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ブログにて、なぜ大気は高度が高ければ高いほど気温が低下するのかを話題に出しました！！
🛩なぜ、高気圧と低気圧は存在するのか？？🛩
こちら
今回はこのテーマについて解説を行いたいと思います。
🌤まず、温度に関係しているものの一つとして空気がございます。
太陽の熱は直接空気を温めるのではなく地面を最初に温めます。
熱伝導率が関係しており、固体が一番熱が伝わりやすい性質を持っているからです。
🌤熱の伝導率の大きさは、固体＞液体＞気体の順に熱が伝わりやすい性質となっております🌤
このことから、太陽はまず地表を温めた後に、その温めた地表の放射熱によって空気が温められていくのです。
また、空気の性質上対流による効果がございます！！
※SOLIDWORKS様より図引用
暖かい空気は上昇し、冷たい空気は下降します。
これは、液体や気体の温度が上昇すると密度が小さくなり軽くなるからです。
熱を加える事で空気分子の動きが活発化します。
その結果、温かい空気は上昇していきます。
※ギモン雑学様より図を引用
しかし、実際にフライトを行っていると高度が高いほうが暖かいわけではありません。
実際に高度10,000m。約30,000ftではなんとマイナス50度の極寒の世界になっております。
上空に行く事で気圧が下がります、これが上空の温度が低い主な原因になります。
地球の周りは大気に覆われており、上空に行く程空気量が少なく気圧が低くなります。
空気には圧力が下がると温度が低下する性質があります。
気体の状態方程式で導かれます。
pが下がると、等式の関係上Tが下がります。 その結果、高高度では大気圧力が低く、圧力が低いこの場所は極寒の地域なのです。 標高が100m上がるにつれて、気温は0.6℃下がるとされています。
ここでの温度はケルビン温度を使用します。
分子の運動が止まる温度である絶対零度を基準とした温度の単位になります。
摂氏とは273度差があり、摂氏0度は273ケルビンになります。
約−273℃のときに固体、液体、気体の熱運動は停止する事から、この温度を0ケルビンと定義いたしました。
地球に降りそそぐ太陽エネルギーは、大気よりも地表面で吸収される量がはるかに多いです。
太陽エネルギーの70％が地表に届き、30％は届く事なく宇宙空間に反射されます。 この7割の内、地表に届いた地熱が大気の温度に起因している事になります。 この事から、地上の気温は地面が身近な熱源となっている事が読み取れます。
大気は地表面に近い層から暖められ、上層と下層の大気の交換すなわち対流が発生します。
対流が活発で、上空ほど気温が低下する地上から高さ10~16kmまでの大気の層は、対流圏と呼ばれています。
雲や降水などの天気現象は対流圏で起こります。
さらに、より太陽に近い宇宙規模のスケールで考察をしてみます。
気温と上空の高度を対比したグラブがございます。
※気象庁様より図引用
地表から高度16kｍ位までの対流圏内では、先程までの話で取り上げました通り気圧が下がるにつれて温度が下がっている事が確認できます。
対流圏界面から成層圏界面である上空から50km地点までは、高度とともに気温が上昇します。
上空80kmから800kmまでの間である熱圏でも同様に高度が上がることにより気温が上昇します。
熱圏は、太陽からの短波長の電磁波や磁気圏で加速された電子のエネルギーを吸収することにより、温度が高くなります。
🌤温度は2,000℃相当まで達することがあります。 成層圏内のオゾン層にたまった紫外線の影響で温度が上がります。 成層圏の温度上昇も同様の理由です。 太陽による直接的な放射熱ではないのです。
蛇足で、分子の平均運動量によって温度は定義されています。
熱圏のような分子の密度が地表と比べてきわめて低い場所では、実際に大気から受ける熱量は小さく、熱さは感じられないと考えられます。
大気圏突入の際に、高温度になるのでスペースシャトルには耐熱加工されているのを聞いたことがあるぞ！なんて聞いた事があると思います！！
▼NASAシャトル着陸施設観光フライトPart2
こちら
実はこれは、大気圏が熱いのではなくて、空力加熱という現象により発生致します。
大気突入機が地球の大気に突入するスピードは約秒速12kmです。
博多から鹿児島までをたった20秒で移動する速度になります。
機体の前方にある空気は、この速度で機体に衝突し、せき止められるために圧縮されます。
空気は圧縮されると温度が高くなる性質があるので、機体に衝突する空気の温度は高くなります。
結果的に機体は高温の空気にさらされることによって強く加熱されます。
最後に、対流圏では対流の定理が成り立つのなら、なぜ冷たい空気が地表に下りてこないのかと疑問に思われる方もいらっしゃるかと思われます！！
上空の低温の空気を下降させてみます。
理論上では空気は1000m下降すると温度が10度上がります。
降下させた空気の温度は、周りの大気より暖かい状態になり周囲の冷たい空気よりも軽くなります。
その結果、下には下がることができません。
気温が低い程、先の空気は元の高さにいる事しかできないので、冷たい空気が下に下がってくることがないのです。
👩✈️いかがでしたか👩✈️ スタッフも日々勉強しています。 気になったことはブログにて紹介します。 皆様も気づいたことがあったら是非コメントくださいね。
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