気温減率

真冬の部屋でストーブのすぐそばに座っていればぽかぽかですが、ストーブから離れて部屋の隅まで歩くと、すぐに肌寒くなります。地球の大気でも、これとよく似たことが毎日起きています。

地球の空気を温めている本当のストーブは、遠い空に浮かぶ太陽そのものではなく、太陽の熱をたっぷり吸い込んだ地面です。日差しは透明な空気をそのまま通り抜けて、先に地面を熱くするからです。そのあと、熱せられた地表が大きな床暖房マットのように、周りの空気へ順番に温かさを手渡していきます。

つまり、高い山や上空へ登ることは、足元のストーブからだんだん遠ざかることなのです。太陽に数キロメートル近づく影響よりも、足元の温かい地面から離れる冷却効果のほうがずっと大きいので、上へ行くほど肌寒くなります。ただ、温められた空気は上へ昇りますから、上空がずっと冷たい理由は、次に見る断熱膨張とあわせて考える必要があります。

だから、真夏に海辺や都心が蒸し暑くても、標高の高い富士山の山頂に登ると、長袖を着込まなければならないほど気温差が大きく開くのです。

自転車のタイヤに空気を入れようとポンプを何度も力いっぱい押すと、ポンプの筒がけっこう熱くなります。狭い筒の中で空気がぎゅっと押し縮められると温度が上がるからです。逆に、押し縮められていた空気が広いところへ解き放たれてふくらむと、温度はぐっと下がります。

高い空は、空気を押さえつける重さ、つまり気圧が地上よりずっと低くなっています。そのため、地表近くで温まった空気のかたまりが風に乗って山を越えたり上へ昇ったりすると、押さえつける力が弱まり、風船のように体積がひとりでに膨張します。

空気のかたまりが体を大きく広げるには、周りの空気を力いっぱい押しのけなければならず、このとき空気の内部の熱エネルギーを使います。外から氷を当てなくても、空気が自分でエネルギーを使って温度が下がる現象を、断熱膨張と呼びます。

こうして体積が大きくなって熱を失った空気は、上へ昇るほどどんどん冷たくなります。気温減率が生まれる理由には、ストーブ(地面)から遠ざかることもありますが、このように空気が膨張しながら自分で熱を冷ます仕組みも、とても大きな役割を果たしています。

気象学では、一般に100メートル登るごとに気温がおよそ0.65度ずつ下がると説明します。しかし、もう少し正確に見ていくと、空気中にどれだけ水蒸気が混じっているかによって、気温の下がる速さは大きく変わります。

ここで気をつけたいことがあります。これから話す値は、上へ昇っていく空気のかたまり自身が冷える割合(断熱減率)です。山を登りながら温度計で測る、高さごとの実際の気温差(環境減率)とは別の話なのです。まだ雲ができていない乾いた空気のかたまりが昇ると、100メートルごとにじつに1度ずつ速く冷えていきます。これを乾燥断熱減率と呼びます。いっぽう、さらに昇って水蒸気が飽和し、雲ができはじめた空気は、100メートルあたり約0.4〜0.7度(気温が高いほど小さくなります)と、比較的ゆっくり冷えます。これを湿潤断熱減率といいます。

こうした違いが生まれるのは、空気中の水蒸気が冷たい上空で水滴に変わって雲になるとき、自分が抱えていた隠れた熱(潜熱)を周りに放出するからです。水蒸気が吐き出した温かさが、空気の冷えを後ろから補ってくれるので、気温があまり下がらないのです。

私たちが日常で口にする0.65度は、上の2つの値を計算して導き出した数字ではありません。実際の大気を長年観測してまとめた平均をもとに決められた、国際標準大気の基準値なのです。実際には天気によって変わるので、霧が濃かったり雨が降っていたりする山を登るときは、晴れた日よりも、高さによる気温の変化がやや緩やかに感じられます。