中学一年生の範囲でやった状態変化の話と同じです。
空気中の気体を構成している分子は、温まると運動量が増え、冷えると運動量は減ります。
そして運動量が増えると体積が大きくなります。

質量が変わらないまま体積が大きくなるので、密度はより小さくなります。