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山の上は太陽に近いのに、なぜ寒いの?

山の上は太陽に近いのに、なぜ寒いの?

こたえ:高い場所ほど気圧が低くなるからです。

地球の現在の平均気温は約14℃1。一方、宇宙の温度は−170℃ほどです。冷たい宇宙空間に浮(う)かぶ地球が暖(あたた)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(ちょうじょう)でも、標高(ひょうこう)は約3776m。地球と太陽の距離(きょり)は約15000km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。

地球のまわりは空気(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(そんざい)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来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(ぼうちょう)して比重が小さくなるので、上昇(じょうしょう)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(たいりゅうけん)」でしか成り立ちません。それより高い「成層圏(せいそうけん)」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(じょうしょう)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、おかしの袋(ふくろ)を例に考えると分かりやすいでしょう。袋入りのおかし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。

記事公開:2022年1月

参考資料

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

監修者:大山光晴

1957年東京都生まれ。東京工業大学大学院修士課程修了。高等学校の物理教諭、千葉県教育委員会指導主事、千葉県立長生高等学校校長等を経て、現在、秀明大学学校教師学部教授として「理数探究」や「総合的な学習の時間」の指導方法について講義・演習を担当している。科学実験教室やテレビの実験番組等への出演も多数。千葉市科学館プロジェクト・アドバイザー、日本物理教育学会常務理事、日本科学教育学会及び日本理科教育学会会員、月刊『理科の教育』編集委員等も務める。

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