почему на высоте полёта современного пассажирского лайнера так холодно

Потому что халявы не бывает. В физике эта максима известна как закон сохранения энергии.

Воздух - прозрачный. Поэтому непосредственно солнечным светом он не нагревается, а нагревается исключительно (или почти исключительно) от контакта с земной поверхностью. И когда тёплый нагретый воздух поднимается вверх, он на этот подъём ЗАТРАЧИВАЕТ ЭНЕРГИЮ. свою собственную. Ну и поэтому остывает.