大気と気象（知識）の問題
大気中の水蒸気と雲・降水について述べた次の文章を読み、下の問いに答えよ。
空気塊が上昇すると、膨張して温度が下がる。水蒸気で飽和していない空気塊は乾燥断熱減率で温度が下がる。一方、飽和した空気塊が上昇すると、水蒸気の凝結によって潜熱が放出されるため、温度は乾燥断熱減率よりも小さい割合（湿潤断熱減率）で下がる。そのため、周囲の大気の気温減率が（ a ）場合、その大気は、空気塊が飽和していなければ安定であるが、飽和していれば不安定となる。このような大気の状態を条件付き不安定という。
また、中緯度の雲の上部では、温度が より低いのに凍らずに液体のままでいる過冷却の水滴と、氷晶とが共存していることが多い。同じ温度で比べると、氷の表面に対する飽和水蒸気圧は、過冷却の水の表面に対する飽和水蒸気圧よりも（ b ）。このため、水滴が蒸発して生じた水蒸気が氷晶の表面に昇華（凝華）し、氷晶が大きく成長して落下する。これが、中緯度で多く見られる「冷たい雨」のしくみである。
問 文章中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜カのうちから 1 つ選べ。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 乾燥断熱減率より大きい | 大きい |
| イ | 乾燥断熱減率より大きい | 小さい |
| ウ | 湿潤断熱減率より大きく、乾燥断熱減率より小さい | 大きい |
| エ | 湿潤断熱減率より大きく、乾燥断熱減率より小さい | 小さい |
| オ | 湿潤断熱減率より小さい | 大きい |
| カ | 湿潤断熱減率より小さい | 小さい |
この問題で使うもの
- 大気の安定・不安定（説明と入口の問題）
- 降水のしくみ（説明と入口の問題）
- 断熱変化と雲のでき方（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（12 技能）
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
大気の安定・不安定は、周囲の大気の気温減率と、空気塊が上昇するときの温度の下がり方（乾燥断熱減率・湿潤断熱減率）の大小関係で決まります。冷たい雨については、氷晶と過冷却水滴のどちらが水蒸気を取り込んで成長するかを考えましょう。
ヒント 2
湿潤断熱減率は乾燥断熱減率より小さいことに注意しましょう。「飽和していなければ安定、飽和していれば不安定」となるには、周囲の気温減率が 2 つの断熱減率に対してどの位置にあればよいかを考えます。また、氷晶が成長するのは、氷晶のまわりの空気が氷に対して過飽和になるからです。
ヒント 3
a は、周囲の気温減率が乾燥断熱減率より大きいと絶対不安定、湿潤断熱減率より小さいと絶対安定になることから、ウかエに絞れます。あとは、氷の表面と過冷却の水の表面とで、どちらの飽和水蒸気圧が大きいかを判断してください。
答えと解説
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エ
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解説を読む
空欄 a について
大気の安定・不安定は、周囲の大気の気温減率と、上昇する空気塊の温度の下がり方（乾燥断熱減率または湿潤断熱減率）を比べて判断する。持ち上げられた空気塊が周囲より暖かくなれば、浮力でさらに上昇するので不安定、周囲より冷たくなれば元に戻ろうとするので安定である。
- 周囲の気温減率が乾燥断熱減率より大きい場合：飽和していない空気塊も、飽和した空気塊も、上昇すると周囲より暖かくなるので、どちらの場合も不安定（絶対不安定）である。
- 周囲の気温減率が湿潤断熱減率より小さい場合：どちらの空気塊も上昇すると周囲より冷たくなるので、どちらの場合も安定（絶対安定）である。
- 周囲の気温減率が湿潤断熱減率より大きく、乾燥断熱減率より小さい場合：飽和していない空気塊（乾燥断熱減率で冷える）は周囲より冷たくなって安定だが、飽和した空気塊（湿潤断熱減率で冷える）は周囲より暖かくなって不安定となる。これが条件付き不安定である。
よって、a には「湿潤断熱減率より大きく、乾燥断熱減率より小さい」が入る。
空欄 b について
同じ温度では、氷の表面に対する飽和水蒸気圧は、過冷却の水の表面に対する飽和水蒸気圧よりも小さい。そのため、過冷却水滴に対してちょうど飽和している空気は、氷晶に対しては過飽和になる。すると、水滴からは水蒸気が蒸発し、その水蒸気が氷晶の表面に昇華（凝華）して、氷晶だけが成長する。成長した氷晶は雪となって落下し、途中でとければ雨になる（冷たい雨）。
よって、b には「小さい」が入る。
各選択肢の検討
- ア・イ：a が「乾燥断熱減率より大きい」では、空気塊が飽和していなくても不安定（絶対不安定）になるので、「飽和していなければ安定」という文章の内容に合わず誤り。さらにアは b も誤り。
- ウ：a は正しいが、b が「大きい」では、水滴の方が氷晶より水蒸気を取り込みやすくなり、氷晶が水滴を犠牲にして成長するしくみが説明できないので誤り。
- エ：a・b ともに正しい。
- オ・カ：a が「湿潤断熱減率より小さい」では、空気塊が飽和していても安定（絶対安定）になるので、「飽和していれば不安定」という文章の内容に合わず誤り。さらにオは b も誤り。
したがって、答えは エ である。
別解
(a) 条件付き不安定とは、未飽和の空気塊に対しては安定で、飽和した空気塊に対しては不安定な状態である。周囲の気温減率を Γ とする。未飽和の空気塊は乾燥断熱減率 Γd で冷える。上昇した空気塊が周囲より低温になれば元に戻るので安定であり、これは Γ < Γd のときである。飽和した空気塊は湿潤断熱減率 Γm で冷える。周囲より高温のままなら浮力でさらに上昇するので不安定であり、これは Γ > Γm のときである。したがって Γm < Γ < Γd となり、a は「湿潤断熱減率より大きく、乾燥断熱減率より小さい」。
(b) 同じ温度（0℃未満）では、氷に対する飽和水蒸気圧は過冷却水に対する飽和水蒸気圧より小さい。そのため、水滴から蒸発した水蒸気が氷晶に昇華し、氷晶が成長する（ベルジェロン・フィンドアイゼン過程）。b は「小さい」。
各選択肢の確認：ア・イは a が誤り（Γ > Γd だと未飽和でも不安定）。ウ・オは b が誤り。カは a・b ともに誤り（Γ < Γm だと飽和していても安定）。エは a・b ともに正しい。
答え：エ