Estooooo en el foro hay gente que sabe un montón de física. Mientras responde alguien de ellos pues te doy alguna pista.
En cuanto al agua, es lógico. El agua fría es más densa, y se va abajo.
En cuanto al aire... pues su densidad viene dada mucho más por la presión (todo gas tiene una compresibilidad muchísimo mayor que cualquier líquido) que por la temperatura. Y el aire, cuanto más bajo, más presión, simplemente por el peso del aire que tiene encima: cuanto más abajo, más aire encima, y por tanto más presión.
Recordando la ley de los gases ideales, la temperatura es proporcional a la presión. Los gases ideales no existen, pero sí se puede decir que a mayor presión, más temperatura. Por eso suele refrescar a medida que subimos de altitud.
En fin, a ver si algún forero puede dar una respuesta que aclare un poquito más esto.