够飞向宇宙的今天，科学技术的发展已经说明高处不一定就会更寒冷。
