【中学受験理科】天気の変化を図解で総まとめ—気温 湿度 雲 前線 日本の四季の天気｜武蔵野個別指導塾

気温の折れ線グラフ、湿度と結露の計算、前線の断面図を手がかりに、雲や雨ができる理由を順にたどります。日本の四季と台風も、空気の動きから説明できるように学びましょう。

よくあるのは、図書館の机で天気の問題を開き、「晴れている昼なのに、どうして湿度は朝より低いのだろう」と手が止まる場面です。空気中の水蒸気が減ったと考えて答えようとすると、問題文には「水蒸気の量は変わらない」とあります。湿度という言葉を、水蒸気そのものの量だと思っていると、この条件が矛盾して見えてしまいます。

天気の学習では、気温、湿度、雲、前線を別々に覚えるだけでは、理由を問われたときにつながりません。気温によって空気中に含むことのできる水蒸気の量が変わり、空気が冷やされると水滴ができるという順序を押さえると、朝の結露も山の雲も同じ考え方で説明できます。さらに、どの空気がどちらへ動くかを見ることで、前線の雨や季節ごとの天気も整理できます。

お子さまと確認するときは、最初から天気図の記号をすべて覚えようとせず、「温度」「水蒸気の量」「空気の動き」のどれについて尋ねられているかを分けてみてください。計算も記述も、その見分けから始まります。

この単元で身につけること

• 気温の変化を時刻と結びつけます。晴れた日は日光が地面を温め、地面が空気を温めるため、太陽が最も高くなる時刻と気温が最高になる時刻にはずれがあります。
• 湿度を割合として求めます。実際の水蒸気量を、その気温での飽和水蒸気量と比べ、同じ体積の空気どうしで計算します。
• 雲のでき方を順序立てて説明します。空気の上昇、膨張、温度の低下、水蒸気が水滴になる変化を一続きにします。
• 前線の種類を空気の動きから区別します。寒気が進む場合と暖気が進む場合について、雲の広がり方や雨の降り方を対応させます。
• 日本の四季の天気を風と結びつけます。季節風が海や山を通ること、梅雨の前線が停滞すること、台風が暖かい海で発達することを押さえます。

これまでに学んだ水の蒸発や、日なたと日かげの地面の温度の違いが、この単元の土台になります。言葉を説明できても表から数を選べない場合は、表の見出しと単位を読む練習まで戻ると、計算の意味がはっきりします。

基本の考え方

気温は日光の強さだけで決まらない

気温は空気の温度です。温度計に日光を直接当てると、温度計自身が温められ、周囲の空気の温度を正しく測れなくなります。気温を比べるには、直射日光や雨を避け、風通しのよい条件にそろえる必要があります。地面の近くは地面の温度の影響を強く受けるので、測る高さもそろえます。百葉箱は、白く塗ることで日光による加熱を抑え、よろい戸で通風を確保しながら、日光や雨を避けるつくりです。

晴れた日の朝、太陽が昇ると日光が地面を温めます。地面から空気へ熱が伝わるので、気温は地面の温度の変化に少し遅れて上がります。正午ごろに太陽が最も高くなっても、その瞬間に地面が冷え始めるとは限りません。受け取る熱が失う熱より多い間は、地面や空気は引き続き温まります。そのため、晴れて天気が安定した日の最高気温は午後2時ごろに現れやすいのです。

夜は日光が届かず、地面が熱を失い、その近くの空気も冷えていきます。最低気温は日の出ごろに現れやすくなります。ただし、午後2時が必ず最高になるわけではありません。途中で雨が降る、冷たい空気が流れ込む、風が強くなるといった条件によって、最高や最低の時刻は変わります。問題に観測表があるときは、一般的な傾向より、その表の値を優先してください。

図1のように、横軸を時刻、縦軸を気温にすると、何時から何時まで上がったかを読み取れます。ここに示すのは後の例題で使う観測値で、折れ線は観測した点を結んだものです。点と点の間の温度を、細かく測った結果だとは考えません。

くもりや雨の日は、地面に届く日光が少なく、日中の気温が上がりにくくなります。また、夜に雲があると地面は冷えにくくなります。そのため、晴れた日と比べて1日の気温差が小さくなる傾向があります。天気と気温の関係を書くときは、「晴れだからいつでも高温」とせず、昼と夜を分けて説明しましょう。

湿度は水蒸気量を上限と比べた割合

水蒸気は気体の水で、目には見えません。やかんから少し離れたところに見える白い湯気は、小さな水滴です。雲も水蒸気そのものではなく、細かい水滴や氷の粒が集まったものです。「見えない水蒸気」と「見える水滴」を分けることが、湿度と雲の両方の出発点です。

ある気温で、一定の体積の空気中に含むことのできる水蒸気の最大量を、飽和水蒸気量といいます。気温が高いほど飽和水蒸気量は大きくなります。空気を入れ物、水蒸気を中身に見立てると理解しやすくなりますが、実際に空気の中に箱があるわけではありません。比べているのは、その温度で水蒸気の状態のまま存在できる量です。

湿度は、実際の水蒸気量が飽和水蒸気量の何％かを表します。どちらも同じ体積の空気についての量を使い、「湿度＝実際の水蒸気量÷その気温の飽和水蒸気量×100」で求めます。逆に、湿度と飽和水蒸気量がわかるときは、「実際の水蒸気量＝飽和水蒸気量×湿度÷100」です。計算に使う飽和水蒸気量は、問題の表から読み取ります。

水蒸気量が同じなら、気温が上がると分母の飽和水蒸気量が増えるため、湿度は下がります。気温が下がると分母が小さくなるため、湿度は上がります。晴れた日の昼に湿度が下がっても、それだけで水蒸気が減ったとはいえません。また、湿度が同じ2つの空気でも、気温が違えば水蒸気量が違うことがあります。

空気を冷やしていき、湿度が100％に達して水滴ができ始める温度を露点といいます。さらに冷やすと、水蒸気のままでは含みきれない分が水滴になります。この変化を凝結といいます。窓ガラスに結露ができるのは、ガラスに触れた空気が冷やされ、水蒸気の一部が水滴になるためです。水蒸気がガラスを通り抜けて来たのではありません。

雲と前線を空気の動きでつなぐ

地面で温められた空気は上昇しやすくなります。山の斜面に沿って押し上げられる場合や、暖かい空気が冷たい空気の上に押し上げられる場合もあります。上空ほど気圧が低いため、上昇した空気は膨張し、温度が下がります。露点に達すると、水蒸気がちりなどを核として細かい水滴になります。上空が十分に冷たければ氷の粒もでき、雲をつくります。

雲ができたからといって、必ず地上に雨が届くわけではありません。雲の粒は初めはとても小さく、空気の動きに支えられています。水滴や氷の粒が成長し、落下するようになると雨や雪につながります。落ちる途中で蒸発してしまう場合もあるので、「雲がある」と「雨が降る」は同じ状態ではありません。

性質の違う空気のかたまりが接した境の面を前線面、その面が地表と交わる線を前線といいます。寒気と暖気は単に混ざり合うのではなく、暖気が寒気の上にのるような位置関係になります。寒冷前線でも温暖前線でも、主に上昇するのは暖気です。どちらの前線かは、「どちらの空気が前進しているか」で決めます。

寒冷前線では、寒気が暖気の下にもぐり込むように進み、暖気を押し上げます。前線面の傾きは比較的急で、積乱雲などが発達しやすく、狭い範囲に強い雨が短時間降るのが代表的な特徴です。温暖前線では、暖気が寒気の上をはい上がるように進みます。前線面の傾きは緩やかで、乱層雲などが広がり、広い範囲で比較的弱い雨が長く続きやすくなります。これらは典型的な傾向であり、雨の強さだけで前線を決めず、問題にある空気の動きも確かめます。

例題で解き方を確かめる

例題1　気温を正しく測る条件を選ぶ

気温を比べるため、同じ高さに温度計を置きます。Aは日光が直接当たる場所、Bは日光が直接当たらず風通しのよい場所、Cはふたを閉じた透明な箱の中です。最も適切な場所を選び、その理由を説明しましょう。

1. 測りたいものを確認します。知りたいのは空気の温度なので、温度計自身だけが余分に温まる条件は避けます。
2. 日光の当たり方を比べます。Aは温度計が日光で温められるため、周囲の空気の温度より高い値を示すおそれがあります。
3. 空気の入れ替わりを比べます。Cは箱の中の空気が外の空気と入れ替わりにくく、周囲と同じ温度とは限りません。Bなら日光を避けながら周囲の空気に触れられます。

「日かげだから」という理由だけで終えず、風通しも添えると、測定条件がそろっていることを説明できます。同じ器具でも、置き方が違えば比べられない値になる点に注意しましょう。

答え：B。直射日光を避け、風通しのよい場所で周囲の空気の温度を測れるためです。

例題2　観測表から最高気温と気温差を読む

ある晴れた日に、次の気温を測りました。観測した中で気温が最も高かった時刻と、最高の値と最低の値の差を求めましょう。また、12時から14時にかけて気温が上がった理由を説明しましょう。

1. 気温の行から最大と最小の数を探します。最大は25 ℃、最小は12 ℃なので、時刻の行に戻って14時と6時を対応させます。
2. 高い方から低い方を引きます。25−12＝13なので、観測値の気温差は13 ℃です。時刻の差を引かないよう、求める量の単位を見ます。
3. 気温の上昇を熱の出入りで考えます。正午を過ぎても地面が受け取る熱が失う熱より多い間は地面が温まり、その熱で空気も温まるためです。

図1の頂点と表の25 ℃が対応していることも確かめてください。この表に夜中の値はないので、13 ℃を観測していない時間まで含めた厳密な1日の気温差と断定しないことも、資料を読む練習になります。

答え：14時、13 ℃。正午を過ぎても地面が温まり続け、その熱で空気が温められるためです。

例題3　湿度と冷やしたときの水滴の量を求める

体積を1 m3として扱う空気に、水蒸気が12.0 g含まれています。問題で用いる飽和水蒸気量を、20 ℃では17.3 g、10 ℃では9.4 gとします。20 ℃での湿度を小数第1位を四捨五入して整数で求めましょう。また、10 ℃まで冷やしたときにできる水滴は何gですか。冷却による体積変化は考えず、水の出入りはなく、水滴は再び蒸発しないものとします。

1. 20 ℃での上限を選びます。今の気温は20 ℃なので、湿度の分母は17.3 gです。冷やした後の9.4 gをここで使わないようにします。
2. 実際の量を上限で割ります。12.0÷17.3×100＝69.36…となり、指定どおり丸めて69％です。まだ上限に達していないので、20 ℃では水滴はできていません。
3. 10 ℃で水蒸気のまま残れる量を選びます。10 ℃の上限は9.4 gなので、12.0 g全部が水蒸気のままでいることはできません。
4. 初めの量から残れる量を引きます。12.0−9.4＝2.6 gが水滴になります。冷却後は水蒸気9.4 gと水滴2.6 gを合わせると、初めの12.0 gになります。

図2のように、青い棒を実際の水蒸気、薄い色を上限までの余裕、赤い棒をできた水滴として見ると、「割合」と「差」を使い分けられます。上下の棒は同じ縮尺で、横の長さは水の重さに対応します。下段の赤い部分は空気中に残る水蒸気には含めません。

10 ℃で12.0÷9.4×100と計算して、湿度128％を最終的な答えにするのは、この問題では誤りです。余分な水蒸気が凝結した後を尋ねているため、水蒸気は上限の9.4 gになり、湿度は100％として扱います。

答え：20 ℃での湿度は69％、10 ℃まで冷やしてできる水滴は2.6 gです。

例題4　寒冷前線で雨が降る理由を書く

寒気が暖気の方へ進み、前線付近に背の高い雲が発達しました。雲ができるまでを、「暖気」「上昇」「水蒸気」の3語を用いて説明しましょう。

1. 前進している空気を確認します。寒気が進んでいるので寒冷前線です。寒気が上にのると取り違えず、寒気の下からの押し上げを考えます。
2. 暖気が上昇した後の変化をつなぎます。上空は気圧が低いため、暖気は膨張して温度が下がります。上昇と雲のでき方の間に、冷却を入れる必要があります。
3. 水蒸気が何に変わるかを書きます。露点に達すると、水蒸気が細かい水滴などになり、雲をつくります。「水蒸気が集まる」だけでは状態の変化が説明できません。

指定語を入れるだけでなく、文の中に原因と結果の順序があるかを読み返してください。雲が発達することと、雨粒が育って落ちることを分けると、説明を余分に長くせずに済みます。

答え：寒気に押し上げられた暖気が上昇し、膨張して冷え、含まれていた水蒸気が水滴などになるためです。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　湿度が高ければ水蒸気も必ず多い

誤った書き方：「湿度80％の空気は、湿度60％の空気より必ず水蒸気が多い」です。どこが違うかというと、湿度の分母である飽和水蒸気量が、気温によって変わる点を無視しています。違う大きさの容器の80％と60％を比べても、中身の量の大小が決まらないことと似ています。

正しい書き方は、「同じ気温なら、同じ体積の空気に含まれる水蒸気量は湿度が高い方が多い」です。気温が異なるなら、それぞれの飽和水蒸気量に湿度を掛けて実際の量に戻します。計算を始める前に、問題文の気温と空気の体積に線を引くと、条件の見落としを減らせます。

誤り2　寒冷前線では冷たい空気が上昇する

誤った書き方：「寒冷前線では寒気が上昇して雲ができる」です。どこが違うかというと、前線の名前を上昇する空気の名前だと思っている点です。前線名は前進する空気に対応し、寒冷前線でも温暖前線でも、暖気が寒気の上に上がります。

正しい書き方は、「寒冷前線では進んできた寒気が暖気を押し上げる」です。図3のように、地表付近の寒気の進行と、暖気の上昇を別の矢印で追ってください。左側が寒冷前線、右側が温暖前線の断面です。実際の前線面はとても緩やかなので、図では違いが見えるように縦方向を強調しています。

図3の左右は、ともに前線が右へ進む場合を描いています。温暖前線では、暖気が右側の寒気の上をはい上がります。前線が通過すると一般に気温が上がり、寒冷前線が通過すると一般に気温が下がります。図を左右逆にした問題でも、暗記した絵の向きではなく、寒気と暖気の位置と進行方向で判断しましょう。

誤り3　冬の季節風は日本中に同じ雪を降らせる

誤った書き方：「冬の北西の季節風で、日本海側も太平洋側も同じように雪が降る」です。どこが違うかというと、空気が海と山を通る間の変化が抜けています。冬に大陸から来る空気は冷たく乾燥していますが、日本海を渡ると水蒸気の補給を受けます。

正しい書き方は、「冬の季節風は日本海から水蒸気を受け取り、山地に沿って上昇して日本海側に雪を降らせやすく、山を越えた太平洋側では乾いた晴天をもたらしやすい」です。山の風上側と風下側を分けるのが要点です。太平洋側にも低気圧などによって雪が降ることはあるので、季節風による典型的な天気と、あらゆる日の天気を混同しないようにします。

四季の天気を同じ空気の動きで整理する

春と秋は、移動性高気圧と低気圧が交互に日本付近を通り、数日ごとに天気が変わることが多くなります。日本付近の上空には西から東へ吹く偏西風があり、多くの高気圧や低気圧も西から東へ移動します。高気圧では空気が下降して雲ができにくく、低気圧では空気が集まって上昇し、雲ができやすくなります。「西の空がくもれば必ず雨」という断定ではなく、天気の移り変わりの大きな傾向として使います。

梅雨の時期には、冷たく湿った空気と暖かく湿った空気が日本付近で接し、前線が同じ地域にとどまりやすくなります。こうした停滞前線によって、くもりや雨の日が続きます。前線が停滞するのは、暖気と寒気の勢力がつり合い、前線が大きく進みにくいためです。「停滞しているから雨が弱い」とは限らず、暖かく湿った空気が流れ込めば強い雨にもつながります。秋にも秋雨前線による長雨があります。

夏は太平洋高気圧に覆われると晴れて暑くなります。太平洋からの南東寄りの季節風は、暖かく湿った空気を運びます。強い日差しで地面が温まると、上昇気流が強くなって積乱雲が発達し、にわか雨や雷が起こることがあります。広い範囲を高気圧に覆われていても、局地的に積乱雲ができる点を覚えておきましょう。

台風は暖かい海の上で発達した熱帯低気圧のうち、中心付近の最大風速が一定の基準に達したものです。暖かい海から供給される水蒸気が、発達を支えます。日本付近では中心に向かって反時計回りに風が吹き込み、発達した雲が強い雨をもたらします。台風そのものは温帯低気圧と違って前線を伴わず、移動経路もいつも西から東への一直線ではありません。進路の途中で向きを変える場合もあります。

冬は大陸側の高気圧と日本の東側の低気圧による「西高東低」の気圧配置が典型です。地上の風は気圧の高い側から低い側へ向かう動きを持ちますが、日本付近では地球の自転の影響で曲がります。その結果、冬は北西の季節風が吹きやすくなります。風向は風が吹いて来る方角なので、北西の風は北西から南東へ向かう風です。風向と進む向きを逆にしないことが、天気図の読み取りにも役立ちます。

練習問題

練習1

晴れて天気が安定した日の最高気温は、正午ちょうどより午後に現れやすくなります。その理由を、地面と空気の温まり方を使って説明しましょう。「太陽が高いから」だけで終えず、正午を過ぎた後のことも書いてください。

練習2

次の表は、同じ体積の空気についての飽和水蒸気量です。20 ℃で湿度60％の空気に含まれる水蒸気は何gですか。また、体積変化を考えずに10 ℃まで冷やすと、水滴は何gできますか。表の値をそのまま使い、水の出入りはないものとします。

練習3

寒気の上を暖気が緩やかにはい上がり、広い範囲で雨が長く続きました。この前線の名前と、通過後の気温が一般にどう変わるかを答えましょう。雨の降り方だけでなく、どちらの空気が進むかも手がかりにします。

練習4

冬の北西の季節風によって、日本海側では雪が降りやすく、太平洋側では晴れやすくなる理由を、「日本海」「上昇」の2語を使って説明しましょう。また、北西の風が向かう方角も答えましょう。

答えと解説

練習1の答え：正午を過ぎても地面が受け取る熱が失う熱より多い間は地面が温まり、その熱で空気が温められるためです。太陽の高さが最大になる時刻と、気温が最大になる時刻を分けて説明します。

練習2の答え：水蒸気は10.38 g、水滴は0.98 gです。20 ℃での実際の水蒸気量は17.3×60÷100＝10.38 gです。10 ℃では9.4 gしか水蒸気のまま残れないので、10.38−9.4＝0.98 gが水滴になります。初めの17.3 gから引くと、もともと含まれていなかった水まで数えることになります。

練習3の答え：温暖前線で、通過後は一般に気温が上がります。暖気が進んで寒気の上をはい上がり、地表でも寒気に覆われていた場所が暖気に覆われるためです。どちらの前線でも上昇する暖気に注目すると、前線名との取り違えを防げます。

練習4の答え：季節風が日本海で水蒸気を受け取り、山に沿って上昇して日本海側で雪を降らせ、山を越えた太平洋側では乾いた空気になるためです。風が向かう方角は南東です。水蒸気の補給と山での上昇を両方入れると、場所によって天気が異なる理由まで伝わります。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

空気の上昇と膨張は、気圧の学習につながります。雨が地表を流れることは川のはたらきに、季節による日光の違いは太陽の動きにつながります。天気を学ぶと、空の現象を地面や水の動きと結びつけられるようになります。

家庭で5分ほど使うなら、1つ目は図1の読み取りです。保護者の方が時刻を1つ選び、お子さまに気温を答えてもらい、次に気温から時刻を探してもらいます。22 ℃と23 ℃の違いを目盛りから読めるか、横軸と縦軸を逆にしていないかを確かめます。観測値の間については、正確な値が測られているわけではないことも話してみましょう。

2つ目は、保護者の方が用意した割れにくい透明なコップに冷たい水を入れ、外側を拭いてから室内で観察する方法です。下に受け皿を置き、周囲の空気中の水蒸気が冷やされて水滴になるかを見ます。室内が乾燥していると水滴がつきにくい場合もあります。熱湯や火は使わず、外側の水滴を「中の水がしみ出した」と説明していないかを確かめてください。

個別指導では、湿度の式を忘れたのか、％の意味があいまいなのか、表の温度を読み違えたのかまで分けて確認します。必要なら100％を「その気温での上限いっぱい」と読むところへ戻り、実際の量と上限を別々に書き出します。

まとめ

図書館の机で「水蒸気が減らないのに湿度が下がる」と迷ったら、実際の量と、その気温での上限を2本の棒にしてみてください。前線の問題で迷ったら、冷たい空気の位置と、暖かい空気が上がる向きを描いてみます。式や用語を選ぶ前に、何が変わり、何が変わらないかを置くと、答えの理由が見えてきます。

晴れ、雨、雪という名前だけでは、天気の変化は説明しきれません。雨の理由は、地上の水が見えない水蒸気になり、冷えて再び水滴になる道筋の中にあります。