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勉強をしている子どもたちが、悩み、知りたい、理解したいと思いながら、今までは調べる方法がなかった事柄を、必要かつ十分な説明でわかりやすく記述したサイトです

天気

science 天気 寒冷前線・温暖前線の通過と風向

ほとんどの教科書に、「寒冷前線が通過すると北よりの風に変わり、気温が急に下がる」、「温暖前線が通過すると南よりの風に変わり、気温は上がる」と書いてあります。

寒気団が通過するときにできるのが寒冷前線であり、寒冷前線が通過すると気温が下がる(温暖前線の場合は逆になる)のは納得できます。

なぜ、風向きも変わるのでしょうか?


(予備知識その1)低気圧の性質

寒冷前線、温暖前線がそれだけでやってくることはまれです。
多くの場合、寒冷前線、温暖前線は低気圧にともなわれてやってきます。
低気圧低気圧は、必ず右斜め下に温暖前線、左斜め下に寒冷前線をともなって移動してきます。

(温暖前線の速さは遅く、寒冷前線の速さは速いので、寒冷前線は徐々に温暖前線に近づき、やがて追いついて閉塞前線となりますが、ここではそのことは重要ではありません。)








(予備知識その2)低気圧と風向

低気圧では上昇気流が発生し、北半球では、低気圧の中心に向かって低気圧2反時計回り風がふきこみます

(逆に高気圧は下降気流が発生し、北半球では、高気圧の中心から時計回りに風がふき出しています。)











(予備知識その3)低気圧の移動する方向

北半球の中緯度にある日本付近では、低気圧は西から東のほうへ移動低気圧3します。

(だから、低気圧が近づくと西のほうから天気は悪くなってきます。)










以上の3つの予備知識をふまえてはじめて、「寒冷前線が通過すると北よりの風に変わり」、「温暖前線が通過すると南よりの風に変わる」わけがわかります。

前線の通過で風向きが変わる理由

今、3つの場所P、Q、Rが下の図の位置にあるとします。

(1)低気圧から南東に温暖前線が、南西に寒冷前線がのびています。
(2)風は低気圧の中心に向かって反時計回りにふきこんでいます。
(3)低気圧は前線をともなって西から東に移動しています。

低気圧4
P地点は温暖前線が通過する直前です。風は南東の風がふいています。

Q地点は温暖前線が通過した後、寒冷前線が通過する前です。風は南からふいています。

R地点は寒冷前線が通過した後です。風は北西からふいています。

この図だけでも、「温暖前線が通過すると南よりの風に変わり」「寒冷前線が通過すると北よりの風に変わる」ことを理解できますが、わかりやすいように低気圧をさらに移動させてみましょう。

低気圧5
低気圧の移動前は南東の風がふいていたP地点ですが、温暖前線が通過した後の風向は南よりに変わっています。

また、低気圧の移動前、南から風がふいていたQ地点は、寒冷前線が通過した後、風向は北よりに変わっています。





以上の説明で、なぜ「寒冷前線が通過すると北よりの風に変わり」、「温暖前線が通過すると南よりの風に変わる」のか、その理由がわかってもらえたと思います。



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science 天気 上昇する大気の温度と雲、フェーン現象

中学生範囲で習う「雲」についてはこちらでまとめました。

この稿で扱うのは「雲」の発展事項です。
難関校の入試では出題されることがあります。


高度と気温

地球をとりまく大気圏のうち対流圏(平均すると地表からほぼ11kmの高さまで)では、高度が100m増すごとに気温は約0.6°ずつ下がります。
太陽の熱によってまず地表があたためられ、あたためられた地表が大気をあたためるので、地表に近いほど気温が高いのです。

100mで0.6°低くなりますから1000mだと6°です。
標高3000mの山の頂上は、地表より6°×3=18°ほど気温が低いということになります。

(上昇気流で雲ができるのは気圧の低下による膨張で空気の温度が下がるためで、以上で述べた高度による温度低下は関係しません。)


膨張による温度の低下

空気のかたまりは上昇すると、気圧が小さくなるので膨張します。気体は膨張するだけで(断熱膨張)、温度が下がります(こちらを参照)。

このときの温度の下がり方も一定で、空気のかたまりは100m上昇するごとに約1.0°ほど温度が下がることがわかっています。

高度による温度低下(100mごとに0.6°)と、上昇気流の膨張による温度低下(100mごとに1.0°)とを1つのグラフに表わすと図のようになります。
1
まわりの空気よりあたためられた空気のかたまりは軽いので、100mで1.0°の割合で温度を下げながら上昇します。

上昇する空気のかたまりは、100mで0.6°の割合で温度が低くなるまわりの空気より温度の下がり方が大きいので、やがてまわりの空気と同じ温度になります。

この時点で、空気のかたまりの上昇は止まります。

以上は、空気のかたまりの温度が下がっても露点に達していないとき、つまり雲ができないときの温度変化を表わしたものです。


雲ができるときの、上昇する大気の温度変化

100mごとに1.0°ずつ温度を下げながら上昇していた空気のかたまりの温度が露点に達したとき、雲ができ始めます。

雲ができ始めると、上昇する空気の温度の下がり方が変わります。

100m上昇するごとに0.5°しか、温度は下がらなくなるのです。

その理由は、気化熱・融解熱が関係してくるからです。

水が水蒸気になるとき、まわりから熱をうばいます(気化熱)。
予防接種を受けるとき消毒用のアルコールで拭くと涼しく感じたり、湿度をはかる乾湿計で湿球のほうが乾球より温度が低くなるのは気化熱をうばわれているからです。

逆に、気体の水蒸気が液体のになるとき、まわりにを放出します(融解熱)。

空気のかたまりは、100m上昇するごとに1.0°温度が下がりますか、露点に達し雲ができ始めると、気体の水蒸気が液体の水になるので、融解熱が発生し始めます。
発生する熱の割合は、100m上昇して雲ができるごとに0.5°です。
1.0°温度が下がり、0.5°温度が上がるので、差し引き0.5°だけ、100mごとに温度が下がるということになります。

つまり、上昇する空気のかたまりは、雲ができ始めた後は、100m上昇するごとに0.5°の割合で温度が下がります。

これをグラフの表わすと図のようになります。
2















フェーン現象

湿った空気のかたまりが高い山にぶつかると山の斜面を昇る上昇気流となります。
露点に達すると含まれていた水蒸気は雲となり、さらに空気のかたまりは上昇していきます。
このときの温度が下がる割合は、100mごとに0.5°ずつの低下です。

山を越えた空気のかたまりは、含んでいた水蒸気が雲になった後なので乾燥しています。
乾燥した空気は、山を越えた後は下降気流となり、100m下降するごとに1.0°の割合で温度が上がります。

そのため、山を越えてきた空気のかたまりが降りてくる地域は、高温の空気のかたまりに包まれて高温になります。

この現象をフェーン現象といいます。
3





















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science 天気 雲・霧・露・霜と、雲のでき方

あたためた水に砂糖などの固体を多量に溶かすと、砂糖は水に溶けて見1えなくなります。
その水を冷やすと、溶けなくなった砂糖の粒がコップの底に沈殿してきて、目で見えるようになります。






同じように、あたたかい空気の中には多量の水が溶けており、気体の2水蒸気となって存在しています。水蒸気は気体なので目には見えません。
その空気を冷やすと、溶けなくなった水蒸気が水にもどります。
水蒸気が凝結して小さな水の粒(水滴)になって目に見えるようになったもののうち、空気中に浮かんでいるものを(きり)、物の表面に付いたものを(つゆ)や(しも)といいます。

…高い場所にある空気中に水滴がうかんでいる。
…地表近くにある空気中に水滴がうかんでいる。

…空気中の水蒸気が水滴になって物の表面に付着している。
…気温が低いとき、空気中の水蒸気が氷となって物の表面に付着している。


雲のでき方

雲は、上昇気流によって空気のかたまりが上昇していくときにできます。

上昇気流ができるのは、(1)地面が太陽の熱であたためられ、地面の上の空気もあたためられて周りの空気より軽くなったとき、(2)風が高い山にぶつかって山の斜面にそって上昇するとき、(3)あたたかい空気(軽い)と冷たい空気(重い)がぶつかり、軽いほうのあたたかい空気が冷たい空気の上に向かって移動するときの3つであり、このとき雲ができます。

なぜ、上昇気流で雲ができるのか?

3地表近くにある空気のかたまりは、上にのっている大気も多いので大きな気圧でぎゅっと押されています。
空気のかたまりが上昇すると、上にのっている大気が減り、それだけ気圧も小さくなり、まわりの大気から押される力が小さくなるので膨張します。

空気のかたまりは膨張すると急激に温度が下がります。

上空のほうが気温が低いので空気のかたまりの温度も下がって雲ができるのではありません。
周囲の気温に関係なく、空気のかたまりは膨張するだけで温度が下がるのです(最も重要な部分なので後でもう一度ふれます)。

温度が下がって露点に達すると空気に溶けていた水蒸気が液体の水になり、水滴となって空気中にうかんだ状態になります(露点についてはこちらを参照)。これが雲です。
気温が0°以下のときは水蒸気は氷の結晶なってうかびます。

雲ができるときの順序は、上昇する→膨張する→温度が下がる露点に達する→ができる、です。

空気は膨張するだけで温度が下がる

空気などの気体は、温めたり冷やしたりしなくても(断熱)、ただ膨張させるだけ(断熱膨張)で温度が下がり、圧縮するだけ(断熱圧縮)で温度が上がります。

圧縮するだけで空気の温度が上がることは、家庭にある自転車の「空気入れ」で確かめることができます。
空気入れの吹き出し口を指で強く押さえて空気ができるだけ吹き出ないようにして、何度も空気入れを押します。そうすると、中の空気が圧縮されて温度が上がり、空気入れの本体やゴム管が熱くなっていることを確かめられます。


また、海に潜るときに使う酸素ボンベには液体酸素が入っていますが、酸素の凝固点は−219度であり、−219度まで冷やさないと気体の酸素は液体にはなりません。ではどうやって液体酸素をつくるかというと、酸素の気体を急激に膨張させるのです。そうすると、急激に温度が下がって酸素は液体になります(実際に空気から液体酸素をつくる工程はもっと複雑ですが原理は変わりません)。

気体が膨張するとき温度が下がるのは、膨張してまわりの空気の圧力にさからって気体の体積が大きくなるとき、気体の持っていた熱エネルギーが使われるからです。


雲をつくる実験

中を水でぬらした丸底フラスコの中に線香の煙を入れたものを用意します。大きい注射器とつなぎ、ピストンをすばやく引きます。
雲の実験
ピストンを引くことで、フラスコ内の空気は膨張します。

空気は膨張することで温度が下がります。

露点に達し、フラスコ内の水蒸気が水滴になってフラスコの中が曇ります(雲ができます)。

線香の煙を入れるのは、線香の煙の粒子が水蒸気が凝結するときの核になって雲ができやすくなるからです。

ピストンを押すと、フラスコ内の空気は圧縮され、温度が上がり、雲は消えます。



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science 露点・湿度

水蒸気(気体)と水滴(液体)

(1)砂糖やホウ酸を水に溶かすと、溶けて見えなくなります。
(2)砂糖やホウ酸などの溶質は、溶媒である水の温度が高いほどよく溶けます。
(3)溶けた水溶液を冷やしていくと、溶けていた溶質は溶けることができなくなって容器の底に沈殿として現れてきます。

同じことが、水と空気との間に起こっています。

(1)水は、空気にとけて見えなくなります。水は液体で目に見えます。空気にとけると気体の水蒸気であり、水蒸気は目には見えません。
(2)空気にとける水蒸気の量には限界があります(この量を飽和水蒸気量という)。空気の温度(気温)が高いほど水は空気にとけることができます。
(3)空気の温度を下げていくと、空気にとけきれなくなった水蒸気は水になって現われてきます。空気中に浮いていることはできないので、床や壁や窓ガラスに水滴となって出てきます。

水がいくら空気にとけているかは、空気1立方mに何gとけているかで表します(だから、単位はg/立法m)。気温10度だと1立方mに9.3g、気温20度だと17.3g、30度だと30.4gまで、空気にとけることがわかっています(誰か賢い人が、実験で見つけてくれた数値です)。

飽和水蒸気量




露点

今、目の前にある空気にどれくらいの水が水蒸気になってとけているか、学校の理科実験レベルで直接測る方法はありません。空気を切り取ることも、水蒸気だけを取り出すことも難しいからです。
そこで、次のような実験で、空気1立方mに含まれる水蒸気の量を求めます。

露点の実験前日から汲んで水を入れておいた金属製のコップを用意し、温度計で水温を測ります(汲み置きしてあったので、水温は部屋の温度と同じ温度です)。

氷入りの試験管で静かにかき混ぜます(当然、水温は下がり始めます)。

暖かい部屋の温度だと空気に溶けていた水蒸気が、冷やされると空気に溶けることができなくなって水滴になって現われてくるはずです。
この実験の場合、氷入りの試験管によって金属製のコップ内の水の温度は下がり始めます。コップのすぐ近くにある空気の温度もコップに冷やされて下がります。そうすると、ある温度に達したとき、コップの周りの空気にとけていた水蒸気がとけなくなって水滴になってコップの表面につき始めます。このときの温度が、その部屋の空気の露点です。

つまり、露点とは、水滴ができ始めるときの温度です。

例として、部屋の温度が20度、コップ内の水温が10度に下がったときに水滴ができ始めたとしましょう。
20度の飽和水蒸気量・・・17.3g
10度の飽和水蒸気量・・・9.4g
10度の空気は、空気1立方mに9.4gの水蒸気を含むことができるはずです。コップの周りの空気が、9.4gを少しだけ超える水蒸気を含んでいたから、10度で水滴が現われ始めたのです。
つまり、この部屋の空気は、気温20度で空気1立方mに約9.4gの水蒸気を含んでいたことがわかります。
こうして、空気1立方mに何gの水蒸気が含まれていたかを求めることができます。
露点とは、実際の空気1立方mに含まれている水蒸気の量が飽和水蒸気量である温度だということができます。

飽和水蒸気量のグラフ(2)















湿度

湿度を求める公式は、目の前にある(空気1立方mに実際に含まれている水蒸気量÷その気温での飽和水蒸気量)×100です。

湿度の式



(うしろの、×100は何のためにあるのかも確認のこと。例えば、数字の0.18は%にすると18%です。普段は意識していませんが、数値を%にするときは100倍をしているわけです。つまり、この×100は%になおすための×100です。)

水溶液の場合、濃度(%)は、(溶けているものの質量÷水溶液全体の質量)×100です。つまり、全体の「重さ」に対する溶けているものの割合を示すのが濃度の%です。
湿度(%)は違います。ある気温での、もうこれ以上とけない水蒸気量(飽和水蒸気量)を100%として、それに対する割合を表したものです。


湿度の計算問題

パターン1:公式を使うだけの問題

気温24度で、1立方mに17.3gの水蒸気を含む空気がある。この空気の湿度は何%か。四捨五入して整数で答えよ。
飽和水蒸気量



もっとも基本的な問題です。
理科の公式は、「そのまま覚えて、そのまま代入する」のが鉄則。

表より、24度の飽和水蒸気量は21.8gです。
湿度の式これを、公式にそのまま代入します。


湿度の計算(1)
(1)湿度の公式にそのまま代入


(2)×100を先に済ませるのがコツ
あとで、どこで四捨五入するか迷わなくてすみます


(3)そのあと、筆算をします


(4)小数点の位取りもまちがえないように


(5)筆算をすると、答えは79.3になります


(6)「四捨五入して整数で」だから、79%が答えです





パターン2:気温と露点から湿度を求める問題

部屋の気温が20度で、露点が14度であった。湿度は何%か。小数第1位を四捨五入して求めなさい。
飽和水蒸気量



何度か、14/20×100という式を書いている人を見たことがあります。気温の割合を求めたって何も出てきません。
気温は、表を使って水蒸気量を見つけるために使うだけです。
20度の飽和水蒸気量が17.3g、14度の飽和水蒸気量が12.1gです。露点は、実際の水蒸気量が飽和水蒸気量である温度のこと。だから、式は次のようになります。

湿度の計算(2)
(1)湿度の公式にそのまま代入


(2)×100を先に済ませる


(3)そのあと、筆算


(4)小数点の位取りもまちがえないように


(5)筆算をすると、答えは69.9


(6)「小数第1位を四捨五入して」とあるから、70%が答え





パターン3:湿度から水蒸気量を求める問題

気温が30度で湿度が75%の空気がある。この空気1立方mには何gの水蒸気が含まれているか。
飽和水蒸気量




理科らしい、正式なやり方は多分次のようになります。

湿度の計算(3)
(1)求めたい水蒸気量をxとして、湿度の公式にそのまま代入

(2)方程式なので、両辺に分母の30.4をかける

(3)方程式を解いて、水蒸気量22.8gを求める



ただし、この解き方は、かたすぎるというか、本当にレベルの高い人には向いた方法ですが、中学生にはどうなんだろうという気もします。

普通は、次のような解き方のほうがわかりやすいし、中学生らしい解き方かもしれません。

(解き方2)気温が30度だから、飽和水蒸気量は30.4g。これは、湿度100%なら水蒸気量は30.4gという意味である。
湿度が75%だから、その0.75倍。
よって、30.4×0.75=22.8g。



パターン3’:湿度から露点を求める問題

気温が22度で、湿度が29%の空気がある。この空気の露点は何度か。
飽和水蒸気量




気温22度の飽和水蒸気量は19.4gです。湿度29%から、空気1立方mに含まれている水蒸気量は19.4×0.29=5.626g

飽和水蒸気量の表で、5.626gの数値に一番近いのは気温2度のとき。
したがって、解答は2度。


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