2019年女子学院の問題です。
テレビの天気予報を見ていると、「大気の状態が不安定のため、急な雷雨に注意して下さい」といった言葉をよく耳にする。
「大気の状態が不安定」とはどのような状態なのだろうか。
熱気球からわかるように、周りよりもあたたかい空気は自然に上昇する。上昇した空気は、周囲の空気の温度と関係なく温度が下がり（空気は上昇すると膨張して温度が下がる）、空気中の水蒸気は水滴や氷の粒に姿を変え雲となり、成長した水滴や氷の粒は雨として落下する。「大気の状態が不安定」とは、空気が自然に上昇しやすい状態をいう。では、どのようなとき、「自然に上昇しやすい、周りよりもあたたかい空気」は生じるのだろうか。
高い山に登ると肌寒く感じるように、大気下層（高度約11km付近まで）の気温は高度が高くなるにつれ、低くなっていく。下図は日本のある地点のある日（A、B、C）の気温の分布を示したものである。それぞれの日、高度Okmにある空気を風船に入れて高度1kmまで持ち上げたあと、風船がどのように動くか調べてみた。また、風船の中の空気の温度を測ると、周囲の空気の温度と関係なく100ｍ持ち上げるたびに1℃ずつ温度が下がっていった。ただし、この風船は自由に伸び縮みし、その重さは無視できるものとする。また、いずれの日も高度1kmまでの範囲では雲は発生しなかった。
1 次の文章中の［１］に入る温度を求め［２］、［３］に入ることばを下の選択肢から選びなさい。
Aの日、0kmにある21℃の空気が入った風船を1kmまで持ち上げた。このとき、風船の中の空気の温度は［１］となり、
周囲の空気の温度［２］ため、この風船は［３］。
２（ア より高くなる イ と同じになる ウ より低くなる）
３（ア 自然に上昇する イ その場にとどまる ウ 自然に落ちる）
2 次の文章中の［４］～［８］に入ることばを下の選択肢から選びなさい。
Bは日射の強い日だった。この日、Okmにある30℃の空気が入った風船を1kmまで持ち上げた。このとき、風船の中の空気の温度は、周囲の空気の温度［４］ため、この風船は［５］。
Bの日のOkmと1kmでの気温差は、Aの日［６］。Bの日のような気温分布となるのは、強い日射であたためられた地表面によって地表付近の空気が［７］ためである。このようなとき、地表付近のあたたかい空気は持ち上がると［８］なりやすい。
４（ア より高くなる イ と同じになる ウ より低くなる）
５（ア 自然に上昇する イ その場にとどまる ウ 自然に落ちる）
６（ア より大きい イ と同じである ウ より小さい）
７ ア よくあたためられ、空気は熱を伝えやすいので、上空の空気も地表付近と同じようにあたためられる
イ よくあたためられるが、空気は熱を伝えにくいので、上空の空気は地表付近ほどあたためられない
８ ア 温度が下がり、周囲の空気より温度が低く
イ 温度が下がるが、周囲の空気より温度が高く
3 次の文章中の［９］～［11］に入ることばを下の選択肢から選びなさい。
Cは、天気予報でよく耳にする「上空に強い寒気が入ってきた」日だった。この日、Okmにある13.5℃の空気が入った風船を1kmまで持ち上げた。このとき、この風船は［９］。
Cの日のような気温分布となるのは、上空に強い寒気が［10］ためである。このようなとき、地表付近のつめたい空気は持ち上がると［11］なりやすい。
９（ア 自然に上昇する イ その劇ことどまる ウ 自然に落ちる）
10 ア 入ってきて、空気は熱を伝えやすいので、地表付近の空気も上空と同じようにつめたくなる
イ 入ってきても、空気は熱を伝えにくいので、地表付近の空気は上空ほどつめたくならない
11 ア 温度が下がり、周囲の空気より温度が低く
イ 温度が下がるが、周囲の空気より温度が高く
4 次の文中の［12］に入ることばを15字程度で答えなさい。
以上をまとめると、空気が自然に上昇しやすいのは、［12］が大きくなっているときである。このような大気の状態を不安定という。
【解説と解答】
１ 21℃から1000mまでいくと10℃下がるので11℃。周囲の気温は14.5℃だからより低くなるので、自然に落ちることになります。
（答え） ［１］11.0［２］ ウ［３］ウ
２ 30℃で1000mまで行くと20℃になり、周囲の温度よりも高くなるので、この風船は上昇します。Aの日の0kmと1km納佐は6.5℃、Bの日は11.5℃になるから、Aの日が大きくなります。Bの日はより地面が温められているが、上空の空気はあまりあたためられない。だから地表付近のあたたかい空気は持ち上がると温度が下がるが、周囲の空気よりは温度が高くなりやすい。
（答え）［４］ア［５］ ア［６］ア［７］ イ［８］ イ
３ 上空に強い寒気がはいってくると、周りの空気の方が冷えるので、自然に上昇します。上空に強い寒気が入ってきても空気は熱を伝えにくいので、地表付近の空気は上空ほど冷たくはなりません。したがって温度は下がるが、周囲の空気より温度が高くなりやすいのです。
（答え）［９］ ア［10］ イ［11］ イ
４ 空気が自然に上昇しやすいのは地表付近と上空の空気の温度差が大きくなっているときで、この状態を大気の状態が不安定である、と言います。
（答え）地表付近と上空の空気の温度差
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