空気中の水蒸気が液体や固体の粒子になり、地球に落下するのはなぜか？ その答えは、空気が自然に冷やされるからです。 空気が露点まで冷えると、その空気は水で飽和状態になります。 例えるなら、湿ったスポンジから水を取り出すようなものです。 水を出すには、スポンジを絞る、つまり、水を保持する力を弱める必要があります。 大気中では、露点を超えて空気を冷やすことはスポンジを絞るようなもので、空気が含むことのできる水蒸気の量を減らし、一部の水蒸気分子が状態を変化させて水滴や氷の結晶を作らざるを得なくなります。 晴れた夜、地表は長波放射を失ってかなり冷たくなることがある。 空気が湿っていれば、水蒸気が氷晶を形成して霜がつくこともある。 しかし、この冷え込みだけでは、降水は発生しない。 降水は、大量の空気が露点以下の温度で安定的に降下した場合にのみ形成される。
DRY ADIABATIC RATE
ハンドポンプで自転車のタイヤに空気を入れたことがある人は、ポンプが熱くなることに気づいたかもしれません。 これは、断熱の原理を見たことになります。 この法則は、気体に何のエネルギーも加えなければ、圧縮されるにつれて温度が上昇するという重要な法則です。 ポンプを勢いよく回して空気を圧縮すると、金属製の自転車用ポンプが温かくなります。 逆に、気体が膨張すると、同じ原理で温度が下がります。 物理学者は、断熱過程という言葉を、圧力変化の結果としてのみ起こる加熱や冷却の過程を指すのに使っており、空気の体積に熱が流入したり流出したりすることはありません。
断熱の原理は、空気の上昇や降水とどのように関係しているのでしょうか。 高度が高くなると気圧が下がるというのがミソです。 図4.9に示すように、空気の塊が上昇すると、その塊にかかる気圧は低くなり、空気は膨張して冷却される。 下降すると、気圧は高くなり、空気は圧縮されて暖かくなります。
この大気の挙動を、図4.10下段に示すような乾燥断熱経過率で表します。 これは、まだ飽和まで冷却されていない上昇気塊に適用される。 乾燥断熱周期の値は、垂直上昇1000mあたり10℃程度である。 つまり、ある空気塊が1km上昇すると、その温度は10℃下がることになる。 逆に、下降する空気塊は1000mあたり10℃暖かくなる。この過程で結露は起こらないので、これが乾燥率である。
乾燥断熱経過率と環境温度経過率の間には、注意すべき重要な違いがある。 環境温度経過率とは、静止した空気の温度が高度によってどのように変化するかを表したものです。 これは、大気の状態によって、時間や場所によって変化する。 乾燥断熱温度とは全く異なる。 乾湿分離率は、垂直方向に移動する空気の塊に適用されます。
MOIST ADIABATIC RATE
続いて、大気中を上向きに移動する空気塊の運命を調べてみましょう(図4.10)。 小包が上方に移動すると、その温度は乾燥断熱速度である10℃/1000 m (5.5°F/1000 ft)で低下する。 しかし、露点温度は標高によってわずかに変化することに注意する必要がある。
上昇を続けると、やがて空気は露点温度まで冷却され、結露が発生する。 これを図4.10に揚水凝結量として示す。 このように, 上昇結露量は空気の初期温度と初期露点
によって決まり, ここに示した例とは異なる場合がある.
つまり、凝結が起こると、凝結した水分子から潜熱が放出され、周囲の空気分子を暖める。 まず、上昇した空気は気圧の低下により冷やされる。
どちらの効果が強いのでしょうか。 結論から言うと、冷やす効果の方が強いので、空気は上昇しながら冷えていきます。 しかし、潜熱が放出されるため、冷却される速度は小さくなります。 この飽和空気の冷却速度を湿潤断熱経過率と呼び、1000mあたり4〜9℃の範囲にある。 一定である乾燥断熱経過率とは異なり、湿潤断熱経過率は、空気の温度と圧力、およびその水分量に依存するため、変動するものである。 しかし、ほとんどの場合、5℃/1000 m (2.7°F/1000 ft)という値を使用することができる。 図4.10では、湿潤断熱率が高度によって変化することを示すために、わずかに湾曲した線で示されています。
空気塊が飽和して上昇し続けるとき、結露が発生していることに留意してください。 この結露が液滴や固体の氷の粒を作り、雲を形成し、最終的に降水となります。