熱力学の基礎【大気の熱力学】

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雲ができる、雨が降る、フェーン現象が起こる。こうした現象を理解する土台が「大気の熱力学」です。この記事では、空気を分子の集まりとして見るところから始めて、温度・圧力・密度の関係（状態方程式）と、上昇する空気が冷える理由（断熱変化）までをやさしく説明します。

この記事のポイント

空気は分子の集まり

空気は「何もない空間」ではなく、窒素や酸素などの分子がたくさん集まったものです。分子はとても小さく目には見えませんが、いつも勢いよく飛び回り、ほかの分子や壁とぶつかり合っています。

分子の動きが激しいほど、壁を強く、何度もたたきます。そのため、同じ体積に同じ数の分子があれば、温度が高いほど圧力は大きくなります。

密度とは、1m³あたりの質量［kg/m³］のことです。地上付近の空気の密度は約1.2kg/m³で、上空ほど小さくなります。

気圧・密度・気温の3つは、ばらばらではなく、次の関係で結びついています。これを（理想気体の）状態方程式といいます。

p ＝ ρRT

例えば、密度1.2kg/m³・気温15℃（288K）の空気なら、p＝1.2×287×288 ≒ 99000Pa、つまり約990hPaとなり、地上の気圧とほぼ同じになります。

分子の見方で考えると、式の意味が分かりやすくなります。

「温めると気圧が上がる」のは、体積（密度）が変わらない場合だけです。大気中の空気は自由に膨らめるので、3つの量の変化をセットで考えることが大切です。

空気のかたまり（気塊）が、まわりと熱をやりとりせずに膨張したり圧縮されたりすることを、断熱変化といいます。上昇や下降する空気は、短い時間ではほぼ断熱的に変化すると考えてよいです。

断熱膨張：上空ほど気圧が低いので、上昇した空気は膨らむ。膨らむときにまわりの空気を押しのける仕事をし、そのエネルギーを自分の分子の運動から出すので温度が下がる。
断熱圧縮：下降する空気は、まわりの気圧が高くなって押し縮められ、仕事をされて温度が上がる。

水蒸気が凝結していない空気（乾燥空気、または飽和していない湿った空気）が上昇すると、1kmにつき約10℃下がります。これを乾燥断熱減率といいます（より正確には約9.8℃/km）。

上昇して温度が下がると、やがて空気は飽和し、水蒸気が凝結して雲ができます。凝結のときには潜熱（水蒸気がもっていた熱）が放出され、空気を暖めます。

空気を1000hPaまで乾燥断熱的に下ろしたときの温度を温位といいます。乾燥断熱変化では温位は変わらないので、高さの違う空気どうしを比べたり、空気の動きを追ったりするのに便利な量です。