図は，ある未飽和の空気塊を，1000hPaの高度Aから断熱的に持ち上げたときの温位の高度変化を，周囲の大気の温位の高度分布とともに，横軸を温位，縦軸を気圧として示したものである。空気塊は高度Bで飽和し，高度Cで周囲の大気と温位が等しくなっている。この空気塊に関する次の文(a)~(d)の正誤について，下記の①～⑤の中から正しいものを1つ選べ。ただし，空気塊は周囲の大気と混合しないものとする。
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(a) 空気塊の温度は，高度Aから高度Bまで乾燥断熱減率にしたがって下降する。
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(b) 高度Aと高度Bにおける空気塊の水蒸気の混合比は同じ値である。
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(c) 高度A，高度B，高度Cにおける空気塊の相当温位はすべて同じ値である。
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(d) 図の範囲内では，高度Cより上の高度で空気塊は下向きの力を受ける。
| ① | (a)のみ誤り |
| ② | (b)のみ誤り |
| ③ | (c)のみ誤り |
| ④ | (d)のみ誤り |
| ⑤ | すべて正しい |
まず温位と相当温位について解説します。
断熱的とは「外部との熱のやり取りが無い」状態です。
断熱変化には「乾燥断熱変化」と「湿潤断熱変化」があります。
乾燥断熱変化とは「水蒸気の凝結を伴わない変化（＝潜熱の放出が無い変化）」のことです。乾燥断熱変化では、高度が1km上がるごとに温度は9.8℃減少します。
湿潤断熱変化とは「水蒸気の凝結を伴う変化（＝潜熱の放出を加味する変化）」のことです。湿潤断熱変化では、水蒸気の量によって温度の減少率が変わります。
対流圏下層の場合は約4℃/km、対流圏中層の場合は約6℃/kmで温度が減少します。
例えば高度0mを1000hPaとした場合、「高度0ｍにある乾燥空気Ａ」と「高度3000m（=3km）にある乾燥空気Ｂ」のどちらが暖かいか考えると、以下のようになります。
相当温位とは「温位＋潜熱の効果」です。飽和している湿潤空気を断熱変化させると、水蒸気の凝結が起こります。水蒸気は凝結するときに潜熱を出します。この影響を加味したのが相当温位です。
これは正です。
まず混合比とは、湿潤空気に含まれる水蒸気と乾燥空気の比率です。
空気塊の温度や気圧が変化しても、他の湿潤空気と混ざり合ったり、水蒸気の凝結や蒸発が起こったりしないかぎり、混合比の数値は変わりません。
問題文より「空気塊は周囲の大気と混合しないものとする。」とあるので、高度Aと高度Bにおける空気塊の水蒸気の混合比は同じ値になります。
これは正です。
まず高度Aと高度Bの相当温位を考えます。
相当温位は「温位＋潜熱の効果」です。潜熱は水蒸気が凝結するときに放出される熱なので、水蒸気が凝結しなければ「潜熱の効果」は0になります。
高度A→高度Bは乾燥断熱変化のため、水蒸気は凝結しません。
よって
「高度Aの相当温位」＝「温位＋潜熱の効果」＝「温位＋0」＝温位
「高度Bの相当温位」＝「温位＋潜熱の効果」＝「温位＋0」＝温位
となります。
問題の図より、高度Aと高度Bの温位は同じなので、高度Aと高度Bの相当温位も同じです。
次に高度Bと高度Cの相当温位を考えます。
高度Bから高度Cの変化は「湿潤断熱変化」です。
空気塊が湿潤断熱変化をする場合、相当温位は保存されます。
ポイント
湿潤断熱変化は相当温位が保存されます。
断熱変化をするということは、空気塊は「外部と熱のやり取りをしない」ことにです。
そのため、水蒸気の凝結によって発生する潜熱は、外部に放出されることなく、空気塊の中にとどまります。
よって高度Bと高度Cの相当温位は同じなので、高度A，高度B，高度Cにおける空気塊の相当温位はすべて同じ値になります。
これは誤です。
高度Cより上の高度における温位を見ると、「周囲の大気の温位」よりも「空気塊の温位」のほうが高いです。
そのため、「空気塊」は「周囲の大気」より暖かく、軽い空気であるため、フワフワと上昇していきます。
よって、高度Cより上の高度で空気塊は上向きの力を受けることになります。