なぜ上空は寒いのか
子供の頃、大空の高いところは、太陽に近いのに、なぜ温度が低くなるのか理解できませんでした。山の高いところに最初に雪が積もります。地上の低いところよりも高いところのほうが温度が低いというのはなかなか不思議なものです。
暖められた空気は上昇する・上空では急激に冷える
空気は暖められると、上昇気流となって上っていきます。ですから常識的に考えると、暖かい空気が上空にあると考えるのは間違っていません。
ところが、空気の温度を決めるのはもっと複雑な物理の現象なのです。
空気が上昇気流となって上空に上っていくと、圧力が低くなります。その結果、空気は膨張して、体積が大きくなります。
たとえば、圧力が１０分の１の高さまで上昇すると、体積は１０倍になります。体積が１０倍になったということは、今までと同じ体積の空気の塊が１０個できたと考えることができます。全体の空気が持っているエネルギーの総量は変わらないので、１０個に分かれた、それぞれの空気の塊が持つエネルギーは、１０分の１づつになります。
結果的に、上空の空気の薄いところでは、温度が急速に冷えることになります。
冬に天気予報で、「上空にマイナス４０度の冷気が入ってきたので、今夜は冷えます。」などということがあります。このようなとてつもない冷たさは、単純に熱が伝わって発生するのではなく、圧力の変化によって生じる温度変化なのです。
この変化を断熱膨張といい、体積が大きくなると、その結果温度が冷えることになります。このように体積の変化によって生じる温度変化を利用するのがエアコンなどの冷却作用、暖房作用なのです。
このほかにも大きな温度変化の原因になるものは、水が水蒸気になるときの気化熱などがあります。
上空ではどのくらい温度が下がるのか
自然界で起こることは、断熱膨張だけではないので、単純にはいえませんが、通常１００ｍ上がると、０．５度温度が下がるというのが目安になります。地上が０度であれば、４０００ｍでは、マイナス２０度、１００００ｍの上空ともなると、マイナス５０度ということになります。
巻雲（しらす雲）などは、８０００ｍ～１００００ｍの上空に発生しますので、水滴ではなく氷の粒（氷晶）でできているということになります。この氷晶に水蒸気が凝縮してくっついて発達すると、雪の結晶ができるということになります。
