雲のでき方：断熱膨張と露点How Clouds Form: Adiabatic Expansion and Dew Point

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

1. 地上で気温 20 ℃、露点 10 ℃ の空気が山の斜面にそって上昇すると、雲はどのあたりの高さからでき始めると思いますか。地上ですぐにできるでしょうか。If air at the ground with a temperature of 20 ℃ and a dew point of 10 ℃ rises up a mountain slope, at about what height do you think a cloud starts to form? Will it form right at the ground?💡 雲ができるのは、空気の温度が露点まで下がったときです。上昇する空気の気温と露点は、どちらがどれくらい速く下がるでしょうか。A cloud forms when the air's temperature has fallen to its dew point. As the air rises, which falls faster, the temperature or the dew point, and by how much?
2. 地上の露点を高くする(空気を湿らせる)と、雲の下端は高くなると思いますか、低くなると思いますか。If you raise the dew point at the ground (make the air more humid), do you think the cloud base will become higher or lower?💡 地上での気温と露点の差が、どう変わるかに注目しましょう。Pay attention to how the difference between the ground temperature and the ground dew point changes.

2動かしてみようTry it

1. 「リセット」を押し、「地上気温」20 ℃、「地上露点」10 ℃ のまま「上昇速度」を 100 m/秒 にして「上昇スタート」を押す。グラフの赤い気温の線と青い露点の線、右の山を上がる空気のかたまりを観察する。Press "Reset", keep "Ground temp." at 20 ℃ and "Ground dew pt." at 10 ℃, set "Rising speed" to 100 m/s, and press "Start rising". Watch the red temperature line and the blue dew point line on the graph, and the air parcel rising up the mountain on the right.
2. 高度 600 m 前後で「一時停止」を押し、上の表示の「高度」「気温」「露点」「湿度(近似)」を記録する。再び「上昇スタート」を押し、雲の下端(破線)を越えたところでもう一度止めて記録する。Press "Pause" at about 600 m and record "Altitude", "Temp.", "Dew point" and "Humidity" shown at the top. Press "Start rising" again, stop once more just after passing the cloud base (dashed line), and record the values.
3. 8000 m まで上昇させ、凝結高度の前後で赤い気温の線の傾きがどう変わるかをグラフで比べる。Let the parcel rise to 8000 m and compare on the graph how the slope of the red temperature line changes below and above the condensation level.
4. 「地上露点」を 14 ℃、18 ℃ と上げ、「雲の下端」の表示(m)とグラフ・山の破線の高さの変化を確かめる。さらに露点を 20 ℃ より上に動かそうとして、地上気温より高くならないことを確認する。Raise "Ground dew pt." to 14 ℃ and 18 ℃ and check how the "Cloud base" readout (m) and the dashed line on the graph and mountain move. Then try to push the dew point above 20 ℃ and confirm it cannot exceed the ground temperature.
5. 「地上露点」を 10 ℃ に戻し、「地上気温」を 30 ℃ に上げて、雲の下端がどう変わるかを調べる。Return "Ground dew pt." to 10 ℃, raise "Ground temp." to 30 ℃, and see how the cloud base changes.

3確かめようCheck

1. 地上気温 20 ℃・地上露点 10 ℃ のとき、雲の下端(凝結高度)は何 m でしたか。そこまでの間、気温と露点はそれぞれ 100 m あたり何 ℃ 下がりましたか。With a ground temperature of 20 ℃ and a ground dew point of 10 ℃, what was the cloud base (condensation level) in meters? Up to that height, by how many ℃ per 100 m did the temperature and the dew point each fall?→ 雲の下端は 1250 m。気温は約 1.0 ℃/100 m、露点は約 0.2 ℃/100 m で下がる(例: 約 600 m で気温 14.0 ℃、露点 8.8 ℃)。差が 100 m ごとに 0.8 ℃ ずつ縮まり、1250 m で両方 7.5 ℃ になって交わる。The cloud base was at 1250 m. The temperature fell by about 1.0 ℃ per 100 m and the dew point by about 0.2 ℃ per 100 m (e.g. at about 600 m, temperature 14.0 ℃ and dew point 8.8 ℃). The gap shrinks by 0.8 ℃ every 100 m, and the two meet at 7.5 ℃ at 1250 m.
2. 凝結高度より上では、気温の下がり方と湿度はどうなりましたか。Above the condensation level, how did the rate of cooling and the humidity change?→ 気温は約 0.6 ℃/100 m とゆるやかに下がるようになり、気温と露点が等しいまま(湿度 100 %)上昇した。8000 m では約 −33 ℃ になった。かたまりの上には雲ができ、成長していった。The temperature started falling more slowly, at about 0.6 ℃ per 100 m, and the temperature and dew point stayed equal (humidity 100 %) as the parcel rose, reaching about −33 ℃ at 8000 m. A cloud formed above the parcel and grew.
3. 地上露点を 10 ℃ → 14 ℃ → 18 ℃ と上げると、雲の下端はどうなりましたか。When you raised the ground dew point from 10 ℃ to 14 ℃ to 18 ℃, what happened to the cloud base?→ 1250 m → 750 m → 250 m と低くなった。地上での気温と露点の差が小さい(湿った空気)ほど、少し上がるだけで露点に達する。露点 20 ℃(気温と同じ)では 0 m になり、それ以上には上げられなかった。It dropped from 1250 m to 750 m to 250 m. The smaller the gap between ground temperature and dew point (the more humid the air), the less the air must rise to reach its dew point. At a dew point of 20 ℃ (equal to the temperature) it became 0 m, and the slider would not go higher.
4. 雲は凝結高度より下にもできましたか。地上気温を 30 ℃ に上げると雲の下端はどうなりましたか。Did any cloud appear below the condensation level? What happened to the cloud base when you raised the ground temperature to 30 ℃?→ 雲は凝結高度(破線)より下には一切できなかった。地上気温 30 ℃・露点 10 ℃ では差が 20 ℃ になり、雲の下端は 2500 m まで高くなった。No cloud appeared below the condensation level (dashed line). With a ground temperature of 30 ℃ and a dew point of 10 ℃, the gap became 20 ℃ and the cloud base rose to 2500 m.

4考えようThink further

1. 上昇する空気のかたまりの気温は、なぜ熱を外に逃がしていないのに下がるのですか。Why does the temperature of a rising air parcel drop even though it does not lose heat to its surroundings?→ 上空ほど気圧が低いので、上昇した空気のかたまりは膨張する。膨張するときに空気は周りを押しのける仕事をしてエネルギーを使うため、熱の出入りがなくても温度が下がる(断熱膨張)。Air pressure is lower higher up, so the rising parcel expands. In expanding, the air does work pushing the surrounding air away and uses up energy, so its temperature falls even with no heat exchange (adiabatic expansion).
2. 雲ができた後に気温の下がり方がゆるやかになるのはなぜですか。また、梅雨の時期に雲の底が低いのはなぜだと考えられますか。Why does the air cool more slowly once a cloud has formed? And why might cloud bases be low during the rainy season?→ 水蒸気が水滴に変わるときに熱(潜熱)を放出し、その熱が膨張による冷え方を一部打ち消すから。梅雨の時期は空気が湿っていて地上の気温と露点の差が小さいため、少し上昇しただけで露点に達し、雲の底が低くなる。When water vapor turns into droplets it releases heat (latent heat), which partly offsets the cooling from expansion. In the rainy season the air is humid, so the gap between ground temperature and dew point is small; the air reaches its dew point after rising only a little, so the cloud base is low.

よくある誤解Common misconceptions

• 「上空が寒いのは太陽から遠いから」「空気は上空の冷たい空気に冷やされる」という誤解。上昇する空気は膨張することで自ら冷える(断熱膨張)。The idea that it is cold high up because it is farther from the Sun, or that rising air is cooled by touching cold air aloft. Rising air cools itself by expanding (adiabatic expansion).
• 「雲は水蒸気でできている」という誤解。水蒸気は目に見えず、雲は露点以下に冷えて凝結した小さな水滴(や氷の粒)の集まりである。The idea that clouds are made of water vapor. Water vapor is invisible; a cloud is a collection of tiny water droplets (or ice crystals) that condensed after the air cooled below its dew point.

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