中2理科 地学について質問です。 冷たい空気はなぜ上空にとどまっているのですか？ 地上では空気が温ま

中2理科 地学について質問です。
冷たい空気はなぜ上空にとどまっているのですか？
地上では空気が温まると暖かい空気は軽い為
上に行きますよね？ なぜ上空の冷たい空気は下に降りてこずに上空にとどまっているのでしょうか。
教えてください。
よろしくお願いいたします。

No.7 回答者： yos1912 回答日時： 2023/11/20 17:31

空気の性質の一つに、圧力を上げると温度が上昇するというものがあります。

例えば空気入れで自転車に空気を入れていると、ポンプが暖かくなることがあります。これは、ポンプの中で空気が圧縮されることによって温度が上昇したためです。逆に、圧力を下げると温度が下がります。空気入れからいい追いよく噴き出した空気が冷たいのはこのためです。この原理を利用して、エアコンや冷蔵庫の温度調節をしています。
　ところで、上空の冷たい空気が下に降りてきたときのことを考えてみます。下層にある空気に方が気圧が大きくなっていますから、下降した空気は圧縮され温度が上昇することになります。一般的には１００ｍ下降する毎に１℃上がります。
　空気が冷たいので降りてこようとした場合を考えてみます。下りてきた空気の温度が高くなります。この時の温度の方が周囲の空気よりたかくなれば、軽いので上昇することになります(実際には下りてこられない)。
　上空にある冷たい空気は、地表付近よりも冷たくても下りてきたときに勝手に暖まって、地表付近よりも暖かくなってしまうと下りてこられないということです。実際にはそのような温度の空気が上空にたまっています。例外的には天気予報で寒気が流れ込んでという場合は、上空の空気が下りてくることもあります。

No.6 回答者： 銀鱗 回答日時： 2023/11/19 20:54

すでに回答があるように、高度が上がると気圧が下がり空気の密度が薄くなるから。

要は、「上空の冷たい空気は、地表の暖かい空気よりも軽い」ということになります。
これを覆すくらい地表付近の空気が温まると「上昇気流」になり上空へ到達します。
積乱雲なんかはこれによるものです。

No.5 回答者： ssawatake 回答日時： 2023/11/19 19:53

オゾン層の厚さは成層圏で数千メートル。

これを地上の気圧の元で換算すると3mm程度。

上空へ行く程気圧が低くなり、分子間距離が大きくなって分子がマバラに存在するためです。

冷気も同じで、上空へ行く程気圧が低くなり、空気分子がマバラになるので密度が小さく(軽くなる）なって下へは降りてこられなくなるため。

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2023/11/19 19:24

温かい空気は軽く、冷たい空気は重たい、と言うのは、

温かくなれば膨張して密度が低下するから軽くなる、という事です。
上空は気圧が低いのでもともと密度が低く、冷たくても軽いのです。

No.3 回答者： oo14 回答日時： 2023/11/19 19:16

まず温かい空気というのは、

太陽が地表を温め、その熱が空気を温めるので
地表に近いほど温かくなります。
地上で暖まった空気は軽いとはいえ、
成層圏に近い上空は地球の重力の関係で
空気の密度がさらに低いので軽く
下に降りてくることができないことはありますが、
地上から上空に行った空気は上空の空気を押し下げ、
対流が起こり、下に降りてきますよ。

No.2 回答者： mabuterol 回答日時： 2023/11/19 19:09

良い質問ですね。

ざっくり書くならば、暖かい空気は上昇しながら冷えるから、です。

例えば上空に -10 ℃の空気の塊があるとして。そこに地上からの上昇気流が -9 ℃の空気を運んできたら、-9 ℃の空気の方が -10 ℃よりも軽いですね。

No.1 回答者： 河内のおやじ 回答日時： 2023/11/19 19:02

上空の冷たい空気が下に降りてこない理由は、大気中の温度層構造に起因しています。

寒冷な空気は一般的に密度が高く、温暖な空気よりも重いです。地上で温暖な空気が上昇し、寒冷な空気が下降することで、大気が安定し、冷たい空気が上空に留まりやすくなります。これにより、温暖な空気が上昇しやすく、冷たい空気が下降しにくくなります。

温度層構造は、大気中の高度による温度の変化を指します。通常、地球の大気は上空に行くほど温度が低くなる傾向があります。これは、地表で太陽から受ける熱が大気を温め、地表から上昇する空気が冷却されるためです。

しかし、大気中には特定の高度帯で逆転層（inversion layer）と呼ばれる温度が上昇する層も存在します。これは、地上での気象条件や地形などによって影響を受け、一般的な温度の下降傾向とは異なる状況が生じることがあります。

このような温度層構造の変化が、気象現象や大気の循環に影響を与え、異なる高度での気温差が気象条件や航空機の飛行に影響を与える要因となります。