乾燥空気を持ち上げる

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「乾燥断熱線」は、エマグラムのグラフ用紙で一番寝ている線のことだ。
この線は、どんな意味を持っているかというと、断熱的に空気塊を上空に持ち上げたときの気温と圧力の変化を示す線だ。
他の線が邪魔なので「湿潤断熱線」と「等飽和混合比線」を消して、「乾燥断熱線」だけを茶色で表示した。

シャボン玉のように皮が薄くて、まったく張力を持たない超薄皮の風船があったとしよう。
この中に水蒸気を含まない乾燥空気を詰めて、地上に置いたのが1000hPa の状態だ。
この時の地上の気温を26.85℃と仮定する。
絶対温度にすると、26.85+273.15=300Kになる。これが、この空気塊の温位である。
地上の風船は約27℃と暖かいのでピンク色（温度イメージであり実際は無色です）をしている。
この風船を900hPa(標高約1000m)まで断熱的に持ち上げると、気温は18℃に低下してオレンジ色（温度イメージであり実際は無色です）に変わり、少しふくらみが大きくなる。つまり体積膨張を起こしているのだ。
さらに800hPa(標高約2000m)まで持ち上げると、気温は7℃まで下がり、さらに膨らんでくる。
700hPa（地上3000m)では、ついに氷点下に達し、グリーン（温度イメージであり実際は無色です）になってしまった。
こうして、600hPaを経て500hPa(標高約5500m)まで持ち上げると、風船はマイナス27℃まで冷たくなり、風船のふくらみは、地上の1.6倍まで大きくなる。温度を保持して、500hPaまで真上に持ち上げたときの体積膨張が2倍だったのと比べると、気温低下がある分だけ抑えられて、1.6倍にとどまっている。

地表との気温差は54℃であり、1000メートルごとに10℃低下したことになる。
ここまで持ち上げて、気温がマイナス27℃まで冷えてしまっても、この空気塊の温位は300Kのままで変化しない。このまま、そっと地上に戻せば、プラス27℃に戻るのだ。
そのような観点で見ると、「乾燥断熱線」は「等温位線」と言い換えることも出来る。
左端の260から右端の370までの数値は、温位を示している。

温位の計算式は、次のように示されている。
　θ=(T+273.15)×(1000/p)^{0.2857
　　　θ：温位(K)、　T：気温(℃)、　p：気圧(hPa)
乾燥断熱線は、この式をグラフ化したものである。}

注意しなければならないのは、この線が有効なのは、空気が乾燥状態であることが条件だ。
水蒸気を含んでいても構わないが、飽和して、凝結しないことが条件である。
水蒸気を含む空気塊の場合は、どんどん冷却されれば、空気中に存在できなった水蒸気が、どこかの高さで飽和して、凝結するはずだ。
実際の大気中で凝結するとは、雲を作ることになり、さらに冷却すれば水滴や氷粒が形成されて雨が作られる。
もしも500hPaまでこの線が有効なら、この空気塊は乾燥空気であるに違いない。
現実に、地表の空気塊が5500mまで持ち上がることはほとんどない。周囲の気温よりも低くなり、重くなるために浮力が生じなくなるからだ。
(2013/03/07)

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