大気と気象（知識）の問題
雲ができるしくみを調べるため、次の実験を行った。
【方法】丸底フラスコに、ピストンのついた大型の注射器とデジタル温度計を取りつけた。フラスコの中の条件を下の表のように変えて、ピストンをすばやく引く（フラスコ内の空気を膨張させる）、またはすばやく押す（圧縮する）操作を行った。「水あり」では、少量の水を入れて内壁をぬらし、しばらく置いて内部の空気を飽和に近い状態にした。「水なし」では、内部をよく乾かした。「煙あり」では、線香の煙を少量入れた。煙は少量なので、操作の前のフラスコ内はほぼ透明であった。「煙なし」では、フィルターでろ過して微粒子を取り除いた空気を入れた。操作はすばやく行ったので、操作中のフラスコの外との熱のやりとりは無視できるものとする。
【結果】
| 実験 | フラスコ内の条件 | 操作 | 温度の変化 | フラスコ内のようす |
|---|---|---|---|---|
| A | 水あり・煙あり | ピストンを引く | 約 下がった | 白くくもった |
| B | A の直後のもの | ピストンを押してもとの位置に戻す | 約 上がった | くもりが消えた |
| C | 水あり・煙なし | ピストンを引く | 約 下がった | くもらなかった |
| D | 水なし・煙あり | ピストンを引く | 約 下がった | くもらなかった |
この実験の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア A で温度が下がったのは、フラスコ内の水が蒸発するときに周囲から熱を奪ったためである。
- イ B でくもりが消えたのは、圧縮によって温度が上がり、飽和水蒸気量が小さくなって水滴が蒸発したためである。
- ウ A と C の比較から、水蒸気が凝結して水滴になるには、凝結核となる微粒子が存在することが重要である。
- エ A と D の比較から、A の白いくもりは、冷やされた煙の粒子そのものが白く見えたものである。
- オ A の操作は、大気中で空気塊が下降し、圧縮されて雲ができる過程に対応する。
この問題で使うもの
- 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（10 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
断熱膨張・断熱圧縮による温度変化、飽和水蒸気量と温度の関係、凝結核のはたらきという 3 つの知識を使う。各選択肢では、どの実験とどの実験を比べると判断できるかを考えよう。
ヒント 2
1 つの条件だけが違う 2 つの実験を比べると、その条件のはたらきがわかる。温度が高いほど飽和水蒸気量は大きい。また、大気中で空気が膨張するのは、空気塊が上昇するときである。
ヒント 3
D（水なし）でも温度は同じように下がったので、温度低下の原因は蒸発ではない。よってアは誤り。圧縮で温度が上がると飽和水蒸気量は大きくなるので、イも誤り。残りのウ・エ・オを、煙の有無と空気塊の上昇・下降の観点で調べよう。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
ピストンをすばやく引くと、フラスコ内の空気は外と熱をやりとりせずに膨張する（断熱膨張）。膨張するとき空気は外に仕事をするので、そのぶん内部のエネルギーが減り、温度が下がる。温度が下がると飽和水蒸気量が小さくなり、空気が飽和に達すると水蒸気が凝結して小さな水滴ができ、白くくもって見える。これが雲のできるしくみのモデルである。
ウ（正しい） A と C は、どちらも水があり、温度も同じ程度下がっている。違うのは煙（微粒子）の有無だけで、煙のある A だけがくもった。したがって、水蒸気が凝結して水滴になるには、凝結核となる微粒子が存在することが重要だとわかる。実際の大気でも、エーロゾル（ちり・海塩粒子など）が凝結核となって雲粒ができる。
ア（誤り） 水のない D でも、A と同じ程度に温度が下がっている。よって、温度が下がった原因は水の蒸発ではなく、空気の断熱膨張である。
イ（誤り） 圧縮されて温度が上がると、飽和水蒸気量は大きくなる。そのため空気が飽和しなくなり、水滴が蒸発してくもりが消える。「飽和水蒸気量が小さくなって」の部分が誤りである。
エ（誤り） D には煙があり、A と同じ程度に冷やされているのに、くもらなかった。よって、くもりは煙の粒子そのものではなく、水蒸気が凝結してできた水滴である。
オ（誤り） A は空気の膨張と冷却にあたる。大気中でこれにあたるのは、空気塊が上昇し、周囲の気圧が下がって断熱膨張する過程である。下降して圧縮されると、空気塊は断熱圧縮で温度が上がるので、雲は消える方向に向かう。
別解
各選択肢を実験結果と照らして検討する。
ア：誤り。A の温度低下は、ピストンを引いて空気が断熱膨張し、仕事をした分だけ内部エネルギーが減ったためである。水の蒸発による潜熱の吸収が原因ではない。むしろ水蒸気が凝結すれば熱が放出される。C でも水ありで同じ約 2 ℃ の低下が起きていることからも、蒸発が原因ではないとわかる。
イ：誤り。圧縮で温度が上がると飽和水蒸気量は「大きく」なる。したがって「小さくなって」という記述が誤りである。水滴が蒸発してくもりが消えるという現象自体は正しいが、理由の記述が誤っている。
ウ：正しい。A（水あり・煙あり）はくもり、C（水あり・煙なし）はくもらなかった。違いは煙（微粒子）の有無だけなので、水蒸気が凝結して水滴になるには凝結核となる微粒子が重要だとわかる。
エ：誤り。D（水なし・煙あり）では、同じように冷やされても煙があるだけではくもらなかった。くもりの正体は煙の粒子ではなく、煙を核として凝結した水滴である。
オ：誤り。A の操作は膨張・温度低下であり、大気中で空気塊が上昇して断熱膨張し、冷えて雲ができる過程に対応する。下降すると圧縮されて昇温し、雲は消える。
正解は ウ。
確認：A と C は水の有無が同じで煙の有無だけが違い、A と D は煙の有無が同じで水の有無だけが違う。A でくもるには水蒸気と微粒子の両方が必要で、これは ウ の内容と矛盾しない。