室内で温まると暖かい空気が上に、冷たい空気が下にいきますが、外気では上

質問

室内で温まると暖かい空気が上に、冷たい空気が下にいきますが、外気では上に上昇するほど冷たい空気に変わるのはなぜですか？室内での現象で考えると山の頂上は暖かい空気となるので疑問に思っています。ご指導お願い致します。

回答No.2

sanori · ベストアンサー

こんにちは。

気圧は、高いところほど小さくなります。
なぜかといえば、ある高さの大気は、それより上にある大気によって下に押されるからです。
かけ布団を何枚も重ねたとき、いちばん下のかけ布団の下で寝ると重く、いちばん上のかけ布団のすぐ下で寝ると軽いことと同じです。
大気は高いところほど薄くなります（気圧が下がります）。

空気の流れは「集団行動」なので、風船で閉じられた空気にたとえることができます。
標高が低いところで膨らませた風船を高いところに持っていくと、風船の中の空気も薄くならないといけないので、その分、風船が膨らみます。
しかし、‘ただで膨らむ’ということはできないので、膨らむ代わりにエネルギーを使います。
なぜならば、風船の中の空気は、自分が大きくなるのと同時に外気を押すという仕事をしたからです。
仕事をしたということはエネルギーを使ったということなので、その分、温度が低くなります。

もしも風船が非常にゆっくりと上昇するとすれば、風船の中と外の気温は同じになろうとします（等温過程）。
しかし、多くの場合、熱の交換にかかるより時間より上昇にかかる時間の方が短いので、熱の交換が間に合わないまま高地に到着してしまいます（断熱過程）。
この結果、断熱膨張による風船の中の温度の低下が起こります。

なお、大気が上昇は、地上で暖められて対流で上昇するケース（代表例：夏の雷と豪雨）のほかに、山の斜面をかけ登るケースがあります。
後者は強制的な上昇なので空気が暖められなくても起こり、そして、断熱膨張でさらに温度が下がります。

最後に、部屋の中についてですが、
空気の密度は　１．３kg/m^3　なので、部屋の天井の高さを２ｍとすると、
天井と床での空気の圧力差は、
１．３ｋｇｗ／ｍ^3　×　２ｍ　＝　２．６ｋｇｗ／ｍ^2
　＝　２．６ｋｇ／ｍ^2　×　９．８ｍ／ｓ^2
　≒　２５Ｎ／ｍ^2　＝　２５Ｐａ

１気圧は天気予報でおなじみの　１０００ｈＰａ　＝　１０００００Ｐａ　ぐらいなので、比を取ると、
１０００００／２５　＝　４０００
つまり、部屋の中での上下の圧力差は、大気圧の４０００分の１しかありません。
言い換えれば、温度が均一な部屋で風船の圧力と体積だけを考えたとき、
床から天井まで持っていったときの体積変化は、僅か１．００４倍ということです。
これでは断熱膨張の効果は見えませんね。

お礼

返答ありがとうございました。気圧についてとても勉強になりました。ありがとうございます。感謝

回答No.1

indoken2

室内と同じように、野外でも暖かい空気は上に登ります。

ただ、室内と違って野外では、
何百メートル～何千メートル以上も上がりますから、
圧力が変化して、それが温度に影響します。

「断熱膨張」という術語をご存知でしょうか。

圧力を下げると、気体の体積が膨張して、空気の温度が下がります。
だから、平地で暖められた空気も、
山の上の高さまで上昇した時には、かなり冷たくなっているのです。

平地から上昇した空気は、次第に温度が下がるのですが、
それでも、周りに元からあった空気よりは暖かい場合があり、
（詳しくは湿度なども関係しますが、）
そのような時には何万メートルも上昇して、氷の粒を含む巨大な入道雲を作ります。

お礼

大変勉強になりました（＾－＾）
ありがとうございます。