クエリ: 大気中の高度に応じて実際の気温はどの程度変化するか
文章: 気温減率 気温減率(きおんげんりつ)とは、高度が上がるに従って大気の気温が下がっていく割合をいう。気温逓減率(きおんていげんりつ)ともいう。 ここでいう「減率」とは、高度が上がるにつれて「気温が下がる割合」(高度がいくら上がると気温が何度下がる)という意味であり、単純な気温の「変化率」(高度がいくら上がると気温が何度変わる)とは符号が逆になる。 地球大気に対して使われることが最も多い用語であるが、この概念は重力によって支えられている球形の気体であれば、どのようなものにでも適用できる。
文章: 高度 地球の大気は、高度によっていくつかの領域に分かれる。 地球の表面(または大気)のうち平均海面から遠い領域は、高高度と呼ばれる。高高度は、海抜2,400mから始まると定義することもある。 高高度では、気圧は海面よりも低くなる。これは、空気をできるだけ地表に近づけようとする重力と分子をできるだけ拡散させようとする熱という2つの対立する物理効果の拮抗の結果である。 文章: 前線 (気象) 気象でいう前線とは、2つの気団が接触したときに生ずる不連続面(前面・前線面)が地上と交わる線のことをいう。気温の分布を見ると、前線にあたるところでは気温や風向・風速が連続的ではなく急激に変化していることから、かつては「不連続線」とも表記された。「不連続線」は意味上誤りではないが、20世紀半ばから「前線」に取って代わられた。 前線は、寒冷前線・温暖前線・停滞前線・閉塞前線に分類される。温暖前線は暖気の流れる方向に、寒冷前線と閉塞前線は寒気の流れる方向に移動する。一般的には偏西風の影響を受けて西から東へ動くことが多いが、停滞前線はあまり移動しない。前線が通過する地点では、気温・風(風向・風速)・寒気側が相対的に高圧になることから等圧線が折れ曲がり気圧が急変する。傾圧大気における鉛直循環は大気境界層において顕著であるが、自由大気では地衡風が卓越し高度が上がるにつれ認められなくなる。 文章: レーダー 厳密に言えば電波は空気密度の変化に応じて屈折率が変化する。標準大気の屈折率は高度が高くなるにつれて直線的に減少する。それにより電波は下方に曲がりながら伝播する。またその他に、電波が地表付近を通過すると回折現象により下方に曲がりこむ。これらにより例えば水上捜索レーダーや航海レーダーの2次元レーダーの場合、レーダー水平線までの距離(最大探知距離)は見通し距離に比べ若干ではあるが拡大する。つまりより遠方の物体を探知することができる。 標準大気ではない、例えば大気の密度構造が逆転状態(高さに対する温度低下が急激であったり相対湿度が高さと共に増加する場合)となる場合は、サブ・リフラクションといって電波が上方に曲げられるためレーダー水平線までの距離は短縮される。 また大気の密度構造つまり高さに対する屈折率の低下の割合が急激な状態(温度の低下率が標準状態よりも少ない場合、または高さと共に温度が上昇するような温度逆転層がある場合、もしくは相対湿度が高さと共に減少する場合)となる場合は、スーパー・リフラクションといって電波が下方に曲げられレーダー水平線までの距離が延長される。 文章: ウインドプロファイラ また、この式の未知数はu、wのふたつなので、適当な反射をもたらす大気のゆらぎが存在しなかったり、測定結果が他の2本と矛盾しているなどして、東西・南北各軸において3本のビーム中1本の測定値が使用できなくなっても、観測は成立する。このため、実際の製品では、鉛直方向のビームを用いない4ビーム法や、鉛直方向のビームと東(西)及び北(南)方向各1本の斜めビームだけを用いる3ビーム法を用いるものもある。 ウインドプロファイラの原理を応用して上空の気温の分布を測定するものとして、RASS(Radio Acoustic Sounding System)がある。これは、垂直に備え付けられた電波ビーム送受信機及び音波パルス発信機からなり、電波ビームをもって、高度ごとの風速の鉛直成分とともに、音波パルス(音波も気圧のゆらぎの一種である)の上昇速度を測定する。 空気中の音速は、空気の密度と気圧の関数として求められるが、空気の密度は気圧と気温の関数であり、さらに高度と気圧との関係は概ね固定的であるため、任意の高度について、音波パルスの上昇速度を風速の鉛直成分で補正して音速を確定すれば、その高度における気温が逆算される。 文章: スケールハイト 大気の圧力は大気自身の重さにより生じている。もし、高度 z における大気が密度ρ、圧力 P を持ち、上方向に微小量 dz だけ動いたとき、圧力変化 dP は で表される。ここで重力加速度 g は、微小の dz に対しては定数とみなせる。負の符号であるのは高度が上昇すると圧力が減少することを表している。 ここで温度が変化しないと仮定し、理想気体の状態方程式を用いると、密度ρは次のように表される。 文章: 霙 冷たい上空の雲から降ってくる雪片は気温が高いと解けて雨になるが、解けきらずに降る雪と解けきった雨がともに降るのが霙。 雪片は、落下に従い気温0 °C(融点)以上の高度に入ると解け始めるがすぐには解けない。湿度が100%未満では、雪片の昇華によって熱が奪われるため気温0 °C以上でも解けない層(非融解層)が生じる。またその直下には、解け始めた雪片の層(融解層)が生じる。 湿度が低いほど昇華や蒸発による冷却効果が大きい。よって反対に湿度が高いほど解けるまで時間がかかるため融解層が厚く、また雪片が大きく密度が高いほど熱容量が大きいため同様に融解層が厚くなる。融解層の厚さは、13 mmの雪片(解けると観測される雨滴で最も大きなクラスの約5 mmになる)かつ湿度100 - 80 %で600 m前後、直径10 mmで250 m、5 mmで70 mなどと試算され、実際の大気でも数百mのオーダーと考えられている。湿度が60 %を下回るような低湿度では、雪片が昇華によりかなり小さくなってすぐ解けるため融解層(霙の層)も薄くなる。また、気球による上空観測でも気温0 - 5 °C付近の層で霰が観測される。 文章: 太陽変動 大気中に存在する様々な気体元素は、それぞれ異なった周波数の太陽放射線 (加熱を伴う荷電粒子、電離放射線のX線から、紫外線、可視光、赤外線からミリ波以下の電磁波) を吸収し、雲と塵埃も影響を与える。したがって、大気層を通して上層大気に到達する太陽放射の変化を観察するには、大気の吸収量の効果を勘案する必要がある。 実際、地球の表面に到達している太陽の光は、過去50年間、放射源たる太陽放射がほぼ一定でありながら減少している、という (地球温暖化を参照のこと)、大気汚染に原因を求めることが出来る証拠が存在する。 日射量変動は、太陽の変化ではなく地球と太陽との距離が近づいたり、離れたりすることから生じる、または間接的に地球の存在する領域に到達する放射量の変化であるという説である (註: 地球の歳差、章動との関連。)。これらの (地球上の局部におけるもの;地球全体平均での変化はごく小さい) 太陽の日射で長期間にわたって小さくても25%の変動が発生している。近年で最も顕著な現象としては地球の自転軸の傾きが24度に達した時期、いわゆる完新世の気候最温暖期に先立つ時期おいて、極域の夏に最も太陽が近づいており (近日点)、北半球が受ける日射量が極大となっていた (ミランコビッチ・サイクル を参照のこと)。 文章: 金星 金星には二酸化炭素(CO2)を主成分とし、わずかに窒素を含む大気が存在する。気圧は非常に高く、地表で約92気圧(atm)ある(地球での水深920メートルに相当)。地表での気温は約730K(約460°C)に達する。高温となっている金星地表から雲層(高度45-70km)までの下層大気の温度勾配は、雲層の上端で有効温度になるような乾燥断熱温度勾配にほぼ従っており、高度50km付近では1気圧で約350K(75°C)、55km付近では0.5気圧で約300K(27°C)と、地球よりやや高い程度である。 金星の自転は非常にゆっくりなものである(#自転を参照)が、熱による対流と大気の熱慣性のため、昼でも夜でも地表の温度にそれほどの差はない。大気上層部の「スーパーローテーション」と呼ばれる4日で金星を一周する高速風が、金星全体へ熱を分散するのをさらに助けている。 高度45kmから70kmに硫酸(H2SO4)の雲が存在する。このH2SO4の粒は下層で分解して再び雲層に戻るため、地表に届くことはない。雲の最上部では350km/hもの速度で風が吹いているが、地表では時速数kmの風が吹く程度である。しかし金星の大気圧が非常に高いため、地表の構造物に対して強力に風化作用が働く。 文章: 高度が人に与える影響 高度が人に与える影響(こうどがひとにあたえるえいきょう)はかなり大きい。地球の大気圏内では、高地への移動などにより高度が上がるにつれ、気圧や気温が低下し、人の呼吸に必要な酸素を含む空気が希薄になるためである。ヘモグロビンの酸素飽和度は、血液中の酸素の量を決定する。人体が海抜高度2,100mに達すると、酸素で飽和したヘモグロビンの割合は急落し始める。 しかし、人体は短期的にも長期的にも高度に順応し、酸素の不足をある程度補償することができる。アスリートは、この順応を利用してパフォーマンスを向上させる。しかし順応には限度があり、登山家は8,000mを超える高度を「デス・ゾーン」と呼び、ここでは人体は順応することができない。 時に地表の最高点を超える高空を飛行する航空機の操縦士や乗客は、与圧調整(特に旅客機)や酸素マスク着用、加温などにより、機外の過酷な環境から守られている。航空事故などで空気漏出が起きると、操縦士が意識を失い、墜落につながることもある。 文章: 気温 天気や気候について考えるときの気温は「地上の気温」である。気温は温度計により測定するが、構造や測定値の特性が異なるいくつかの種類の温度計が存在するため、測定値を利用する際に留意する必要がある。地上の気温の測定方法は世界気象機関(WMO)により規定されており、地上から1.25~2.0mの高さで、温度計を直接外気に当てないようにして測定することと定められている。なお日本では、気象庁が測定高さを1.5mと定めている。 ふつう、上記の測定方法を満たすため、温度計や同じような測定環境が求められる湿度計は、ファン付きの通風筒や百葉箱に入れられる。 温度計が雨の侵入や結露によって濡れたり、雪の侵入や霜によって凍結したりすると、水の蒸発や融解による潜熱吸収の作用で温度が低下し、誤差の原因となる。また、太陽光が直接当たったり、温度計の周りの空気の流れが滞ったりすると、本来の周囲の気温以上に温度が上昇し、これも誤差の原因となる。これを防ぐために、通風筒や百葉箱は雨・雪が侵入しにくい構造になっており、通風筒ではファンにより強制的に、百葉箱では風を通しやすい構造により換気を行っている。なお、ファンの発熱の影響を少なくするため、通風筒内では外気の出口にファンを設ける構造が適切とされている。 文章: 大気循環 気象現象の原動力となるのは太陽から地球への熱供給、つまり太陽からの光(太陽放射)である。太陽放射を受ける量は平均すると赤道付近で最も多く、緯度が高い北極や南極に近づくほど少なくなる。一方、地球から出ていく熱(地球放射)の緯度による差は同じような変化をするものの、太陽放射に比べて変化が小さい。よって、約40°より低緯度では出ていく熱より入ってくる熱の方が多く、高緯度では逆に出ていく熱の方が多い。これを聞くと低緯度は温度が上がり続けて高緯度は温度が下がり続けるように思えるが、実際はそうはならない。熱が低緯度から高緯度へ輸送されているからである。 緯度方向、つまり南北方向の熱輸送を担う機構は大きく分けて3ある。海流による輸送、大気の流れによる輸送、潜熱(状態変化に伴い熱を吸収放出し、大気とともに水蒸気や雲として)輸送の3つである。全体でみると、海流よりも大気と潜熱による輸送の方が量は多い。 18世紀にイギリスの気象学者ジョージ・ハドレーは、当時知られていた貿易風と偏西風を説明する理論的な大気循環モデルを提案した。低緯度で暖まった大気が上昇して高緯度に向かい冷やされて下降することで、大気上層では低緯度から高緯度へ、地表付近を含む大気下層ではこれを補うために高緯度から低緯度へ大気が移動する。そして地球の自転により高緯度から低緯度へ向かう下層の風は西向き(東風)に、低緯度から高緯度へ向かう上層の風は東向き(西風)に曲がるが、運動量保存の法則から風はだんだんと加速されるため、高緯度では下層でも西風が卓越する。また低緯度の下層の実際の東風は運動量保存を考えた時よりも遅いが、これは摩擦による減速の為だと考えた。ここでハドレーが考えた運動量保存は正しくなく、実際には角運動量が保存される(角運動量保存の法則)のだが、モデル自体は一部正しかった。 文章: 浮揚ガス この計算は海面温度を0 °Cと仮定する。より高い高度や温度では、揚力は空気の密度に比例して減少するが、水素の揚力とヘリウムの揚力の比率は同じままである。 文章: マッハメーター 遷音速飛行中の航空機が音速に近づくと、最初に臨界マッハ数に到達する。このときに機体表面の低圧領域を流れる空気が局所的に音速に達し、衝撃波が形成される。この状態で指示対気速度は、周囲温度によって変化し、さらに高度によっても変化する。したがって、指示対気速度は、差し迫った問題をパイロットに警告するには十分ではないが、マッハ数は有用であり、ほとんどの高速航空機は最大動作マッハ数(MMO とも呼ばれる)に制限されている。 たとえば、MMO がマッハ 0.83の場合、高度9,100 m (30,000 ft)では、国際標準大気での音速は1,093キロメートル毎時 (590 kn)であり、MMOでの真の対気速度は 906キロメートル毎時 (489 kn)である。音速は気温とともに増加するため、空気が9,100 m (30,000 ft)よりもはるかに暖かい3,000 m (10,000 ft) でのマッハ 0.83では、MMOでの真の対気速度は982 km/h (530 kn)となる。 文章: 氷河融解 数十年以上にわたって氷河が後退し続けている原因には、地球温暖化による平均気温の上昇や大気の流れの変化があると考えられている。ただし、氷河の融解は右肩下がりで継続しているわけではなく、変動に幅がある。これは気温などの変化が均一ではないこと、大気の流れや海水温、大気中の水蒸気量といった様々な要因が氷河の融解と蓄積に関係しているためである。 文章: 天王星の大気 天王星の大気は、主に3つの層に分けられる。高度-300km から50kmで気圧100から0.1バールの対流圏、高度50kmから4000kmで気圧0.1から10バールの成層圏、高度4000kmから天王星の半径の数倍までに至る熱圏(外気圏)である。地球の大気とは異なり、天王星の大気には中間圏はない。 対流圏は最下層で最も密度の高い層であり、高度とともに気温は低下する。対流圏の最下層-300kmの320Kから最上層50kmの53Kまで低下する。対流圏の上界の気温は、実際は緯度によって49Kから57Kの範囲で変化し、最も低いのは南緯25°付近である。対流圏には大気の質量のほぼ全てが含まれる。また惑星からの遠赤外線での熱放射のほとんどを占めており、その実効温度は59.1 ± 0.3 Kである。 対流圏には複雑な雲の構造が存在すると考えられている。水の雲は50から300バール、硫化水素アンモニウムの雲は20から40バール、アンモニアまたは硫化水素の雲は3から10バール、メタンの雲は1から2バールの範囲に分布していると考えられている。ボイジャー2号の電波掩蔽実験で1.2から1.3バールの範囲でメタンの雲が直接検出されたが、その他全ての雲の層の存在は、未だ不確かである。硫化水素の雲の層は、硫黄と窒素の存在比が太陽の値0.16よりもかなり大きい時にのみ存在できる。そうでないと、全ての硫化水素がアンモニアと反応し、硫化水素アンモニウムを形成してしまい、その代わりにアンモニアの雲が3から10バールの範囲に存在することになる。窒素に対する硫黄の存在量が多いということは、硫化水素アンモニウムの雲が形成される20から40バールの領域でアンモニアが枯渇していることを示唆する。これは、水の雲の水滴中または深部にある水とアンモニアのイオンの海でのアンモニアの分解によって説明できる。