風が山を上り、反対側へ下りると、風下が暖かくなる。フェーン現象の説明でよく見かける図です。しかし、「山を越えた」という事実だけで、いつでも何度上がるかが決まるわけではありません。どこから来た空気か、水蒸気がどこで水滴になるか、どの高さまで下りるかを条件として読みます。
入試の計算では、空気が上昇するときと下降するときの温度変化を、一定の割合で与えることがあります。この割合は区間によって使い分けます。山の高さを一回掛けて終わるのではなく、雲ができる前、できた後、山を下るときに分けて図へ書き込むことが出発点です。
上る空気は膨張し、下る空気は圧縮される
空気が高い場所へ上がると、周囲の気圧が低くなるため膨張し、温度が下がります。反対に下降すると、周囲の気圧が高くなり圧縮され、温度が上がります。山肌とこすれて温まるから、という説明が中心ではありません。
上昇して冷え、水蒸気が水滴へ変わるときには熱が放出されます。このため、水滴ができずに上昇しているときと比べて、冷える割合が小さくなります。「水滴が冷たいから、さらに速く冷える」と逆に考えないようにしましょう。凝結という状態変化に伴う熱を含めて、空気の温度を考えます。
例題1：雲ができ始める高さで区切る
計算用の模型です。高さ0mで20℃の空気が、1500mの山を越えて反対側の0mまで下ります。上りの初めの500mは100mごとに1℃下がり、500mで雲ができ始めます。その後1500mまでは100mごとに0.5℃下がります。山を越えた後は水滴が残らず、0mまで100mごとに1℃上がるとします。山頂と風下0mの温度を求めてください。
答え・解説： 初めの500mで5℃下がり、500m地点は15℃です。次の1000mで5℃下がるので山頂は10℃。そこから1500m下ると15℃上がり、風下0mは25℃です。出発点と同じ高さですが、5℃高くなりました。
上り全体を100m当たり0.5℃で計算すると、雲ができる前の500mを取り違えます。また、下りを1000mとすると、山頂から地表までの1500mを読み違えています。高さの数字を差し引く前に、各矢印の始点と終点を指でたどってください。
上りと下りが違うから、同じ高さでも差が残る
この模型では、上りで下がった温度の合計は10℃、下りで上がった温度は15℃です。その差5℃が、同じ高さへ戻ったときに残ります。水蒸気の凝結と水分の除去を含む過程を指定したため、上りと下りを単純な逆再生にはできません。
ただし、0.5℃という割合を、現実のすべての雲の中で変わらない値として覚える必要はありません。実際の温度変化は空気の状態によって異なります。例題では計算を整理するために一定の割合を与えています。使った数字が「問題の指定」か「いつでも成り立つ定数」かを区別しましょう。
例題2：雲ができない模型なら
別の模型では、20℃の空気が高さ0mから1500mへ上り、再び0mへ下ります。全行程で水滴は生じず、上りは100mにつき1℃下がり、下りは100mにつき1℃上がるとします。最終的な温度はいくらですか。
答え・解説： 上りで15℃下がって5℃、下りで15℃上がって20℃です。この条件では出発点と同じ温度に戻ります。したがって、「山を越えるだけで必ず出発点より高温になる」という一般化は、この模型には当てはまりません。
ここから「雨が降らない日はフェーンが絶対に起きない」と結論を広げるのも誤りです。現実には、上空の空気が風下へ下りてくる乾いたフェーンなど、別の経路があります。例題2は同じ空気が0mから上って0mへ戻るという限定された道筋です。実際に地表で比べた空気が、その通りの経路を通ったとは限りません。
風下が高温だった、という結果から何が分かる？
ある日の風下の気温が高かったとしても、その一地点の気温だけで、風上のどこで何mmの雨が降ったかまで決められません。気温の分布、風の流れ、雲や降水の観測などを組み合わせる必要があります。計算の模型を理解することと、現実の気象の原因を特定することは別の作業です。
「乾いた風」という表現にも注意します。水蒸気が全くゼロという意味ではありません。空気が下りて温度が上がると、水蒸気の量が同じでも相対湿度は低くなります。風上で水分を失う効果と、温度が上がる効果を分けると、湿度の数字を読み違えにくくなります。
図には温度だけでなく、高さと条件を書く
山の左に20℃、右に25℃とだけ書くと、途中の計算が消えてしまいます。雲の始まる500m、頂上の1500m、各区間の100m当たりの変化を書きます。最後に同じ高さの出発点と到着点を比べれば、どこで差が生まれたのかを説明できます。
雲ができる過程は雲のでき方、温度と湿度の関係は湿度の割合へ。フェーンの計算では、一つの公式に数字を入れるより、空気が通った道を区間に分けることが大切です。