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暖かい空気は上に上がるのに上空は、なぜ寒いのですか。

chi********さん

2018/10/1122:28:18

暖かい空気は上に上がるのに上空は、なぜ寒いのですか。

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gal********さん

2018/10/1421:09:36

上空へ行くほど気圧(周囲の空気が物体に及ぼす圧力)が
低くなっていくので、暖められて上昇する空気は、
高度が増すごとにその体積を増加(膨張)させていきます。
もともと空気は熱を伝えにくい性質があるため、
この膨張は「断熱膨張」という過程になりますので、
膨張した空気の温度が下がってしまいます。
そのため、上昇する空気には上空に熱を運ぶ役割が
できないことになります。

ところで、上空ほど(高度が増すほど)気温が低いのは
上空およそ1万メートルほどまでの「対流圏」と呼ばれる
大気の層までで、それより上空では高度が増すほど
気温が高くなっていく層があります(成層圏)。

この対流圏で上空へ行くほど気温が下がっていくのは
熱を運ぶ「太陽光」を、対流圏内の空気が吸収できないためす。
(物体は光を吸収すると温度が上昇する性質があります。)
成層圏では、その空気に含まれる「酸素」や「オゾン」が
太陽光に含まれる「紫外線」を、成層圏の上の方から順番に
吸収していくことになるので、上の方が気温が高いのですが、
成層圏で紫外線がほとんどなくなってしまった太陽光を
対流圏の空気は吸収することができないんです。

その変わり、空気以外の物体は太陽の光を吸収できますから、
地面や海水面などの「地表面」が、太陽光を吸収して温度が
高くなります。そして、あらゆる物体は、光を吸収して温度が
上昇すると同時に、光を放射して熱を失い温度が下がる性質も
持ち合わせています。太陽光を吸収して温度が上昇した地表面は
温度を一定に保つために「赤外線」という光を放射して熱を
失い温度を下げるのですが、空気は「赤外線」という光を
吸収することができるのです。つまり、地表面に近い空気から
順番にこの光を吸収していき、上空へ行くほど、赤外線量が
少なくなってしまうので、地上付近ほど気温が高く、上空へ
いくほど気温が低くなっている、というわけです。



galileo9600さん

> 温度差は運動差
> 暖かい空気は冷たい空気よりも運動します。
> 運動差が位置を変えます。

温度は物体を構成している原子や分子が持つ
「運動エネルギー」の尺度です。

運動差(運動量の差というべき)が位置を変える
というのは適切ではありませんね。
運動量に違いがあろうと、物体が運動すれば
差があろうがなかろうが位置が変わるからです(笑)


> ただ自然界の温め方は全体的にゆっくり、東から西に均等に。

これは大間違い。中学生の理科の時間に
「陸地は暖まりやすく、海は暖まりにくい」
という理由のため「海陸風」が吹くというのを
習うと思いますが、物体によって同じ熱を与えられても
温度の上昇の仕方に差が生じ、均等には暖まらないのです。


> 煙突から出る煙、100メートルも続きません。
> 100℃差があっても登るうちに周りに熱を奪われます。

これも間違い。
この現象は熱が周囲に奪われるのではなく、
煙そのものが周囲に「分散」するためです。


> 東京が気温40℃になっても千葉や埼玉が30℃くらいでも
> 温度差は10℃程度
> 上昇は感じないでしょう。

このような温度差が生じた場合は、
水平方向に空気が移動します。
それが「風」です。

高温の空気の方が密度が小さくなり、
密度に差のある流体が接触している場合は
その密度差を解消するために、高密度側から
低密度側へ流体が一斉に移動するわけです。
空気の密度が高い=気圧が高いということで、
風は高圧部から低圧部に向かって吹く、
ということになります。

太陽光によって陸地の方が海よりも先に温度が
高くなるので、陸側が低圧部、海側が高圧部となり
海から陸へと「海風」が発生するというのが
誰もが中学生の理科で習うことです。


> 簡単に登るようなものなら空気が簡単に循環され
> 砂漠も気温50℃になることはないでしょう。

これも理由が間違っています。
砂漠が高温になるのは、比熱の大きい「水」が
砂の中にも空気中にも少ないためです。

一方、暖まりやすいものは、同時に冷めやすい
という性質もあります。そのため日中に50℃
以上にも達する砂漠では、夜になると気温が数℃
になることもあり、日夜の気温差が非常に大きくなります。
これは、湿度が高い日本の夏の昼夜の気温差が少なく、
秋になって湿度が低くなると昼夜の寒暖差が大きくなるのと
理屈は同じです。


> 登らないから運動量が増えると考えてもいいと思います。

いいはずがありません(笑)
登らない=運動していないのですから、
どうして運動量が増えるのでしょうか?



> 登るためには隣接する空気との運動差があればということです。

空気が温まるとなぜ上昇気流が生まれるかという
メカニズムを完全に理解していないようですね。
隣接する空気に温度差(運動差)がある場合は、
上昇ではなく、水平方向への移動=風が生じます。
局所的に空気が暖められた場合、その空気の周囲には
それよりも温度の低い空気が存在しています。
空気は温度が低いほど密度が大きくなります。
すると、暖められた空気の方が密度が小さくなり、
密度の大きい周囲の空気から「浮力」を受けるので
上昇を始めることになるんです。

例えば、密度の大きい水の中に、密度の小さい発泡スチロールを
沈めて、指を離すと勢いよく浮き上がってきますね。
密度の小さい物体が、周囲の密度の大きい物体によって
「浮力」が働くからです。



> 風船みたいに小さく閉じ込めれば温度差で膨脹などが
> 起こりますが、大気は閉じ込められていないから。
> 空気塊が膨脹して登るというのは風船や気球の原理でしかない。

空気の規模を小さく見積もり過ぎているようです。
さきほど説明しましたように、空気は熱を伝えにくい
性質があるため、温度の異なる空気同士が接触しても
簡単には混ざらないんです(運動量が違うため)。
それが小さい空気同士であれば簡単に混ざりますが、
数kmというスケールの空気同士の混合となると、
まるで二つの風船をぶつけ合うかのように振る舞う
わけです。それを上手くモデル化した表現が「空気塊」です。


> 上空に行くほど気圧は下がる。
> 圧力が下がるのか
> 密度が下がるのか

気体の圧力と密度の関係は「状態方程式」
(pV=nRT)によってあらわされます。
nは物質量ですが、それを質量mを用いた
場合の比例定数をR’とすれば、
p=(m/V)R’Tとなって、
m/Vは単位体積あたりの質量、
つまり「密度」のことですから、
空気の圧力pは、空気の絶対温度Tに比例する
という関係があることが示されます。
つまり、密度が下がれば圧力も下がり、
圧力が下がれば密度も下がる、ということです。



> ただその隙間を分子の運動が作っていると考えるのは間違いです。

間違いではありません。
間違いだと考える方が間違っています(笑)
空気の気体分子は氷点下であっても
高速にランダムな運動を繰り返しています。


> 分子の運動が作るのならば夜と昼、冬と夏で
> 気圧は変わると思いますから。

気圧は気温によって変化します。
冬と夏では対流圏界面の高度が変わることは
ご存知でしょう? 大気の層の厚さが
季節によって変化するわけです。
たとえば、100hPaの気圧を示す高度が
冬よりも夏の方が高くなります。


> そうならないのは大気は別な物理現象に支配されているからです。
> それは遠心力。
> 分子は遠心力と引力の中で浮き沈みを繰り広げています。
> 運動はその中で震えているような状態でしかありません。
>
> だから上空に行くほど接触はなくなり、登る要素はなくなり、
> 温度を上げるようなこともなくなります。

これでは、対流圏での温度変化を説明できても、
対流圏の上にある成層圏などの温度変化を
説明することはできません。

そもそも、遠心力とは加速度運動する物体の「慣性」
によって生まれる「見かけの力」です。その加速度を
生じさせている力は地球と物体(ここでは空気)に
働く「重力(万有引力)」です。

したがって、ある時は空気に強い引力が働いて沈み、
ある時はその空気に強い遠心力が働いて浮き上がる、
なんてことは起こり得ないわけです。

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gal********さん

2018/10/1417:58:30

私の個人的な大気の見方です。

温度差は運動差
暖かい空気は冷たい空気よりも運動します。
運動差が位置を変えます。
人工的に温められた空気は局所的なため周りと差を作ります。だから上昇すると認識できるような流れが感じられます。
ただ自然界の温め方は全体的にゆっくり、東から西に均等に。
差が出るものではありません。故に上昇は認識されるレベルのものは存在しません。

煙突から出る煙、100メートルも続きません。
100℃差があっても登るうちに周りに熱を奪われます。
東京が気温40℃になっても千葉や埼玉が30℃くらいでも温度差は10℃程度
上昇は感じないでしょう。
簡単に登るようなものなら空気が簡単に循環され
砂漠も気温50℃になることはないでしょう。
登らないから運動量が増えると考えてもいいと思います。


正直大気の大半は沸点を200℃ほど超えた状態の分子です。
マイナス100℃でも上昇していていいんです。
40℃だから急に上るというものではないのです。



登るためには隣接する空気との運動差があればということです。

夜と昼
温度差は10℃以上ありますが、気圧は変わりないと思います。
運動で圧力は変わらない。
ならば温度でも圧力は変わらないといえるわけです。

風船みたいに小さく閉じ込めれば温度差で膨脹などが起こりますが、大気は閉じ込められていないから。
空気塊が膨脹して登るというのは風船や気球の原理でしかない。


上空に行くほど気圧は下がる。
圧力が下がるのか
密度が下がるのか

単純に圧力だけなら空気は熱圏まで上昇していいんです。
密度が減るから対流圏とその上では動きが違うわけです。

密度が減るというのは分子間の隙間が広がるということです。
何かにぶつからなければ動けない、登りたくても登れない。
運動量が熱量に繋がらない。

高度が低ければぶつかり合いが熱量を増加させる形にもなりますが
ぶつかり合いが希薄なら熱量も上がらない。
上空はそういう状況です。

大気は気体。単分子です。沸点を越えて活動する個です。
接触してもすぐ離れるような状態です。
圧力をかけぎゅうぎゅうに詰められた状態ではありません。
少なからず隙間があります。
ただその隙間を分子の運動が作っていると考えるのは間違いです。
分子の運動が作るのならば夜と昼、冬と夏で
気圧は変わると思いますから。

そうならないのは大気は別な物理現象に支配されているからです。
それは遠心力。
分子は遠心力と引力の中で浮き沈みを繰り広げています。
運動はその中で震えているような状態でしかありません。

だから上空に行くほど接触はなくなり、登る要素はなくなり、
温度を上げるようなこともなくなります。

まあ寒いと言っても
沸点からすれば太陽放射線である程度は熱量を与えられている状態ですがね。

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hid********さん

2018/10/1201:09:04

気圧が低いから薄まる!

sra********さん

2018/10/1122:43:56

照射、反射熱の関係。
加えて空気が「薄い」というのはエネルギーの低さに関係します。
空気の濃さと熱の関係は断熱圧縮というものを調べると理解しやすいかと。

huk********さん

2018/10/1122:30:54

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小学4年生でならいました。

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