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地上にある気体が上昇すると、体積が膨張し、温度が低下しますよね。その時の雲や雨のメカニズムやエネルギーのやり取りが理解できません。

膨張する空気の塊の温度が下がると、水蒸気が水滴に変わります。その時に空気と一緒に上昇した塵やほこりと結合して、小さな水滴が生まれます。これが雲がの発生です。

さらに、上昇気流に乗り上昇していくと、さらに温度がさがっていき、小さな水滴だけでなく(0℃以下でも凍らない水滴もある)、小さな氷の結晶も生まれます。このときの温度は0℃以下であり、塵やほこりが必要です。 この時、小さな水滴や氷の結晶の重さと上昇気流とがバランスをとれれば、浮くことになります。

さらに、氷の結晶が上昇し雲の上の層に達していくが、上昇気流では支えられないぐらい重くなると落下していきます。落下しながら、0℃で以下でも凍らない水滴などと結合し、氷の結晶はさらに重くなります。

そして、さらに落下すると、空気の温度が上がっていくと、氷の結晶が溶け出し、雨になります。地上に達するまでに、溶けなければ、雪やあられなどとなります。

ここで、膨張して温度が下がり、水蒸気 → 水 → 氷 となります。この時、熱(内部エネルギー・潜熱)も放出します。 この潜熱が激しく放出されると周りの空気が暖められることがあります。

例えば、台風を考えてみましょう。日本から3000 kmほど離れた赤道あたりの海から、大量の水蒸気が発生、上昇気流ができます。上昇気流が起きるということは、海面から空気を補充しなければなりません。海面は水蒸気がたくさんありますから、水蒸気が上昇気流にどんどん入っていきます。

この上昇気流は、地球の自転の影響を受け、渦を作ります。これは、転向力(コリオリの力)によります。高気圧のときの地表面は、右に曲がり高気圧中心から離れる方向に風が吹きます。低気圧のときの地表面は、左に曲がり低気圧中心に回り込むような方向に風が吹きます。

上昇気流とともに発生する渦は、どんどん上昇し、雲を作ります。この間に、渦の中心の気圧は、どんどん下がっていき、吹き込む風が次第に強くなります。こうしてできた熱帯低気圧が台風の卵になります。

先ほど述べたように、渦の中心には水蒸気がどんどん上昇していきます。上空では、気圧が下がることから気体が膨張することで、気体が冷やされていき、凝結していきます。凝結すると、雲粒となりますが、水蒸気 → 水 となる時に潜熱を放出しますので、周りの空気が暖まっていきます。周りの空気が暖められると、さらに上昇気流が発生するというサイクルに陥り、さらに海面付近の水蒸気を上に運んでいきます。

このような状況になったときに、台風となり、台風が発達していきます。

つまり、潜熱が放出は、台風の発達や維持のためのエネルギー源となっているということになります。

逆に言うと、冷たい海の上に台風が進んだり、上陸したりすると、水蒸気を上昇気流の渦に供給できなくなりますので、潜熱が放出されなくなり、上昇気流がおさまり、台風の勢力が衰えていきます。

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