山に登ると、ふもとより涼しくなることがあります。「高い所ほど気温が低い」と学んだあと、その直線を宇宙まで延ばしてよいでしょうか。大気の気温は、高度とともに同じ割合で下がり続けるわけではありません。どの高さの範囲を見ているかを確かめる必要があります。
地上に近い対流圏では、一般に上へ行くほど気温が低くなります。その上の成層圏では、気温の下がり方が小さくなったり、上へ行くほど高くなったりします。名前を覚える前に、グラフの線がどこで向きを変えるかを読んでみましょう。
地表から受け取る熱と、上空で受け取る熱
太陽のエネルギーは地表にも吸収され、地表と接する空気が温められます。地表から熱を受け取ることは、下層の空気の温度を考える大切な手がかりです。ただし、大気の温度はそれだけで決まるものではなく、放射や空気の移動なども関わります。
対流圏より上の成層圏では、オゾンが紫外線を吸収して大気を温めることが、特徴的な温度分布に関係します。「太陽に近いから高温」とする説明ではありません。地球の表面から数十km高くなる違いを、太陽までの距離の違いだけで説明するのは無理があります。どこでエネルギーが吸収されるかに注目します。
圏界面は、固い天井ではない
対流圏と成層圏の境界を対流圏界面と呼びます。図には横線で描かれますが、そこに板のような壁があるわけではありません。大気の性質の変わり方から区切った境界で、高さは場所や季節などによって変わります。
雲や雨など、日常の天気現象の多くは対流圏で起こります。成層圏は、一般に対流が起こりにくい温度の並びになっています。ただし、「空気が一切動かない」「雲がどんな場合にも絶対に存在しない」とまで言い換えないでください。基本的な特徴を述べることと、例外を全部否定することは別です。
縦軸が高度なら、上へたどって読む
気温と高度の図では、縦軸に高度、横軸に気温を取ることがあります。このとき線が左へ進めば低温、右へ進めば高温です。普段の時間と気温のグラフと同じつもりで、右に進むほど時刻が進むと読まないようにしましょう。
高度10kmから20kmへ変化を見るなら、縦軸を上へたどり、その高さにある線の横の位置を比べます。線が縦に伸びた区間は、気温がほぼ変わらない区間です。傾きが逆になれば、気温の変化の向きも変わります。軸の名称を読み飛ばさなければ、難しい用語が出てもデータの比較はできます。
上へ進むことと、気温が上がることを言い分ける
縦軸が高度、横軸が気温のグラフでは、上へたどることは高度が高くなることです。気温が高くなることは右へ進むことで示されます。折れ線が上へ延びているから気温上昇、と読むと、二つの軸を混ぜてしまいます。まず各点から横に線を引いて高度、縦に線を引いて気温を読む練習をします。
学習用の点Aが高度5km・気温−10℃、点Bが高度8km・気温−28℃なら、AからBへは上に3km、左に18℃分進みます。高度は上昇、気温は低下です。『上がる』という同じ言葉を使うときほど、何が上がったかを主語にします。マイナスの数字が大きく書かれているから高温、と判断しないようにします。
二点の間を直線で結ぶ資料なら、区間の平均的な変化を計算できます。ただし、その線を圏界面を越えて延長するのは別の仮定です。グラフの折れ曲がりは、読み飛ばしてよい飾りではありません。その区間で使える関係が変わる位置として、計算する前に印を付けましょう。
例題1：直線を勝手に延長しない
説明用の大気模型で、高度0kmの気温は20℃、10kmではマイナス40℃でした。この区間だけは高度に比例して気温が下がり、10〜20kmはマイナス40℃で一定とします。高度5kmと15kmの気温を求めてください。
答え・解説： 5kmでは20℃から30℃下がるのでマイナス10℃、15kmではマイナス40℃です。0〜10kmでは10kmで60℃下がりますが、その関係が使える範囲は指定されています。15kmまで同じ線を延ばしてマイナス70℃にするのは、区間の条件を無視した計算です。この温度分布は計算用で、実際のある日の観測値ではありません。
例題2：高くなったのに温度も上がる区間
同じ模型で、高度20kmはマイナス40℃、30kmはマイナス20℃です。20〜30kmで気温は何℃上がりましたか。また、温度が上がることから、この区間の空気が地上より濃いと判断できますか。
答え・解説： 20℃上がりました。マイナス40℃からマイナス20℃へ、零度に近づいているので温度上昇です。ただし、気温の値だけで空気の濃さは決められません。高度による気圧の低下と気温の変化を混ぜず、密度について判断するなら気圧などの情報も必要です。「高温だから地上より空気が多い」という結論にはなりません。
山の気温の計算は、その問題の条件で行う
山の高さと気温の関係を一定の割合で計算する例題は、範囲と条件を簡単にした模型です。実際には、地面近くで上の空気の方が暖かい逆転層ができる場合もあります。山の計算が間違いという話ではなく、使える範囲を確認することが大切なのです。
図に複数の区間があれば、まず境目の高度に印を付け、それぞれの区間に「低下」「一定」「上昇」と短く書きます。一つの公式に全部を押し込むより、途中で条件が変わる場所を見つける方が先です。気温がマイナスでも、増加と減少を数直線で確かめれば迷いにくくなります。
地表からの熱の受け取り方は熱の放射とも関係します。乾湿計の読み方と合わせ、気温・湿度・気圧を一つの量として扱わず、測っているものの名前を図の横に残して考えましょう。