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大気の安定・不安定(その1)
 
 空気を入れて膨らましたゴム風船を持ち上げ、手を離すと落ちてしまいます。しかし、水素やヘリウムを入れて膨らましたゴム風船の場合は、手をはなすと空に向かって上がっていきます。空気を入れて膨らましたゴム風船は、入れた空気の重さだけでなく、風船自身の重さも加わるので、周りの空気よりも重くなって落ちます(下降)。息を吹き込んで膨らませた風船には、空気の主成分の窒素よりも重い二酸化炭素や水蒸気が含まれているため、余計に重くなります。空気よりも軽い水素やヘリウムを入れて膨らましたゴム風船は、周りの空気よりも軽いので上がって(上昇)いきます。

(図1)ヘリウムを入れた風船と空気を入れた風船
 空気の塊をある高さに持っていった場合はどうでしょう。風船と同じで、上昇した空気の塊と周りの空気の重さの違いによります。上昇して空気の塊の重さが周囲の空気より軽ければ上昇し、重ければ下降します。

(図2)大気の安定・不安定
 上昇させた空気の塊の温度が周りの空気よりも低い場合(図2右)を考えてみましょう。同じ量の物質は、温度が低い方が密度は高く、温度が高い物質よりも重くなります。空気も同じで、同じ量の空気を比べた場合、温度の低い空気の方が温度の高い空気よりも密度が高くなります。空気の塊が上昇すると、高い所は気圧が低いので、上昇した空気の塊は膨張して温度が下がります。上昇した空気の温度が周りの空気より下がると、密度は周囲の空気より高く重くなり、もとの高さに戻ってしまいます。
 次に上昇させた空気の塊の温度が周囲の空気よりも高い場合(図2左)を考えてみましょう。上昇した空気は周囲の空気よりも温度が高いということは、上昇した空気の塊の方が周囲の空気よりも密度が小さく軽いということです。このため、上昇した空気の塊はさらに上昇していきます。
 このように、空気の塊をある高さに持ち上げた場合、元の位置に戻ろうとするような状態を、“安定した大気”と言います。逆に、空気の塊をある高さに持ち上げると、さらに上昇していくような状態を“不安定な大気”と言います。ヘリウムを入れた風船でも重りをつけると、上昇も下降もしない場合があります。もちろん、空気の塊をある高さに持ち上げて、上昇も下降もしない場合があります。このような状態は“中立な大気”と言います。
 空気の塊が上昇する場合の温度の低下は、上昇する空気の塊の中で水滴が出来るかどうか(凝結が起こっているかどうか)によって違います。上昇していく空気の中で凝結が起こっていない場合は、100mにつき約1℃ずつ温度が低くなります。「空気中の水蒸気の振る舞い」で書きましたが、水蒸気が凝結する場合には周囲に熱(凝結熱)を出します。このため、上昇する空気の塊の中で凝結が起こっているとき、つまり水滴が出来ているときは、100mにつき約0.4℃ずつ温度が低くなります。凝結すると水蒸気の量が減るので、凝結熱も少なくなりますね。上昇しながら水滴ができて、上昇している空気の塊の湿度が小さくなると、気温が下がる割合は、100mにつき1℃に近づいていきます。
 毎日の天気予報で「大気が不安定で・・・」と言っていることがありますが、大気の安定、不安定は雲の発生や発達、大雨と関係しています。


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