大気の構造と熱収支 ── 問題
基礎
- 地上の気温が 22 ℃ のとき、高度 4000 m の気温は何 ℃ ですか。対流圏の気温減率を 100 m あたり 0.65 ℃ とする。
- 大気の層構造について、大気中で最も気温が低くなる（約 −90 ℃）層はどれですか。 （ア 熱圏 イ 対流圏 ウ 中間圏 エ 成層圏）
- 乾燥空気の組成（体積 %）として正しいものはどれですか。 （ア 窒素 78%・酸素 21%・アルゴン 0.9%・二酸化炭素 0.04% イ 酸素 78%・窒素 21% ウ 窒素 78%・二酸化炭素 21% エ 窒素 50%・酸素 50%）
- 気圧について正しいものはどれですか。 （ア 高度が上がると増える イ どの高度でも一定 ウ その地点より上にある空気の重さによる圧力で、地上で約 1013 hPa。高度が上がると急に減る エ 地上で約 10 hPa）
標準
- 地上（標高 0 m）の気温が 18 ℃、山頂の気温が 13 ℃ であった。気温減率を 100 m あたり 0.5 ℃ とすると、山頂の標高は何 m ですか。
- 太陽定数を 1 kW/m² とする。地球全体が受け取る太陽放射エネルギーを地表全体（球の表面積）で平均すると、1 m² あたり何 W になりますか。
- 地球の熱収支と温室効果について、太陽放射のうち、雲や地表で反射されて宇宙に戻る割合（アルベド）として最も近いものはどれですか。 （ア 約 50% イ 約 70% ウ 約 5% エ 約 30%）
- 地球全体が受け取る太陽放射エネルギーの計算で使う面積として正しいものはどれですか（地球の半径 R）。 （ア 2πR²（半球の表面積） イ 4πR²（表面積） ウ πR²（太陽に向いた断面積） エ 2πR（円周））
- 地表から大気へ熱が移動する方法として適切でないものはどれですか。 （ア 顕熱（伝導・対流） イ 潜熱（水の蒸発） ウ 可視光線の放射 エ 赤外線の放射）
発展
- 熱圏の気温は数百 ℃ 以上になるが、そこにある物体はそれほど熱くならない。その理由はどれですか。 （ア 空気が極めて薄く、分子の数が少ないので伝わる熱の量がごくわずかだから イ オゾンが熱を吸収するから ウ 太陽光が届かないから エ 水蒸気が多いから）
- 湿った空気が山を越えて反対側に吹き下りると、風上側より高温で乾燥する（フェーン現象）。その理由はどれですか。 （ア 山頂で太陽に温められるから イ 上昇時は雲ができて凝結熱が出るため気温の下がり方が小さく（約 0.5 ℃/100 m）、下降時は雲がなく 1 ℃/100 m で暖まるから ウ 下降する空気は圧縮されて冷えるから エ 海からの湿った風が乾くから）
大気の構造と熱収支 ── 解答
基礎
- −4 22 − 0.65 × 4000/100 ＝ −4 ℃。
- ウ 中間圏 対流圏（下がる・気象）→ 成層圏（上がる・オゾン）→ 中間圏（下がる・最低温）→ 熱圏（上がる・オーロラ）。答え：中間圏。
- ア 窒素 78%・酸素 21%・アルゴン 0.9%・二酸化炭素 0.04% CO₂ はごくわずか（約 420 ppm）だが温室効果が大きい。水蒸気は場所により変わるので別扱い。
- ウ その地点より上にある空気の重さによる圧力で、地上で約 1013 hPa。高度が上がると急に減る 約 5.5 km で半分、16 km で 1/10。
標準
- 1000 気温差 18 − 13 ＝ 5 ℃。0.5 ℃ で 100 m なので、5 ÷ 0.5 × 100 ＝ 1000 m。
- 250 受け取るのは断面積 πR² 分、平均するのは表面積 4πR² なので 1/4。1 × 1000 ÷ 4 ＝ 250 W/m²。
- エ 約 30% 太陽放射は可視光線、地球放射は赤外線。約 30% が反射。温室効果ガス（水蒸気・CO₂・メタン・オゾン）が赤外線を吸収・再放射し、平均気温を −18 ℃ から 15 ℃ に上げている。答え：約 30%。
- ウ πR²（太陽に向いた断面積） 平行に来る太陽光を受け止めるのは円盤の面積。表面積で平均すると 1/4 になる。
- ウ 可視光線の放射 地表（約 15 ℃）は赤外線を放射する。可視光線を出すのは太陽のような高温の物体。
発展
- ア 空気が極めて薄く、分子の数が少ないので伝わる熱の量がごくわずかだから 気温は分子の運動の激しさ。分子が少なければ物体に与える熱は小さい。
- イ 上昇時は雲ができて凝結熱が出るため気温の下がり方が小さく（約 0.5 ℃/100 m）、下降時は雲がなく 1 ℃/100 m で暖まるから 乾燥断熱減率（1 ℃/100 m）と湿潤断熱減率（約 0.5 ℃/100 m）の差。
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