南極為什麼比北極冷這麼多？
― 南極是「高高的台地」，北極是「凍結的海」
地球上最冷的地方，在南極的內陸深處。北極雖然也很冷，但南極點的全年平均氣溫被認為比北極點低約30℃。同樣都是「地球的極端之地」，為什麼會有這麼大的差別呢？答案就在腳下的地面不同。
看地圖的話，北極和南極分別位在地球的上方與下方，彼此相對。兩地的太陽都很低，冬天有好幾個月見不到日出。條件看起來幾乎一樣。
然而，一旦把觀測紀錄排在一起，差異就非常明顯。北極點周圍即使在冬天，氣溫據說也只停留在−30℃左右。南極點的冬季氣溫則通常會降到−60℃左右。
此外，在南極的沃斯托克站，1983年曾觀測到−89.2℃的紀錄。人造衛星的觀測更在南極內陸的台地上，發現過接近−90℃後段的數值。北極則從未有過如此低的紀錄。
理由只有兩個
南極大陸被平均厚度約2公里的冰所覆蓋。南極點的地面高度，大約相當於富士山的七、八合目。地勢越高，空氣就越冷。
北極的中心不是陸地，而是海洋。在厚度只有幾公尺的冰層底下，有著約−2℃、不會凍結的海水。那片海洋會持續從下方送出熱量。
也就是說，南極是「位在高空、無法從下方獲得溫暖的冰塊」。北極則是「位在海平面高度、附帶暖水袋的薄冰」。接下來我們依序來看。
光靠高度，能冷多少？
爬過山的人，很多都有體驗過越往上越涼的感覺。山腳的空氣上升到高處時，周圍氣壓下降，空氣會膨脹。膨脹時會消耗自身的熱能，所以空氣會變冷。
平均來說，高度每上升1公里，氣溫會下降約6.5℃。南極點的高度大約是2.8公里。單靠高度計算，就會比海平面低約18℃。請用圖1的滑桿試著改變高度看看。
如圖1右下方所示，高度只能解釋差距中的約六成。剩下的差距，涉及另一個原因。
北極的海是「冰層下的暖水袋」
海水含鹽，要降到約−1.8℃才會結凍。北極的海即使表面凍結，底下的水仍維持在接近−2℃。即使上方的空氣是−30℃，冰層正下方卻是−2℃。
由於這個溫差，海洋的熱會慢慢地透過冰層往上傳導。因為冰層只有幾公尺薄，所傳導的熱量就不可忽視。圖2左側顯示的正是這種情況。
南極點的腳下，如圖2右側所示，是堆積在陸地上超過2公里厚的冰。這裡沒有從下方送來熱量的海洋。雖然地球內部也會釋放熱量，但量非常小，而且被厚厚的冰層阻隔，無法到達地表。
此外，南極即使到了夏天，雪與冰也幾乎不會融化。純白的表面會反射大部分的日照，因此夏天的增溫幅度也很小。北極的夏天則是海冰裂開，露出偏黑的海面，吸收日照。
在南極台地上變得極冷的空氣很重，會沿著緩坡向海岸流下。這種現象稱為「下降風」，在海岸附近有時會連續好幾天吹著強風。台地的寒冷，就這樣化為風，被送往了海洋。
南極冰床據說占了地球陸地上冰量的約九成。如果全部融化，海平面估計會上升數十公尺。北極的海冰是漂浮在海上的，所以即使融化，海平面幾乎不會上升。
總結
南極比北極冷約30℃，是因為南極點位在約2.8公里高的冰之台地上。光靠高度就能解釋約18℃的降溫。再加上，北極的冰層下方有不會結凍的海洋持續送出熱量，而南極沒有這樣的海洋。
北極，是漂浮在海上的薄冰。
南極，是直達天際的厚厚冰之台地。
南極冰層底下發生的事，請見「地球上最冷的地方底下，為什麼會有不結凍的湖？」；高度使空氣變冷的機制，則在「越過山頭的風，為什麼會突然變熱？」中有詳細解說。
- 準備兩個杯子，一個只裝水，另一個裝水並加入鹽（約一大匙）充分溶解。
- 把兩杯都放進冷凍庫，每30分鐘觀察一次，看哪一杯先開始結凍。
- 即使清水已經開始結凍，鹽水應該還會維持一段時間的液態。這正是北極的海即使接近−2℃也不會完全結凍的原因。
也建議在天氣預報中，比較高山的氣溫與地面的氣溫。你會發現「高度每1公里約降6.5℃」這個估算值，大致上都適用。
想了解更多的人 ― 用語、公式、與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「地球科學」「物理」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教、大學專業科目（氣象學、雪冰學）的內容
- 研究即使在大學也不作為「定論」教授、研究者目前仍在探討中的話題
國中用語：這個現象是有名字的
- 冰床：堆積在陸地上的雪被壓實後形成、大到足以覆蓋整片大陸的冰塊。現今地球上的冰床位於南極與格陵蘭。
- 海冰：海水凍結而成的冰。覆蓋北極中心部的冰，幾乎全是海冰。
- 氣溫垂直遞減率：隨著高度上升，氣溫下降的比率。平均來說，每公里約下降6.5℃。
國中高中用公式驗證：光靠高度，南極點能冷多少？
我們來估算北極點與南極點年平均氣溫的差距中，有多少能用「高度」來解釋。同時也計算透過北極海冰向上傳導的熱量。
| 用符號寫 | T ＝ T0 − Γ × h |
| 用文字寫 | 高處的氣溫 ＝ 海平面氣溫 − 氣溫垂直遞減率 × 高度 |
| 公式的由來 | 空氣上升時氣壓下降而膨脹，膨脹會消耗自身的熱而降溫（絕熱膨脹）。Γ是包含水蒸氣進出的平均降溫率。 |
| 穿過海冰的熱量 | q ＝ k × ΔT ÷ d（熱傳導公式。傳導的熱量與溫差成正比，與厚度成反比） |
| T0 | 海平面高度的氣溫（℃） |
| Γ | 氣溫垂直遞減率（℃/km）。平均約6.5 |
| h | 高度（km） |
| q | 每平方公尺、每秒通過的熱量（W/m²） |
| k | 冰的導熱能力（W/(m·K)） |
| ΔT, d | 冰層上下的溫差（℃）與冰的厚度（m） |
| 北極點年平均氣溫 | 約為 −18℃ |
| 南極點年平均氣溫 | 約為 −49℃ |
| 南極點的高度 | 約 2.8 km（2835 m） |
| 氣溫垂直遞減率 | 約 6.5℃/km（國際標準大氣） |
| 冰的導熱能力 | 約 2.2 W/(m·K) |
| 海冰厚度（例） | 2 m |
| 冬季海冰的上、下表面 | 約 −30℃ 與 −1.8℃ |
| 兩極年平均氣溫差 | 49 − 18 ＝ 31（℃） |
| 高度造成的降溫（Γ × h） | 6.5 × 2.8 ＝ 18.2（℃） |
| 差距中由高度解釋的比例 | 18.2 ÷ 31 ≒ 0.59 |
| 高度無法解釋的剩餘部分 | 31 − 18.2 ＝ 12.8（℃） |
| 海冰上下的溫差 | 30 − 1.8 ＝ 28.2（℃） |
| 導熱能力 × 溫差 | 2.2 × 28.2 ≒ 62 |
| 除以厚度 2 m（q） | 62 ÷ 2 ＝ 31（W/m²） |
| 每張榻榻米（約1.6 m²） | 31 × 1.6 ≒ 50（W） |
光靠高度，就能解釋兩極差距中的約六成（約18℃）。剩下的約13℃，與北極海洋從冰層下方持續送出的熱量大有關係。那股熱量，每張榻榻米約50瓦。就像整個冬天，在地板下持續點著一顆小燈泡一樣。
高中高中＋輻射與「逆溫層」
高中地面與雪會放出肉眼看不見的紅外線，把熱釋放到宇宙中（輻射冷卻）。空氣中的水蒸氣與雲，會吸收其中一部分再送回地表。南極高處台地上空氣稀薄，水蒸氣也極少，因此熱量更容易逸散到宇宙。
高中＋在南極冬季的台地上，雪面最冷，而稍高處的空氣反而較暖，形成「接地逆溫層」。在這種狀態下，「越高越冷」的氣溫遞減率概念，並不適用於緊貼地表的區域。正文中的估算，是使用整層大氣平均降溫幅度所得到的參考值。
大學熱量平衡與海冰的熱傳導
極區的氣溫，由地表的熱量平衡（淨輻射、顯熱、潛熱，以及來自地底或海洋的傳導熱之間的平衡）決定。在北極，透過海冰傳導的熱量，以及從海冰裂縫（冰間水道）釋出的大量熱，都在溫暖冬季的地表。高度造成的降溫，則用乾絕熱遞減率、濕絕熱遞減率與標準大氣的概念來處理。南極的衛星觀測報告指出，在台地上的小凹地曾測得約−98℃的地表最低溫。
📖 公式推導與更深入的內容：氣溫垂直遞減率（日文維基百科） ／ 南極東部的地表極低溫衛星觀測論文（Scambos等人，2018年）
研究目前尚不完全清楚的事
- 地表的最低溫，究竟能降到多低？ 衛星發現的接近−90℃後段數值，據說會在晴朗、風勢微弱的天氣持續數日時出現。理論上的下限究竟在哪裡，目前仍在調查中。
- 北極海冰變薄後，冬季的寒冷會如何改變？ 海冰越薄，海洋的熱就越容易穿透。這被認為是北極暖化速度快於全球平均的原因之一，但其比例因研究而異。
- 南極內陸為何不易看出暖化的影響？ 南極西部與半島地區的增溫趨勢明顯，但內陸台地的數據變異仍大，討論仍在持續中。
也就是說，本文的內容也是「目前已知範圍內的說明」。尤其「高度解釋幾成」這個數字，是使用大氣平均性質所得出的參考值，請留意這一點。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・氣象及其變化（雲的形成） | 高處空氣較冷的原因 |
| 高中 | 地球科學基礎・大氣結構與熱量平衡 | 氣溫垂直遞減率、輻射冷卻 |
| 高中＋ | 地球科學・氣溫逆溫層 | 南極台地的接地逆溫層 |
| 大學 | 氣象學・雪冰學（熱量平衡、海冰） | 穿過海冰的熱傳導估算 |
| 研究 | 極區氣候學 | 地表最低溫、北極暖化速度 |
| ― | 與生活的連結 | 山區氣溫的預測、鹽水不易結凍 |
- 日文維基百科「南極冰床」（南極氷床）
- 日文維基百科「海冰」（海氷）
- Scambos, T. A. et al. (2018) Ultralow Surface Temperatures in East Antarctica From Satellite Thermal Infrared Mapping: The Coldest Places on Earth. Geophysical Research Letters
- 日本雪冰學會 編《新版 雪氷辭典》（新版 雪氷辞典）古今書院
- 小倉義光《一般氣象學》（一般気象学）東京大學出版會
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為理解機制所用的參考估算值。氣溫會因觀測地點與年份而有所不同。