山を越える空気の旅 〜減温率とフェーン現象〜Air's Journey over a Mountain: Lapse Rates and the Foehn Effect

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 30℃の湿った空気が標高2000mの山を越えて反対側のふもと(標高0m)に下りてきたとき、気温は30℃より高い、同じ、低い、のどれになると思いますか。When moist 30℃ air crosses a 2000 m mountain and comes down to the foot on the other side (0 m), do you think its temperature will be higher than, equal to, or lower than 30℃?💡 上りと下りで、100mあたりの気温の変わり方が同じかどうかに注目しましょう。雲ができるかどうかがかぎです。Think about whether the temperature changes by the same amount per 100 m on the way up and on the way down. Whether a cloud forms is the key.
2. 流れこむ空気の湿度を高くすると、雲ができ始める高さ(雲底)は高くなると思いますか、低くなると思いますか。If the incoming air is more humid, do you think the height where clouds start to form (the cloud base) will be higher or lower?💡 湿度が高い空気は露点が高くなります。上昇する空気の気温が露点まで下がるのに必要な距離を考えましょう。More humid air has a higher dew point. Think about how far the rising air must climb for its temperature to fall to the dew point.

2動かしてみようTry it

1. 「A 流入空気の湿度」70%、「B 速さ」×1.0 のまま「最初から」を押し、空気の塊が山を越えるまで観察する。上のグラフの気温(実線)と露点(破線)、画面の「気温」「露点」「相対湿度」「高度」、表示されるモードの切り替わりを記録する。With "A Humidity of incoming air" at 70% and "B Speed" at ×1.0, press "Restart" and watch the air parcel cross the mountain. Record the temperature (solid line) and dew point (dashed line) in the upper graph, the "Temperature", "Dew point", "Rel. humidity" and "Altitude" readouts, and how the mode label changes.
2. 空気が雲底(「雲底(露点到達)」の線)に達した瞬間と山頂付近で「一時停止」を押し、そのときの高度と気温を読み取って、100mあたり何℃下がったかを計算する。Press "Pause" when the air reaches the cloud base (the "Cloud base (dew point)" line) and again near the summit. Read the altitude and temperature each time and calculate how many ℃ the air cooled per 100 m.
3. 再生して風下側の地表に着いたときの気温・露点・相対湿度を読み取り、風上側の地表(30.0℃)と比べる。雨粒がどちらの斜面に降っているかも確認する。Resume and read the temperature, dew point and relative humidity when the air reaches the leeward ground, and compare them with the windward ground (30.0℃). Also check which slope the raindrops fall on.
4. 「A 流入空気の湿度」を 50%、80%、100% に変えて「最初から」を押し、雲底の高さと風下側の地表の気温(下の説明文の数値も参照)を比べる。Set "A Humidity of incoming air" to 50%, 80% and 100%, press "Restart" each time, and compare the cloud-base height and the leeward ground temperature (also see the values in the explanation below the simulation).

3確かめようCheck

1. 湿度70%のとき、雲ができる前の上昇区間では、気温は100mあたり何℃下がっていましたか。At 70% humidity, how much did the temperature drop per 100 m while rising before the cloud formed?→ 1.0℃。30.0℃から、雲底の約 608 m で約 23.9℃(露点と同じ)まで下がった。モード表示は「今は乾燥断熱減温」だった。1.0℃. It fell from 30.0℃ to about 23.9℃ (equal to the dew point) at the cloud base, about 608 m. The mode label read "Now dry adiabatic cooling".
2. 雲ができてから山頂までは、気温の下がり方はどう変わりましたか。How did the rate of cooling change from the cloud base to the summit?→ 100mあたり 0.6℃ とゆるやかになった。約 608 m で 23.9℃ だった気温が、山頂 2000 m で約 15.6℃ になった。この間は気温と露点が同じで、相対湿度は 100%、風上側の斜面に雨が降っていた。It slowed to 0.6℃ per 100 m. The temperature went from 23.9℃ at about 608 m to about 15.6℃ at the 2000 m summit. In this part, the temperature equaled the dew point, relative humidity was 100%, and rain fell on the windward slope.
3. 風下側の地表に着いたとき、気温と相対湿度はどうなっていましたか。When the air reached the leeward ground, what were its temperature and relative humidity?→ 気温は約 35.6℃ で、風上側の 30.0℃ より約 5.6℃ 高かった。露点は 15.6℃ のままで、相対湿度は約 30% まで下がり、高温で乾燥した空気になった。風下側には雲も雨もなかった。The temperature was about 35.6℃, about 5.6℃ higher than the 30.0℃ windward side. The dew point stayed at 15.6℃ and the relative humidity dropped to about 30%, so the air was hot and dry. There was no cloud or rain on the leeward side.
4. 湿度を 50%、80%、100% に変えると、雲底の高さと風下側の気温はどう変わりましたか。How did the cloud-base height and the leeward temperature change at 50%, 80% and 100% humidity?→ 50% では雲底 約 1156 m・風下 約 33.4℃、80% では 約 383 m・約 36.5℃、100% では地表(0 m)から雲ができて 約 38.0℃ になった。湿度が高いほど雲底が低く、風下側がより高温になった。At 50%, the cloud base was about 1156 m and the leeward ground about 33.4℃; at 80%, about 383 m and 36.5℃; at 100%, the cloud formed right from the ground (0 m) and the leeward ground reached about 38.0℃. The higher the humidity, the lower the cloud base and the hotter the leeward side.

4考えようThink further

1. 雲の中では、なぜ気温の下がり方が100mあたり1℃より小さくなるのでしょうか。Why does the air cool by less than 1℃ per 100 m inside the cloud?→ 雲の中では水蒸気が凝結して水滴になり、そのとき熱(潜熱)を出す。この熱が膨張による温度低下の一部を打ち消すので、減温率が 0.6℃/100m に小さくなる。Inside the cloud, water vapor condenses into droplets and releases heat (latent heat). This heat cancels part of the cooling from expansion, so the lapse rate drops to 0.6℃ per 100 m.
2. もし雲ができずに(雨も降らずに)山を越えたとしたら、風下側の地表の気温は何℃になるでしょうか。湿度の設定がもっと低い場合を想像して考えましょう。If the air crossed the mountain without forming a cloud (and without rain), what would the leeward ground temperature be? Imagine a much lower humidity setting.→ 上りも下りも 100mあたり1℃ なので、山頂で 10℃、ふもとで 30℃ にもどり、風上側と同じになる。フェーン現象で風下が高温になるのは、上りの途中で雲ができて 0.6℃/100m しか下がらなかった分だけ、下りで多く温まるからである。It would cool and warm at 1℃ per 100 m both ways, reaching 10℃ at the summit and returning to 30℃ at the foot, the same as the windward side. The leeward side becomes hotter in the foehn effect only because the air cooled at just 0.6℃ per 100 m for part of the climb (in the cloud) but warms at 1℃ per 100 m all the way down.

よくある誤解Common misconceptions

• 「山を越えて下りてきた空気が熱いのは、山の斜面や地面に温められたから」という誤解。風下側の昇温は、下降する空気が圧縮されることによるもので、風上側で雲ができて減温率が小さかったことが原因である。"Air coming down the mountain is hot because the slopes or ground heated it." The leeward warming comes from the descending air being compressed, and the temperature gain exists because the air cooled more slowly inside the cloud on the windward side.
• 「空気は上昇すれば、いつも同じ割合で冷える」という誤解。雲ができる前(1℃/100m)と雲ができた後(0.6℃/100m)で減温率は変わる。"Rising air always cools at the same rate." The lapse rate changes: 1℃ per 100 m before a cloud forms and 0.6℃ per 100 m after.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)