気象学の問題などなんですが！

質問

とってもくだらない質問なんですが。2つあります。どちらか1つでいいので教えてください。

まず1つ目は高度4000ｍの場所と高度100ｍの場所は4000ｍの方が寒いのですがどうしてですか？

次に　人工衛星は地球の重力と遠心力がつりあっていると聞きましたが、人工衛星はどうやって回っているのですか？

本当にくだらない質問ですみません。

回答No.8

aster · ベストアンサー

昨日から考えていましたが、第一の問題がよく分からないので、回答できませんでした。しかし、ふと、答えが出てきたので回答します。

＞まず1つ目は高度4000ｍの場所と高度100ｍの場所は4000ｍの方が寒いのですがどうしてですか？

これは「場所」のことを言っています。高空に行くにつれ、大気温度が低くなる理由を尋ねているのではないと思います。大気温度は、高空を飛ぶ飛行機とか、気球ででも測定しないと分かりません。

（なお、対流圏のあたりは違いますが、成層圏以上のもっと高空になって来ると、空気の分子温度は、上昇するほど高くなって来るはずです。問題は、気圧というか大気密度で、非常に高温の分子があっても、密度が低く、数が少ないと、平均して、超高空は、「恐ろしく寒い」ということになります）。

ところで、場所の温度は、太陽からの熱を、地面や、その他地面に生えている植物などが吸収して、蓄積し、また地上から高空に向け熱放射するのです。地面近くの大気の温度は、地面の温度によって決まって来ます。地面がまず太陽で熱せられ、その熱が大気に熱伝導で伝わり、大気の温度が上がるのです。

そして、こうして温度の上がった大気は、膨張して比重が軽くなるので、上昇し、上空から冷たい空気が降りてきて、また地面で温められというような過程が起こり、空気の複雑な循環が大気のなかで起こります。

ただ、この循環も、一定の高さまでで、それ以上だと、大気循環はないか、質が変化します。この高さよりも下を「対流圏」と言い、それより上を「成層圏」と呼びます。大体、地上１万メートルぐらいに、境があります。

ところで、砂漠を考えると、そんなに高度がない砂漠があります。（高原の砂漠は、高度が１０００メートルとか結構あります）。サハラ砂漠などだと、大体、海面高度１００メートルぐらいのはずです。

砂漠は、日中は、３５度とか４０度とか、時に５０度とか、とんでもない高温になります。ところが、夜になると、零下数度とか、もっと下がり、毛布がないと凍え死にするような寒さになります（これは、植物のまったくない不毛の砂漠の話です。植物が少しでもある砂漠は、土壌に水分が含まれていて、こんなに温度が極端に変化しません）。

これは、砂漠の地面を構成している物質が、保温性が低いというか、比熱の低い砂や乾燥した土壌なので、簡単に温度が上がり、簡単に温度が下がるからです。

砂漠でない場所、植物などが普通にある地面では、土壌が水分を含んでいて、水は比熱が高いので、水を含む土壌や、植物を含む地面は、一度温度があがると、なかなか下がりません。夜になっても、地面は温度を維持し、確かに温度が低くなりますが、砂漠のような極端なことは起こりません。

ところで、チベットは高原になっています。高さが、３５００メートルから４０００メートルあります。ここの温度はどうなっているのかというと、ある人のサイトでの旅行の記録に書いてあったところでは、５月初めで、昼間３０度から２５度、夜間には５度であったとあります。

確かに昼夜の温度差が激しいですが、砂漠ほど極端ではありません。しかし、高度は４０００メートルです。

チベット高原は、砂漠ではなく、土壌に水分が含まれ、夜になっても、簡単に温度が下がらないのだということになります。無論、気候による影響もあるのですが、チベット高原は、高度４０００メートルだから寒いとは言えなくなります。

何故かと考えれば、地面がやはり熱を吸収し、それを昼間も夜間も保持しているからです。ただ、チベットぐらいの高度になると、空気が希薄で、更に気圧が低いので、土壌の水分が、蒸発し易くなるのだということが推測できます。

昼間は太陽からの熱エネルギーで地面が熱せられていますが、夜間になると、水分蒸発で、地面の温度が、普通の平野部よりも低下するので、夜は寒くなるのだとも思えます（それ以外に、水分自身少なく、砂漠に似ているところがあるのかも知れません）。

高い場所ということで、チベット高原を考えたのですが、５月初めで２５度、３０度が昼間の温度というと、チベットは熱帯ではありませんから、かなり暖かいことになります。

何故、高い場所が寒いかという一般的な考えがあるかと言えば、チベットのように高原で、植物も生え、土壌も水分を含む場所ではなく、一般に山が高い場所で、山は、その性質上、土壌というものがありません。

土壌は、あっても下の方に流れて行くので、結局、山には土壌がなくなり、山の頂上部近くの、「お花畑」などと呼ばれる、窪地のような地形の場所に少しだけ土壌があるということになりますが、この土壌も、薄いものでしかありません。

するとどうなるかというと、山の上では、岩とその砕片がほとんどで、岩などは、保水性が低く、砂漠と同様、昼間熱せられやすく、夜は温度低下が激しいということになります。

また、砂漠や平野などの地上部分では、暖かい空気の層があります。対流圏の底に、普通、平野などはあるのです。しかし、山は、高い山だと、対流圏の真ん中当たりとか、エベレストになると、成層圏を少し上に望むぐらいの高さにあります。

平野だと、一部の温度が低くなっても、周囲の暖かい空気が流れ込むのですが、山だと、山が熱せられ、それによって空気も熱して、昼間は部分的に暖かくなっていても、この暖かい空気の外側は、対流圏の中程で、そこは、もっと寒い空気しかないのです。

高い山の温度が低いのは、山を構成しているのが、岩で、水分があまりなく、比熱が低く、保温性に欠けるためと、もう一つ、暖かい空気の塊を山が造っても、それは寒い空気のなかにある小さな島のようなもので、風が強いと、寒い空気に、暖かい空気が吹き払われてしまうということが起こるためでしょう。

つまり、高い場所は、山が一般で、山は岩からできていて、比熱が低く、温度を維持できないということ。そして、もう一つは、山の空気は、冷たい高空の空気のなかにある、少し暖かい空気の島のようなもので、高空の冷たい空気がすぐ優位になるということです。

高い場所でも、チベット高原のように、十分な広さがあり、地面が水を含む土壌で、植物なども多数繁茂している場合、海抜が高くても、そんなに寒くないということになります。

＞次に　人工衛星は地球の重力と遠心力がつりあっていると聞きましたが、人工衛星はどうやって回っているのですか？

人工衛星は、連続して回っている訳で、ある時、ふと止まっていたりしないものです。人工衛星と地球の関係を絵に描くと、動いているものを絵に描けないので（アニメーションならともかく）、地球から離れて、ある高さにある人工衛星の絵を描きます。

この絵で、人工衛星には重力が働いて、下に落ちて来るはずなのに、落ちて来ないのは何故か、とすると、重力と反対向きの力が働いていて、丁度バランスが取れているのだという話になります。この反対側向きの力を、「遠心力」と呼んでいるのです。

「遠心力」は見かけの力だという話がありますが、重いものを紐の先に結んで、これをぐるぐる宙で回すと、紐伝いに、重いものが、手を、引っ張るのが分かるでしょう。これが遠心力で、実際、手が紐を通じて引っ張られています。

「瞬間瞬間」には、確かに重力と釣り合う「遠心力」が働いているということです。

この遠心力は、瞬間に働いて、重力とバランスを取っているので、連続的に運動している人工衛星を考えると、そんな力はどこにも働いていないということになります。

人工衛星がどうやって回っているかは、ニュートンの「慣性の法則」が、その原理です。無論、「万有引力の法則」も必要です。

「物体は、運動を始めると、外部からの力がないと、どこまでもまっすぐに、同じ速度で進んで行く」というのが、「慣性の法則」です。普通、地球上だと、何か必ず抵抗があるので、運動していても、やがて止まりますが、宇宙空間では、抵抗がほとんどないので、この慣性の法則が実際に観察されます。

宇宙遊泳していて、冗談でスパナーとかを投げると、スパナーはどこまでも飛んで行きます。正確には、スパナーは衛星軌道に乗って、ぐるぐる地球を回り始めます。重力の影響のほとんどない空間で、スパナーを投げると、何かに衝突しない限り、スパナーは、まっすぐに、何万年も、何億年でも飛び続けます。

もし地球の重力がないと、月は、どこまで一直線に飛んで行くのです。しかし、地球の重力があるので、まっすぐ進もうとしても、１００メートル進むと、そのあいだに働く地球の重力で、例えば、１ｍｍ地球に近づき、１０００メートル進むと、１ｃｍ地球に近づきという風になります。

月がまっすぐ進もうとすると、地球から離れて行くのですが、その離れた分を、地球の重力で引っ張られて、地球向きに進むので、結局、地球と月のあいだの距離は変化しないのです。

月は、「慣性の法則」に従って、宇宙空間をまっすぐに、どこまでも飛んでいるのですが、地球の重力で引っ張られて、まっすぐなはずの飛行路が、地球の周りを囲む、円（に近い楕円）になっているのです。

月からすれば、まっすぐにどこまでも飛行しているはずが、地球が引っ張るので、まるで、地球の周りを回っているように見えるのです（実際、「回っている」と表現するのですが、回り続けるのは、「慣性の法則」で、どこまでまっすぐに進もうとしているからです）。

回答No.7

nozomi500

４の回答にあるように、遠心力は「見かけの力」です。
「月」は天然衛星（人工衛星に対して？）ですが、何も調整しなくても落っこちたり飛び出して行ったりしません。人工衛星が高度調整するのは、「ひくい」（スペースシャトルは２００ｋｍほど）場所を飛んでいる衛星が空気抵抗（わずかにある）で減速して落ちないようにするためです。

「ケプラーの法則」で、楕円軌道のなかで「遠くにあるときには遅く、近いと速く」永久に落っこち続けながらまわっていることになります。

ニュートンが、リンゴの落ちるのを見て、「地球は自転しているのに、なぜリンゴは増したに落ちるんだろう？」という疑問をもち、「実は慣性で放物線を描いて落ちている」事に気付き、じゃあ、どんどん速度を上げて遠くに落ちるようにすると、地球を一周して戻ってくるじゃないか、ということを発見したとかしないとか。

回答No.6

puni2

1番目の質問ですが，実はきちんと回答しようとするとかなり難しいのです。いろいろな要因が関係しているのです。
最近，中学生むけに「なぜ高いところにのぼると寒いの？」という原稿を書いたばかりですので，そこから一部抜粋してお答えしましょう。

　夏休みに登山をしたことがありますか。ふもとでは真夏の暑さでも、上に登るにつれて、だんだん涼しくなってきます。
富士山の頂上では、８月の平均気温がたったの6.0℃で、涼しいというより寒いくらいです。
山の頂上に行くと、太陽に近づいたはずなのに、どうして涼しいのでしょうか。

　富士山の高さは3776mですから、山頂はふもとより、約４kmだけ太陽に近いことになります。
でも太陽から地球までの距離は、平均して約１億５千万kmもあります。それにくらべれば、たかだか数km登ったくらいでは、ほとんど違いはないでしょう。そのくらいでは気温には影響しません。

　富士山よりもっと高いところはどうでしょうか。ゾンデという気球を上げて、上空の気温のようすを詳しく調べてみると、上空10kmぐらいまでのところでは、平均して１km上昇するごとに6.5℃の割合で、下がっていくことがわかりました。
上空11kmのところでは、－55℃にもなります。このように、上空ほど気温が低くなるのは、次の２つの理由によるとみられています。

　第１のポイントは、大気は下から暖められるということです。大気を暖めている大もとは太陽からのエネルギーです。
太陽エネルギーは、光や熱として地球にやってきます。このうち目に見える光、可視光線の部分は、大部分、大気を素通りして地面に届きます。
そうして暖まった地面が、今度は熱を出して、大気を暖めているのです。具体的にいうと、大気中の水蒸気や二酸化炭素が、地表からの熱を良く吸収するのです。

　ところで、地表から熱をもらって暖められた空気は、膨張、つまりふくらんで軽くなるので、上へ登って行きます。石油ストーブをたいたときにも、暖められた空気は天井のほうに登っていきますね。そして、代わりに冷えた空気が降りてきます。
これが対流です。実際の大気でも、もっと大規模な対流が起こっています。それでそのあたりを対流圏といいます。
だとすると、上空のほうにも暖かい空気がやってくるのに、なぜ寒いのでしょうか。

　これを解く手がかりが第２のポイント、気圧です。
高いところにいくほど気圧が低くなるために、地表で暖められた空気は上昇するにつれてどんどん膨張し続けます。
ところで、気体が膨張するためにはエネルギーが必要です。風船をお湯につけると膨らむのは、お湯から熱エネルギーをもらうからです。
ところが、地表を離れて上昇していく空気には、誰も熱エネルギーをくれません。しかたがないので、上昇した空気は、自分の持っている熱エネルギーを使って膨張します。ということは、自分自身の温度が下がるわけです。
それで、暖かい空気が上空に到達する頃には、すっかり冷たくなってしまうのです。

◆実際に気温の高度変化を論じる際には、放射平衡（上の，第1のポイント）や断熱膨張（第2のポイント）のほか、水蒸気やオゾンなどの高度分布、対流による熱の移送、断熱膨張に伴う水蒸気の凝結熱の放出など、数多くの要因を考慮する必要がある。
本稿では話をかなり単純化しているので、詳細は専門書にあたられたい。

回答No.5

acacia7

2つ目だけ。
ぶんぶん回ってることはもうお分かりだとおもいますが・・
人工衛星によって、実は回り方が違います。
気象関係ということで興味の対象は「ひまわり」等の気象衛星だとおもいますが、
これは静止軌道上をまわっています。つまり、赤道上のある高度で、
地球の自転方向に回っています。この際、自転速度と同じ回転数でまわっているため、
地上からは「静止」している様にみえるのです。
このため「静止軌道」といわれるわけです。

もうひとつは縦まわりのパターンです。
一回転する間に地球が自転して、微妙にずれるため、
地球全体をくまなく精査することが出来る軌道です。
軍事衛星や、ランドサット、スカイラブ等の探査衛星がこの軌道を回っていたりします。

回答No.4

nubou

重力と遠心力がつりあっているという言い方は
「力学について分かっていない人が言うこと」
あるいは
「力学について分かっている人が力学について分かっていない人（主に文系の人）にとりあえず言うこと」
です

遠心力は人工衛星の中で見かけ上働く力です
見かけの力ですから人工衛星を人工衛星外の慣性系から見ている人が遠心力を持ちだしてはいけません

おおざっぱに言えば
人工衛星が地球から引力を受けないと遠ざかっていきます
しかし地球から引力を受けるために地球に向かって落ちているのです
しかし落ちる距離と遠ざかる距離が等しいために地球に落ちずに地球の周りを回っているのです
つまり人工衛星は絶えず地球に向かって落ち続けているのです

勿論人工衛星が地球の引力と垂直な方向に速度を持っていなければ地球に向かって進んでいきますが

回答No.3

noname#2762

１問目に対する回答ですが、熱を吸収しやすい地表面が暖かいのが通常です。地球表面は温度に応じた赤外線を放出しますが地表面に近いほどより暖められます。そのため地上に近いほど気温は高くなります（これが平衡状態です）。ところが、局所的に地表面空気が熱せられる、周囲より温度が高くなり、空気密度が小さくなり、上昇を始め雲を発生させます。特に、上空に冷たい空気があると、熱せられた空気塊は激しく上昇を起こし雷雲となります（要するに平衡状態に戻すため嵐は発生します）。
　寒気が上空にあるため、局所的に雷が発生しやすくなっていますというのはこのためです。
　平均的に気温の減率は日本付近では１ｋｍにつき、0.6度/kmくらいでしょうか。

次に人工衛星ですが、地球に落ちないためには、地球に対する重力、人工衛星の公転速度及び地球からの距離で決まります。

　重力（地球からの距離による）＝落ちないために必要な遠心力（地球からの距離に応じた公転速度による）
　ですから、落ちないためには公転速度、地球からの距離を地球から、あるいは自ら調整する必要があります。

　公転速度とは単位時間に地球を一回りする速度です。

　重力、遠心力は高校の物理の教科書でも参照してください。

回答No.2

k-family

けっして太陽に近い上空の方が暖かいわけではありません。太陽からの光のほとんどは空気を通り抜けて地球を暖めています。
太陽から放射された赤外線などの光が地球に当たり、暖まります。地球の熱が空気を暖めます。ですから地上に近い方が暖かいのです。

人工衛星は早さがありますから、地球を飛び出そうとしています。これを重力で引っ張っています。
人工衛星の早さがある値を超えると、地球を飛び出して宇宙の彼方へ飛び出していってしまいます。逆にある速度以下になると地球に落下してしまいます。この範囲の中ですと釣り合って回り続けます。
仮にこの範囲の中で少しだけ速度が速くなったとすると、少しだけ飛び出して円軌道の直径が大きくなり、そこで釣り合って回転を続けます。

回答No.1

HAL007

1.空気密度の問題ですね！温度は物があるからあるあるのです。
　即ち空気と言っても窒素と酸素が主成分の物です。標高が低い
　方が密度が高いので物が持つ温度がたくさんあると言うことです。

2.慣性て判りますか？（物体は同じ運動を続けようとする力です）
　人工衛星はロケットで数マッハの速度で軌道上に打ち上げられます。
　打ち上げられた宇宙空間は真空状態なので空を飛ぶ飛行機に様に
　空気により抵抗を受けません。従って、慣性の動きを邪魔する空気
　抵抗がないので回り続けることが出来る訳です。

シンプルな問題は難しい・・・自信ありません！！