【第54回 気象予報士試験 一般知識】問3 エマグラムと断熱運動・相当温位をわかりやすく解説
こんにちは！今回は第54回 気象予報士試験 一般知識 問3を解説します！
この問題は、未飽和の空気塊を断熱的に持ち上げたときの、温位・混合比・相当温位・浮力について問う問題です。
受験生が止まりやすいのは、グラフの横軸が温度ではなく温位であることです。
また、高度Cで「周囲の大気と温位が等しい」と書かれているため、そこより上で空気塊がどうなるかを、図から読み取る必要があります。
この問題で重要なポイント
- 未飽和の空気塊は、上昇すると乾燥断熱減率にしたがって温度が下がる。
- 未飽和で凝結していない間は、水蒸気の混合比は保存される。
- 断熱運動では、相当温位は保存される。
- 高度Bで飽和すると、その後は湿潤断熱的に変化する。
- 空気塊の温位が周囲より高いと、空気塊は周囲より軽く、上向きの力を受ける。
- 空気塊の温位が周囲より低いと、空気塊は周囲より重く、下向きの力を受ける。
- 高度Cは、空気塊と周囲の大気の温位が等しくなる高度である。
- 図では高度Cより上で、空気塊の温位は周囲の大気より高い。
■ 問題文
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。
(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。
(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。
(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。
(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。
| 選択肢 | 内容 |
|---|---|
| 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 |
■ 解答
④
(a) 正
(b) 正
(c) 正
(d) 誤
■ 解き方の方針
この問題は、次の流れで考えると整理しやすいです。
A〜B
↓
未飽和
↓
乾燥断熱変化
↓
混合比は保存
B
↓
飽和
↓
凝結が始まる
断熱運動
↓
相当温位は保存
Cより上
↓
空気塊の温位が周囲より高い
↓
軽い
↓
上向きの力
したがって、誤っているのは(d)のみです。
■ 補足講義：温位・混合比・相当温位の違い
この問題で混乱しやすいのは、似た言葉が一気に出てくることです。
| 用語 | ざっくりした意味 | 試験での見方 |
|---|---|---|
| 温度 | その場所での空気の温かさ | 上昇・下降で変化する |
| 温位 | 空気塊を1000hPaまで断熱的に戻したときの温度 | 乾燥断熱運動で保存される |
| 混合比 | 乾燥空気に対して水蒸気がどれだけ含まれるか | 凝結しなければ保存される |
| 相当温位 | 水蒸気の潜熱まで含めた空気塊の暖かさ | 断熱運動で保存される |
ここで止まりやすいポイント
温度、温位、相当温位を同じものとして読んでしまうと混乱します。
この問題では、図の横軸が温位であることを必ず確認しましょう。
■ (a) AからBまでは乾燥断熱減率で温度が下がる？
(a)は正しいです。
問題文では、空気塊は高度Bで飽和すると書かれています。
つまり、高度Aから高度Bまではまだ飽和していません。
未飽和の空気塊が断熱的に上昇すると、温度は乾燥断熱減率にしたがって低下します。
AからBまでの変化
未飽和の空気塊
↓
断熱的に上昇
↓
膨張して冷える
↓
乾燥断熱減率で温度低下
ここがひっかけ
「高度Bで飽和」ということは、AからBの途中ではまだ凝結していません。
したがって、湿潤断熱減率ではなく乾燥断熱減率です。
したがって、(a)は正しいです。
■ (b) AとBで水蒸気の混合比は同じ？
(b)は正しいです。
高度Aから高度Bまでは未飽和なので、水蒸気はまだ凝結していません。
空気塊が周囲の大気と混合せず、水蒸気が凝結して外へ抜けないなら、空気塊に含まれる水蒸気量は保存されます。
混合比が保存される理由
未飽和
↓
凝結しない
↓
水蒸気量が減らない
↓
混合比は同じ
混合比は、乾燥空気に対する水蒸気の割合です。
今回、空気塊は周囲の大気と混合しないとされているので、AとBで水蒸気の混合比は同じです。
ここで間違えやすい理由
上昇すると気圧や温度が変わるため、混合比も変わるように感じます。
しかし、凝結して水蒸気が減らない限り、混合比は保存されます。
したがって、(b)は正しいです。
■ (c) A・B・Cで相当温位は同じ？
(c)は正しいです。
相当温位は、空気塊が持つ水蒸気の潜熱を含めた温位のようなものです。
空気塊が周囲と混合せず、断熱的に運動している場合、相当温位は保存されます。
相当温位のイメージ
空気そのものの暖かさ
＋
水蒸気が持つ潜熱
↓
相当温位
Bより上では飽和し、凝結が起こります。
しかし、凝結で放出された潜熱は空気塊を暖めるため、断熱的に考えると、空気塊全体が持つエネルギーの指標である相当温位は保存されます。
断熱運動と相当温位
断熱運動
↓
外部と熱のやり取りなし
↓
相当温位は保存
ここがひっかけ
Bで飽和して凝結が始まるため、「相当温位も変わるのでは？」と思いやすいです。
しかし、問題では空気塊は断熱的に持ち上げられ、周囲と混合しないとされています。
そのため、A・B・Cの相当温位は同じです。
したがって、(c)は正しいです。
■ (d) Cより上で空気塊は下向きの力を受ける？
(d)は誤りです。
ここがこの問題の最大のポイントです。
図を見ると、高度Cで空気塊の温位と周囲の大気の温位が等しくなっています。
そして、高度Cより上では、空気塊の温位の線が、周囲の大気の温位より右側にあります。
横軸は温位で、右に行くほど温位が高いことを意味します。
Cより上の読み取り
空気塊の温位
＞
周囲の大気の温位
温位が高い
↓
同じ気圧面で周囲より暖かい
↓
密度が小さい
↓
軽い
↓
上向きの力を受ける
したがって、高度Cより上で空気塊は下向きの力ではなく、上向きの力を受けます。
ここで止まりやすいポイント
縦軸が気圧で、上に行くほど気圧が低い図なので、慣れていないと読み取りにくいです。
しかし、判断するポイントはシンプルです。
同じ高度で、空気塊の温位が周囲より右側なら温位が高いと読みます。
したがって、(d)は誤りです。
■ 補足講義：温位が高いと、なぜ上向きの力を受けるのか
温位が高い空気は、同じ気圧面で比べると周囲より暖かい空気です。
暖かい空気は密度が小さいため、周囲より軽くなります。
温位が高い
↓
周囲より暖かい
↓
密度が小さい
↓
軽い
↓
浮力を受ける
逆に、温位が低い空気は周囲より冷たく、密度が大きいため、下向きの力を受けます。
| 空気塊と周囲の比較 | 状態 | 受ける力 |
|---|---|---|
| 空気塊の温位 ＞ 周囲の温位 | 周囲より暖かく軽い | 上向きの力 |
| 空気塊の温位 ＝ 周囲の温位 | 中立 | 力はつり合う |
| 空気塊の温位 ＜ 周囲の温位 | 周囲より冷たく重い | 下向きの力 |
■ 選択肢確認表
| 選択肢 | 判定 | 理由 |
|---|---|---|
| (a) | 正 | AからBまでは未飽和なので、乾燥断熱減率にしたがって温度が下がる。 |
| (b) | 正 | AからBまでは凝結していないため、水蒸気の混合比は保存される。 |
| (c) | 正 | 断熱運動では、空気塊の相当温位は保存される。 |
| (d) | 誤 | Cより上では空気塊の温位が周囲より高く、上向きの力を受けるため。 |
以上より、誤っているのは(d)のみです。
したがって、正解は④です。
■ 受験生がつまずくポイント
1. 図の横軸を温度だと思ってしまう
この図の横軸は温度ではなく温位です。温位の大小で、空気塊が周囲より軽いか重いかを判断します。
2. AからBまでを湿潤断熱変化だと思ってしまう
高度Bで飽和するので、AからBまではまだ未飽和です。したがって乾燥断熱減率にしたがって温度が下がります。
3. 上昇すると混合比も変わると思ってしまう
気圧や温度は変わりますが、凝結が起こらない限り水蒸気量は減りません。そのため、未飽和の間は混合比が保存されます。
4. 相当温位が保存される条件を忘れる
相当温位は、空気塊が断熱的に運動し、周囲と混合しない場合に保存されます。問題文の「混合しない」という条件が重要です。
5. Cより上の図の読み取りを逆にしてしまう
Cより上では、空気塊の温位の線が周囲の大気より右側にあります。右側は温位が高いので、空気塊は周囲より軽く、上向きの力を受けます。
6. 気圧軸の向きに惑わされる
縦軸は気圧で、上に行くほど気圧が低くなっています。通常の高度軸とは見た目が異なるため、図の読み取りに注意が必要です。
■ まとめ
- AからBまでは未飽和なので、乾燥断熱減率で温度が下がる。
- 未飽和で凝結しない間は、水蒸気の混合比は保存される。
- 断熱運動では、相当温位は保存される。
- Cより上では空気塊の温位が周囲より高い。
- 温位が高い空気塊は周囲より軽く、上向きの力を受ける。
正解は④
この問題で必ず押さえたいこと
A〜B
↓
未飽和
↓
乾燥断熱変化
↓
混合比保存
断熱運動
↓
相当温位保存
Cより上
↓
空気塊の温位 ＞ 周囲の温位
↓
軽い
↓
上向きの力
※ 本記事では、一般財団法人 気象業務支援センターより利用許諾を受けて、気象予報士試験問題を掲載しています。
問題文の著作権は一般財団法人 気象業務支援センターに帰属します。
以上、第54回 一般知識 問3の解説でした！
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