紅葉為什麼是從山上開始變色、一路往下走？
― 明明離太陽比較近，山頂卻是每爬高 100 公尺就約冷 0.6℃
秋天的新聞常說「紅葉從山頂降到了半山腰」。決定葉子變色的是寒冷，而山越高越冷。可是，山頂明明離太陽比較近，為什麼反而比較冷？答案在於：空氣不是從上面被加熱，而是從下面被加熱的。
十一月初，你望向遠方的山，只有山頂附近染上了紅色和黃色。山腳的樹木還是一片綠。
大約兩週後，顏色的分界線降到了半山腰。就像顏色從山上一點一點流下來。
不過，這有點奇怪。山頂比山腳離太陽近了好幾千公尺。那為什麼寒冷反而先從上面來呢？
山上冷的原因，只有兩個
陽光幾乎直接穿過空氣，先把地面加熱。空氣只能從溫暖的地面往上，由下方開始變暖。離熱源越遠的高空，就越冷。
高空上方壓著的空氣比較少，所以壓力（氣壓）比較小。靠近地面的空氣一上升就會膨脹。膨脹時，空氣要消耗自己的熱量，所以會變冷。
這兩件事疊在一起，山上每升高 100 公尺，氣溫平均約下降 0.6℃。紅葉變色是以夜晚的低溫為信號。所以當寒冷的界線由上往下移動，變色也跟著由上往下走。
離太陽比較近，為什麼還是冷？
地球到太陽的距離約 1 億 5000 萬公里。山高 3 公里，只是這個距離的 5000 萬分之一。靠近那一點點所增加的日照，幾乎等於零。
真正重要的是熱在哪裡產生。大部分陽光會穿過空氣抵達地面。變熱的地面再加熱接觸到的空氣。變暖的空氣變輕而上升，一邊混合，一邊把熱往上帶。
想像一間有暖爐的房間就容易懂了。暖爐旁邊很暖，越遠越冷。對大氣來說，暖爐不是太陽，而是腳下的地面。
上升的空氣為什麼會變冷？
空氣團膨脹時，必須把周圍的空氣推開。推開需要做功，而這份能量來自空氣自己的熱。所以膨脹多少，就冷多少。
反過來，空氣被壓縮就會變熱。用打氣筒打好幾次氣，筒身底部會變熱，就是這個原因。越過山頭吹下來的風會變熱，也是同樣的原理倒過來。
空氣不斷被風和上升氣流上下攪拌。結果，山坡上的高度和氣溫就形成大致固定的關係，平均每 100 公尺約 0.6℃。海拔 3776 公尺的富士山頂，算起來比山腳冷 20℃ 以上。
紅葉的分界線，一天往下走多少公尺？
一般認為，早晨最低氣溫降到約 8℃ 以下時，樹葉就開始變色。秋意漸深，平地的氣溫每天一點一點下降。於是「8℃ 的高度」也每天一點一點往下移。
請用圖 2 的滑桿調整平地的最低氣溫。虛線是「從這裡往上都比 8℃ 冷」的分界線。平地還暖的時候，只有山頂變色。平地變冷後，虛線就降向山腳。
實際算一算，東京的平年氣溫從 10 月到 11 月，每天約下降 0.16℃。換算成高度，分界線每天約降 27 公尺，一個月約降 800 公尺。紅葉的最佳觀賞期從山頂移到平地要花一到兩個月，就是這個速度。
無風的晴朗夜晚，地面把熱散向天空，靠近地面的空氣最冷。這時谷底可能比半山腰更冷。據說斜面的半山腰，有時會出現變色和結霜較晚的一個帶狀區域。
平地 15℃ 時，算起來海拔 1500 公尺的觀景台約只有 6℃。有風的話，體感還會更冷。到山上賞楓，請準備比當季再提前一季的穿著。
總結
加熱空氣的不是太陽本身，而是被太陽加熱的地面。而且上升的空氣會膨脹，自己變冷。因此山越高越冷，秋天的寒意也先到達山頂。紅葉就是沿著這條寒冷界線往下走的「看得見的溫度計」。
大氣的暖爐不在天上，而在腳下。
紅葉，就是沿著山往下走的「8℃ 線」。
葉子裡發生了什麼事才變色，請看「紅葉為什麼會變成紅色或黃色？」。空氣膨脹會變冷、壓縮會變熱的原理，請看「越過山頭的風，為什麼會突然變熱？」。高山上樹木長不起來的原因，則請看「高山上為什麼不長樹？」。
- 選一座從家裡或學校看得到的山，在晴天從同一個地點拍照。
- 每隔一週拍一次，比較已變色的部分與綠色部分的分界線在哪裡。
- 用地圖 App 查出分界線附近的海拔，算算一週下降了幾公尺。
也可以到日本氣象廳的「過去的氣象資料」查詢附近觀測站的最低氣溫。氣溫下降越多的那一週，分界線說不定也降得越多。
想知道更多的人 ― 名詞・公式・與課本的連結明確標示內容屬於國中理化到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「地球科學」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄程度的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（氣象學・大氣熱力學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教，是目前研究者正在探討的課題
國中名詞：這個現象是有名字的
- 氣溫直減率：隨高度上升，氣溫下降的比率。日本的山常用每 100 公尺約 0.6℃。
- 絕熱膨脹：氣體不與外界交換熱而膨脹。膨脹做功用掉自己的熱，所以溫度下降。
- 紅葉前線：把楓樹等開始變色的日期在地圖上連成的線。平地由北向南推進，山上則由上往下推進。
國中高中用公式驗證：紅葉分界線下降的速度
把高度與氣溫的關係寫成公式，求出富士山上下的氣溫差，以及紅葉分界線一天下降的距離。符號的意義是：T＝氣溫（單位 ℃）、h＝海拔（m）、Γ＝氣溫直減率（℃/m）。
| 用符號寫 | T(h) ＝ T₀ − Γ × h 、分界線高度 h₈ ＝ ( T₀ − 8 ) ÷ Γ |
| 用文字寫 | 該高度的氣溫 ＝ 平地氣溫 −（每 100m 的下降量 × 高度） |
| 這個公式從哪來 | 上升的空氣氣壓下降而膨脹，並因為這份做功而變冷（熱力學第一定律，以及空氣重量與氣壓的平衡）。乾燥空氣在理論上 Γ ＝ 重力加速度 ÷ 定壓比熱。實際大氣還加上水蒸氣的凝結熱，平均約為 0.6℃/100m |
| 重力加速度 g | 9.8 m/s² |
| 乾燥空氣的定壓比熱 cp | 1005 J/(kg·K) |
| 實際大氣的平均氣溫直減率 | 每 100m 約 0.6℃ |
| 東京的平年月平均氣溫（10 月／11 月） | 據稱約 18.8℃／約 14.0℃ |
| 富士山的海拔 | 3776 m |
| 乾燥空氣的直減率（每 1m） | 9.8 ÷ 1005 ≒ 0.0098 ℃ |
| 換算成每 100m | 0.0098 × 100 ＝ 0.98 ℃ |
| 富士山的高度是 100m 的幾倍 | 3776 ÷ 100 ＝ 37.76 |
| 山頂與山腳的氣溫差 | 37.76 × 0.6 ≒ 22.7 ℃ |
| 10 月到 11 月一個月的降幅 | 18.8 − 14.0 ＝ 4.8 ℃ |
| 每天的降幅 | 4.8 ÷ 30 ＝ 0.16 ℃ |
| 分界線一天下降的高度（以 100m 為單位） | 0.16 ÷ 0.6 ≒ 0.27 |
| 換算成公尺 | 0.27 × 100 ＝ 27 m |
| 一個月下降的高度 | 27 × 30 ＝ 810 m |
富士山頂的年平均氣溫據稱在零下 6℃ 左右，與東京的差距如計算所示超過 20℃。紅葉分界線算起來每天約降 27 公尺，一個月約降 800 公尺。如果只有乾燥空氣，每 100m 應該降約 1℃，但實際大氣比這緩和。原因包括形成雲時水蒸氣會放出熱等。
高中高中＋乾燥空氣與潮濕空氣，下降的幅度不同
高中地球科學會區分無雲空氣上升時的乾絕熱直減率（每 100m 約 1℃），以及在雲中上升時的濕絕熱直減率（每 100m 約 0.5℃）。潮濕空氣中，水蒸氣變成水滴時放出的熱（凝結熱），會減緩降溫。
高中＋實際觀測到的平均下降幅度（環境直減率）介於這兩者之間。國際標準大氣規定，到高度 11km 為止，每 1km 降 6.5℃。再往上稱為「對流層頂」，在它之上氣溫幾乎不再下降。
大學位溫與大氣穩定度
在大氣熱力學中，把空氣以乾絕熱方式移到基準氣壓（1000 百帕）時的溫度，稱為位溫。不論上升或下降，位溫都保持不變，所以只要看位溫隨高度如何變化，就能知道空氣容不容易上下混合（靜力穩定度）。乾絕熱直減率 Γd ＝ g ÷ cp，是由熱力學第一定律與流體靜力平衡（空氣重量與氣壓差的平衡）推導而來。
📖 公式推導與更進階的內容：氣溫直減率（維基百科，日文） ／ 國際標準大氣（維基百科，日文）
研究目前還不清楚的事
- 變色的信號，只有氣溫嗎？ 據說夜晚的長度、白天日照的強度、土壤的乾濕也有關係，不同樹種各因素的比重如何，仍在研究中。
- 暖化會讓紅葉晚多少？ 日本有報告指出楓樹的變色日期在數十年間逐漸延後，但高山與低處的延後幅度是否相同，因觀測點少而不清楚。
- 斜面上細微的降溫方式。 冷空氣積在谷地的夜晚，高度與氣溫的關係會顛倒。各座山的地形如何擾亂變色帶，目前仍難以預測。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。每 100m 降 0.6℃ 是平均值，會隨當天天氣而變。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化二年級「氣象與其變化」（雲的形成） | 上升的空氣膨脹變冷 |
| 高中 | 地球科學「大氣的結構」、物理「氣體的狀態變化」 | 乾絕熱直減率・濕絕熱直減率 |
| 高中＋ | 地球科學進階（標準大氣・對流層頂） | 每 1km 降 6.5℃ 的規定 |
| 大學 | 氣象學・大氣熱力學 | 位溫、靜力穩定度、流體靜力平衡 |
| 研究 | 植物物候學・氣候變遷研究 | 變色的信號與暖化造成的延後 |
| ― | 與生活的連結 | 賞楓的時期與穿著、解讀山區天氣 |
- 小倉義光『一般気象学（第2版補訂版）』（一般氣象學，第 2 版補訂版）東京大學出版會
- Japan Meteorological Agency (気象庁)「過去の気象データ検索」（過去氣象資料查詢；東京・富士山的平年值）
- 国立天文台編『理科年表』（理科年表）丸善出版（氣象部・標準大氣）
- 国際標準大気（國際標準大氣）- 維基百科（日文）
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。所列數值是為了理解原理的參考值與概算。前往山區時，請確認日本氣象廳等機構發布的最新氣象資訊。