上昇する空気塊が断熱膨張で冷え、露点に達して凝結核のまわりで凝結して雲ができるしくみ、乾燥断熱減率と湿潤断熱減率の違いの理由（潜熱の放出）を説明でき、雲をつくる実験の結果を考察できる
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空気のかたまり（空気塊）が上昇すると、まわりと熱をやりとりしないまま膨張して冷え、やがて露点に達して雲ができます。この技能では、このしくみを断熱変化の考え方で説明し、雲ができる前と後で上昇による気温の下がり方（乾燥断熱減率と湿潤断熱減率）が違う理由を説明できるようにします。さらに、フラスコと注射器などを使って雲をつくる実験の結果を、このしくみと結びつけて考察できるようになります。
上空ほど気圧が低いので、上昇した空気塊は膨張します。空気塊は大きく、上昇も速いので、そのあいだにまわりと熱をほとんどやりとりしない、つまり断熱変化とみなせます。熱力学第一法則 で とすると、膨張して外に仕事をした分（）だけ内部エネルギーが減り、温度が下がります。これが断熱膨張による冷却です。雲ができていない（飽和していない）空気塊では、この冷え方は 100 m 上昇するごとに約 1 ℃ で、これを乾燥断熱減率といいます。逆に下降する空気塊は断熱圧縮されて温度が上がります。
空気塊が冷えて露点に達すると、水蒸気は飽和し、それ以上冷えると水滴（さらに冷えると氷の粒）に変わります。ただし、きれいな空気の中では水蒸気はなかなか水滴になれず、ちり・海塩の粒・煙の粒子などの小さな粒（凝結核）があると、そのまわりで凝結が進みます。こうしてできた多数の小さな水滴や氷の粒が浮かんでいるものが雲です。
雲ができ始めた後も空気塊は上昇とともに冷えますが、冷え方は 100 m あたり約 0.5 ℃ とゆるやかになります（湿潤断熱減率）。水蒸気が凝結して水になるときには、蒸発のときに吸収したのと同じだけの熱（潜熱）を放出します。断熱膨張で冷えようとする空気塊を、この潜熱が内側から暖めるため、雲の中では冷え方が小さくなるのです。したがって、湿潤断熱減率は乾燥断熱減率より小さくなります。
空気塊が上昇しているか下降しているかを確かめ、上昇なら断熱膨張で温度が下がる、下降なら断熱圧縮で温度が上がると判断する
温度が下がって露点に達したかどうかで、雲（水滴）ができるかを判断する。凝結には凝結核が必要であることも確かめる
雲ができる前なら乾燥断熱減率（約 1 ℃/100 m）、雲の中なら凝結による潜熱の放出のため湿潤断熱減率（約 0.5 ℃/100 m）で冷えると判断する
実験の問題では、ピストンを引く・ゴム風船がふくらむなどの操作を「膨張」、押すなどの操作を「圧縮」に置き換え、温度の変化と露点の関係からくもる・晴れるを考察する
選択肢の文の「膨張・圧縮」「温度が上がる・下がる」「潜熱を放出・吸収」「凝結核のはたらき」が正しく結びついているかを確かめて答えを選ぶ
少量の水を入れて内側をぬらし、線香の煙を少し入れたフラスコに、ピストンのついた大きな注射器をつないで密閉した。ピストンを急に引くと、フラスコ内が白くくもり、ピストンを急に押し戻すと、くもりが消えた。この実験について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア ピストンを急に引くと、フラスコ内の空気が断熱圧縮されて温度が上がり、水がさかんに蒸発して白くくもった。
イ ピストンを急に引くと、フラスコ内の空気が断熱膨張して温度が下がり、露点以下になって水蒸気が凝結したため白くくもった。
ウ 線香の煙を入れたのは、フラスコ内の水蒸気の量を増やして湿度を上げるためである。
エ ピストンを急に押し戻すとくもりが消えたのは、空気が断熱膨張して温度が下がり、水滴が凍って見えなくなったためである。
手順 1：ピストンを急に引くとフラスコ内の空気は膨張し、急な操作なので熱のやりとりはほとんどなく、断熱膨張として温度が下がる。押し戻すと断熱圧縮で温度が上がる。
手順 2：引いたときに温度が露点以下まで下がれば、水蒸気が凝結して小さな水滴ができ、白くくもる。線香の煙の粒子は、その凝結を助ける凝結核としてはたらく。
手順 3：この実験はまだ雲ができ始める瞬間を見るものであり、減率の違いは問われていない。
手順 4：引く操作は「膨張」、押す操作は「圧縮」に置き換えられる。押したときは温度が上がって露点より高くなり、水滴が蒸発してくもりが消える。
手順 5：アは「引く＝圧縮」としている点で誤り。ウは煙の役割を水蒸気の供給としている点で誤り（正しくは凝結核）。エは「押す＝膨張」としている点で誤り（押すと断熱圧縮で温度が上がり、水滴が蒸発する）。イは膨張・温度低下・露点・凝結が正しく結びついているので、正しいものはイである。
答え: イ
上昇する空気塊が冷えるのは、上空のまわりの空気が冷たいからだ（まわりに熱を奪われるからだ）としてしまう誤り。正しくは、まわりと熱をやりとりしない（）まま膨張して外に仕事をし、 となって内部エネルギーが減るために温度が下がる。
雲の中では水蒸気が凝結するときに熱を吸収するので、乾燥断熱減率より速く冷える（湿潤断熱減率の方が大きい）としてしまう誤り。正しくは、凝結のときに潜熱を放出して空気を暖めるので、湿潤断熱減率（約 0.5 ℃/100 m）は乾燥断熱減率（約 1 ℃/100 m）より小さい。
雲をつくる実験で入れる線香の煙を、水蒸気を補うためのもの、または温度を上げるためのものとしてしまう誤り。正しくは、煙の粒子は水蒸気が凝結するときの芯となる凝結核としてはたらく。
注射器のピストンを押す（圧縮する）と雲ができるとしてしまう誤り。正しくは、押すと断熱圧縮で温度が上がり露点より高くなるのでくもりは消え、引いて断熱膨張させたときに温度が下がってくもる。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
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。
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 |