Dag Jason,

Die atmosfeer van ons is een heel ingewikkeld verhaal.

punt 1) Lucht is een heel ijl medium, het feit dat licht er makkelijk doorheen kan betekent ook dat het weinig energie van de zon absorbeert. Daar komt bij dat het, zo dicht bij de ruimte, makkelijk energie kan uitstralen, de ruimte in. 

punt 2) Dat schilletje lucht wordt bij de aarde gehouden door de zwaartekracht. Net als dat onderin een vat water de druk hoger is dan bovenin, omdat de bovenste moleculen ook naar beneden getrokken worden en zo op de onderste duwen, gebeurt dat in de atmosfeer ook. De druk bij het aardoppervlak is dus groter dan op grotere hoogte. 

punt 3) Het aardoppervlak absorbeert wél een groot deel van de energie van de zon, en warmt dus sterk op. Dat oppervlak warmt dus de lucht er direct boven ook goed op. Laten we die warme lucht boven een plek waar de zon schijnt eens in een (denkbeeldige, enorme) luchtballon vangen. Zoals je zegt is die dichtheid kleiner dan die van omringende koudere lucht. Die warmere lucht gaat dus volgens de wet van Archimedes opstijgen. 

En dan komt het: juist omdát ze opstijgt koelt ze af. Naarmate onze denkbeeldige ballon opstijgt drukken er minder andere moleculen tegen en expandeert de ballon. Daarbij wisselt ze nauwelijks energie uit met de omgeving. Die expansie verloopt dus met een moeilijk woord nagenoeg adiabatisch. En dat betekent dat de gemiddelde snelheid van de moleculen in onze ballon afneemt. Minder snelheid betekent minder (bewegings)energie. En temperatuur is nou juist een maat voor de gemiddelde energie van een hoeveelheid moleculen. 

Een gas dat in volume toeneemt (expandeert) koelt dus af. Hoe komt dat? 

Gooi maar eens een bal tegen een stilstaande tennisracket, die bal komt bijna even snel weer terug. Gooi een bal tegen een racket die van je vandaan beweegt, en de bal komt veel zachter naar jou terug.

Laten we eens stellen dat jij in een kamer staat met een perfecte stuiterbal (een luchtmolecuul is een bijna perfecte stuiterbal). Gooi die tegen de muur met 5 m/s, en die komt met 5 m/s ook weer terug, en blijft tot in het oneindige met die snelheid de kamer rondstuiteren. 

Maar nu ga ik één muur van die kamer rondom losmaken en op goed draaiende wieltjes zetten. Elke keer als de bal tegen die muur stuitert krijgt de muur dus een duwtje, en dus een snelheid naar buiten. De kamer wordt groter, het volume neemt toe. Maar dat betekent ook dat de bal een beetje minder snel de kamer terug in komt bij elke stuit tegen dié muur. 

Het volume van je stuiterkamer wordt groter, de snelheid van je bal neemt af. 

Een luchtballon is één grote stuiterkamer, met ziljarden stuiterballetjes waarvan dus bij een groter wordend volume de gemiddelde snelheid afneemt, en warvan dus de gemiddelde (bewegings)energie afneemt. De temperatuur in mijn groter wordende luchtballon daalt dus. 

Kortom, omdat de opstijgende lucht uitzet naarmate de omgevingsdruk daalt, daalt ook de temperatuur in de opstijgende lucht.  

Als die warme lucht niet zou opstijgen zou de temperatuur in de atmosfeer overigens nog veel sneller afnemen met de hoogte. Door die overal opstijgende thermiekbellen wordt onze atmosfeer behoorlijk goed "geroerd". 

Duidelijker zo?

Groet, Jan 

Ik denk dat je een onderscheid moet maken tussen wat warmte is en wat temperatuur is:

• warmte is een maat voor de (thermische) energie-inhoud van een voorwerp
• temperatuur is een maat voor de snelheid van een enkel deeltje.
  Een gas heeft veel deeltjes en de temperatuur is een maat voor de gemiddelde snelheid van de gasdeeltjes. Een vaste stof of vloeistof heeft een veel hogere concentratie deeltjes maar ook hier is de temperatuur een maat voor de gemiddelde snelheid van die deeltjes.

Een eenzaam deeltje kan dus een heel hoge snelheid (en bijgevolg een hoge temperatuur) hebben in een vrijwel vacuum volume van 1 m³ waarvan de warmte (energie-inhoud) vrijwel nul is (maar wel minstens gelijk aan de (thermische) energie van dat ene deeltje)

Een dagelijks voorbeeld. Aan 1 gram water H₂O (in 1 cm³ volume = 1/10 mol water) van bijna 100°C brand je je vingers. Diezelfde 1 gram water tot stoom maken in een sauna doet die 1 gram over 22,2/10 liter (=2,22 dm³ = 2,22 . 10³ cm³ - dus 2220 x meer volume dan als vloeibaar water) uitsmeren. Daardoor botsen dat zelfde aantal moleculen (ca 0,6 x 10²⁴ in 1 gram water) ook 2200 keer minder op je huid dan wanneer ze in vloeibare vorm zijn geconcentreerd. Het voelt in de sauna wel heet maar je overleeft het wel. Onderdompelen in een zelfde temperatuur waterbad overleef je niet. Vraag het de kreeften maar die zo gekookt worden.

Op de grond wordt de "dikke" lucht goed verwarmd door de grond en stijgt op (koudere lucht wordt als "wind" weer aangevoerd maar die plek en wordt ook weer verwarmd).

De opstijgende warme lucht zet uit (zoals Jan al aangaf: vrijwel adiabatisch, dwz totale energie in die hoeveelheid lucht blijft gelijk).

De energie van de luchtdeeltjes wordt gebruikt om die uitzetting mogelijk te maken: hun energie neemt af en daarmee ook hun snelheid en temperatuur (die een maat voor die snelheid is).

De warmte (energie) is gelijk gebleven maar is nu uitgesmeerd over een veel groter volume dat verkregen is door energie van de deeltjes hiervoor te gebruiken. Het grotere volume heeft dezelfde energie maar een lagere temperatuur (kouder).

De stijging van een "warme ballon met lucht" gaat overigens niet verder dan het punt waarop de dichtheid van de lucht in de ballon hetzelfde is geworden als erbuiten: er is dan evenwicht.

Zo zie je ook warme vochtige lucht opstijgen, uitzetten, in temperatuur afkoelen en "ergens" tot stilstand komen en wolken vormen doordat de meegenomen waterdamp condenseert.