6-2 大気の気温減率と安定度

「雲ができるとき、なぜ空気は上昇するのか？」「なぜ積乱雲まで発達する場合と、すぐに消えてしまう場合があるのか？」

これを理解する鍵が、気温減率と安定度です。
ここでは、空気が上昇するときにどれくらい冷えるか（断熱減率）と、それによって決まる大気の状態（安定度）について解説します。

1. 乾燥断熱減率 ($\Gamma_d$)

空気が「乾いている（未飽和である）」状態で上昇するとき、どれくらいのペースで温度が下がるかを示す値です。

上空に行くと気圧が下がります。空気塊は膨張し、周囲の空気を押しのける「仕事」をします。
熱力学第一法則により、仕事をした分だけ内部エネルギー（温度）が使われるため、温度が下がります。

空気が「湿っている（飽和して雲粒ができている）」状態で上昇するとき、どれくらいのペースで温度が下がるかを示す値です。

定義： 水蒸気が凝結している（飽和した）空気塊が、断熱上昇するときの温度低下率。
値：約 $5^\circ \text{C} / \text{km}$ ($100\text{m}$ で $0.5^\circ \text{C}$)
- ※実際には温度や気圧で変化しますが、試験の計算問題では「$5^\circ \text{C}/km$」や「$6^\circ \text{C}/km$」として与えられることが多いです。

水蒸気が水になるときに、熱（潜熱）を放出します。
「膨張による冷却」を、「凝結による加熱」が少し打ち消すため、温度の下がり方が緩やかになります。

ここが本単元の山場です。
ある空気塊を無理やり持ち上げたとき、「そのまま上昇していくか（不安定）」、「元の場所に戻ってくるか（安定）」を判断することを安定度の判定といいます。

判定には、以下の3つの温度変化率を比較します。

周囲の空気が、上空に行くほど冷たい状態です。

条件： $\Gamma > \Gamma_d$ （周囲の温度低下が $10^\circ \text{C}/km$ より大きい）
現象：
持ち上げた空気塊は（乾燥でも湿潤でも）、周囲より常に暖かく（軽く）なります。
そのため、浮力を得て自動的にどんどん上昇していきます。
発生場所： 真夏の焼けた砂浜やアスファルトの上など、地表付近のごく薄い層に限られます。

周囲の温度低下が、それなりな状態です。実際の大気の大部分はこの状態です。下層に暖かい空気が流入したり、上空に寒気が流入したりすると条件付不安定になります。

条件： $\Gamma_m < \Gamma < \Gamma_d$ （周囲の低下率が $5$ 〜 $10^\circ \text{C}/km$ の間）
現象：
- 空気が乾燥している場合 $\rightarrow$ 周囲より冷たく（重く）なり、安定（元に戻る）。
- 空気が飽和（湿潤）している場合 $\rightarrow$ 周囲より暖かく（軽く）なり、不安定（上昇する）。
意味： 「水蒸気が凝結するという条件付きで、不安定になる」ため、こう呼ばれます。これが積乱雲発達の主な要因です。

周囲の空気が、上空に行ってもあまり冷たくない（あるいは暖かい）状態です。

条件： $\Gamma < \Gamma_m$ （周囲の低下率が $5^\circ \text{C}/km$ より小さい）
現象：
持ち上げた空気塊は（乾燥でも湿潤でも）、周囲より常に冷たく（重く）なります。
そのため、手を離すと元の高さまで沈んで戻ってきます。
逆転層： 上空の方が暖かい場合（気温減率がマイナス）もこれに含まれます。絶対に雲が発達しない、強力な蓋（ふた）のような状態です。