Why is it so cold on top of the mountain when it is so close to the sun?

こたえ:高い場所ほど気圧が低くなるからです。
地球の平均気温は約14℃1)。一方、宇宙の温度は-170℃ほどです。冷たい宇宙空間に浮かぶ地球が暖かいのは、主に、太陽からエネルギーをもらっているおかげです。そのため、太陽に近い山の上が、ふもとより寒いのは、不思議に思えるかもしれません。
けれども、日本でもっとも高い富士山の頂上でも、標高は約3776m。地球と太陽の距離は約1億5000万kmですから、約4km近づいたところで大きなちがいにはなりません。つまり、山の上が寒いのは、太陽との距離とは関係がないのです。
では、山の高い場所ほど寒くなるのは、なぜでしょうか。それは、圧力(気圧)が下がるからです。
地球の周りは空気(大気)におおわれていますが、上空に行くほど、それより上に存在する空気の量が少ないため、気圧が低くなります(関連記事「山に登るとどうして空気がうすくなるの?」)。空気には、圧力が下がると温度も低下する性質があるので、地球全体で見ると標高の高い場所ほど気温が低くなるというわけです。一般に、標高が100m上がるにつれて気温は0.6℃下がる、とされています※1。
ここで、太陽のエネルギーによって空気の温度がどう変化するか、追いかけてみましょう。
太陽から地球へやってきたエネルギーのうち約30%は反射され、残りの約70%が地表へたどり着きます2)。地表まで届いたエネルギーを吸収すると、その場所の地面は温まり、さらに地面に接している空気の温度も上がります。温められた空気は膨張して比重が小さくなるので、上昇していきます。上昇するにつれ気圧が低くなるため、こんどは空気の体積が大きくなり、温度が下がるのです。
※1 ただし、この法則は標高が約10kmまでの「対流圏」でしか成り立ちません。それより高い「成層圏」には、太陽の光を直接吸収してエネルギーを得ている「オゾン層」があるため、低い場所より温度が上昇することもあります。
※2 地球の表面の状態はさまざまで、太陽のエネルギーを反射する割合(アルベド)も場所や季節によって変わります。たとえば、太陽高度が高いときの海面は8~10%、草地は15~25%、砂漠は20~45%が宇宙へ反射されます。雪氷域でも、新しい雪が積もったときは75~90%、湿った雪が積もっているときは40~60%と変化します。
空気の圧力が下がると温度も低下するのは、お菓子の袋を例に考えると分かりやすいでしょう。袋入りのお菓子を持って山を登ると、頂上では袋がぱんぱんにふくらみます。このように、空気が上昇して気圧の低い所へ動くと、空気は膨張します。膨張するということは、空気が持っていたエネルギーを使った結果なので、火などで空気を温めるしかけがない限り、空気の温度が下がってしまうのです。
Article published: January 2022
reference data
1)環境省「温室効果のメカニズム」:https://www.env.go.jp/earth/ondanka/stop2008/06-07.pdf
2)日本財団図書館「アルベドの季節変化」:
https://nippon.zaidan.info/seikabutsu/1999/00862/contents/029.htm
Supervisor: Mitsuharu Oyama

Born in Tokyo in 1957. Completed a master's degree at Tokyo Institute of Technology. After working as a physics teacher at a high school, a chief instructor at Chiba Prefectural Board of Education, and principal of Chiba Prefectural Chousei High School, he is currently a professor at Shumei University School Teachers' College, where he teaches lectures and exercises on teaching methods for "Science and Mathematics Exploration" and "Integrated Learning Time". He has appeared in many science experiment classes and TV experiment programs. He is also a project advisor for the Chiba City Science Museum, an executive director of the Japanese Society of Physics Education, a member of the Japanese Society for Science Education and the Japanese Society for Science Education, and a member of the editorial board of the monthly magazine "Science Education.









