大気の安定・不安定

周囲の気温減率と乾燥断熱減率・湿潤断熱減率の大小から、大気が絶対安定・絶対不安定・条件付き不安定のどれかを判定し、積乱雲の発達などとの関係を説明できる

前提

断熱変化と雲のでき方（高校地学大気と気象（知識））

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断熱変化と雲のでき方（高校地学大気と気象（知識））

説明

空気塊が何かのきっかけで少し持ち上げられたとき、そのまま上昇を続けるのか、元の高さに戻されるのかは、まわりの大気の気温が高さとともにどう下がっているかで決まります。この技能では、周囲の気温減率を乾燥断熱減率・湿潤断熱減率と比べて、大気が絶対安定・絶対不安定・条件付き不安定のどれにあたるかを判定します。そして、大気が不安定なときに積乱雲が発達しやすいことなどを、このしくみと結びつけて説明できるようになります。

なぜそうしてよいのか

持ち上げられた空気塊は断熱膨張で冷えます。冷え方は、飽和していなければ乾燥断熱減率（約 1.0 ℃/100 m）、飽和して雲ができていれば湿潤断熱減率（約 0.5 ℃/100 m）でした。一方、空気塊のまわりの大気の気温も高さとともに下がっており、100 m あたりの下がり方を周囲の気温減率といいます。同じ高さ（同じ気圧）で比べると、まわりより暖かい空気塊は密度が小さいので浮き上がり、まわりより冷たい空気塊は密度が大きいので沈みます。

たとえば、周囲の気温減率が 0.7 ℃/100 m で、飽和していない空気塊を地表からまわりと同じ気温で 100 m 持ち上げたとします。空気塊は 1.0 ℃ 下がり、まわりは 0.7 ℃ しか下がらないので、空気塊の方が 0.3 ℃ 冷たくなり、沈んで元の高さに戻ろうとします。この状態を安定といいます。逆に、空気塊の冷え方がまわりの気温の下がり方より小さければ、持ち上げられた空気塊はまわりより暖かくなってさらに上昇を続けます。この状態を不安定といいます。つまり「空気塊の減率がまわりより大きい → 安定」「空気塊の減率がまわりより小さい → 不安定」です。

これを 2 つの断熱減率と組み合わせると、周囲の気温減率を $Γ$ として次の 3 つに分けられます。 $Γ$ が湿潤断熱減率より小さいときは、飽和していてもいなくても空気塊はまわりより冷たくなるので絶対安定です。 $Γ$ が乾燥断熱減率より大きいときは、どちらの場合も空気塊がまわりより暖かくなるので絶対不安定です。 $Γ$ がその間にあるときは、飽和していない空気塊には安定、飽和した空気塊には不安定で、これを条件付き不安定といいます。条件付き不安定の大気で、地表付近の暖かく湿った空気が持ち上げられて飽和すると、その後は潜熱の放出でまわりより暖かい状態が続いて上昇が加速し、積乱雲が高く発達します。上空に冷たい空気が入り込んだり地表付近が暖められたりして周囲の気温減率が大きくなるほど、大気は不安定になります。

手順

周囲の気温減率 $Γ$ （100 m あたりの気温の下がり方）を読み取る
$Γ$ を、乾燥断熱減率（約 1.0 ℃/100 m）および湿潤断熱減率（約 0.5 ℃/100 m）と比べる
$Γ <$ 湿潤断熱減率なら絶対安定、 $Γ >$ 乾燥断熱減率なら絶対不安定、湿潤断熱減率 $< Γ <$ 乾燥断熱減率なら条件付き不安定と判定する
条件付き不安定なら、飽和していない空気塊には安定、飽和した空気塊には不安定であることを確かめ、積乱雲の発達などの現象と結びつける

例題

ある日、地表から高さ 3 km までの大気の気温は、高さ 100 m につき 0.7 ℃ の割合で下がっていた。乾燥断熱減率を 1.0 ℃/100 m、湿潤断熱減率を 0.5 ℃/100 m とする。この層の大気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　飽和していてもいなくても、持ち上げられた空気塊は元の高さに戻されるので、絶対安定である。
イ　飽和していてもいなくても、持ち上げられた空気塊は上昇を続けるので、絶対不安定である。
ウ　飽和していない空気塊に対しては安定、飽和した空気塊に対しては不安定なので、条件付き不安定である。
エ　飽和していない空気塊に対しては不安定、飽和した空気塊に対しては安定なので、条件付き不安定である。

例題の解答

手順 1：周囲の気温減率は $Γ = 0.7$ ℃/100 m である。
手順 2：湿潤断熱減率 0.5 ℃/100 m $< Γ = 0.7$ ℃/100 m $<$ 乾燥断熱減率 1.0 ℃/100 m である。
手順 3： $Γ$ が 2 つの断熱減率の間にあるので、条件付き不安定と判定する。よってアとイは誤り。
手順 4：飽和していない空気塊は 100 m につき 1.0 ℃ 冷え、まわり（0.7 ℃）より冷たくなるので沈み、安定である。飽和した空気塊は 100 m につき 0.5 ℃ しか冷えず、まわりより暖かくなるので上昇を続け、不安定である。これはウの内容と一致し、エは安定と不安定が逆である。正しいものはウである。

答え:

ウ

よくある誤り

周囲の気温減率が大きいほど安定だとしてしまう誤り。正しくは、周囲の気温が上空ほど急に下がる（ $Γ$ が大きい）ほど、持ち上げられた空気塊がまわりより暖かくなりやすく不安定になる。 $Γ > 1.0$ ℃/100 m なら絶対不安定である。
条件付き不安定を「飽和していない空気塊に対して不安定、飽和した空気塊に対して安定」と逆にしてしまう誤り。正しくは、湿潤断熱減率 $< Γ <$ 乾燥断熱減率のとき、飽和していない空気塊（1.0 ℃/100 m で冷える）は安定、飽和した空気塊（0.5 ℃/100 m で冷える）は不安定である。
空気塊の気温そのものが下がったから沈むと考え、まわりの気温と比べずに判定してしまう誤り。正しくは、同じ高さでまわりより暖かければ上昇、冷たければ下降するので、空気塊の減率と周囲の気温減率 $Γ$ の大小で判定する。
大気が不安定になるのは、上空が暖かく地表付近が冷たいときだとしてしまう誤り。正しくは、地表付近が暖かく湿り、上空に冷たい空気があって $Γ$ が大きいときに不安定になり、積乱雲が発達しやすい。上空ほど気温が高い層（気温の逆転している層）は非常に安定である。

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。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
ある日、ある地点の上空の気温を観測したところ、高さ $100 m$ につき $0.7^{\circ} C$ の割合で気温が下がっていた。この大気の中で空気塊が上昇するとき、空気塊の温度は、飽和していなければ $100 m$ につき $1.0^{\circ} C$ （乾燥断熱減率）、飽和していれば $100 m$ につき $0.5^{\circ} C$ （湿潤断熱減率）の割合で下がるものとする。
この大気の状態と、その理由の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　絶対安定：空気塊は、飽和していてもいなくても、持ち上げられると周囲の空気より温度が低くなる
- イ　条件付き不安定：空気塊は、飽和していなければ持ち上げられると周囲より温度が低くなるが、飽和していれば周囲より温度が高くなる
- ウ　絶対不安定：空気塊は、飽和していてもいなくても、持ち上げられると周囲の空気より温度が高くなる
- エ　条件付き不安定：空気塊は、飽和していなければ持ち上げられると周囲より温度が高くなるが、飽和していれば周囲より温度が低くなる

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）

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 $0^{\circ} C$ 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

この技能の次に学べること

台風のしくみ（高校地学大気と気象（知識））