オーストラリアの 大学が のせている じっけんが あります。ボトルの 中に くうきを たくさん おしこんで、せんを いっきに はずします。すると、ボトルの 中に くもが うかびます。

はずした しゅんかん、おしこまれて いた くうきが ふくらみます。ふくらんだ くうきは、おんどが さがります。すると、くうきの 中の 水蒸気すいじょうきが、ちいさな 水の つぶに かわって、くもに なります。

ただし、くうきが ふくらんで つめたく なるだけでは、くもは できません。水の つぶは、ほこりや けむりの ような、うかんでいる ちいさな ものを まわりに あつめて できます。ボトルの 中に ほこりが ぜんぜん なければ、くもは できにくく なります。

日本の 自由研究けんきゅうの 本には、アルコールの スプレーを つかう れいも あります。この ときに できるのは、水では なく アルコールの くもです。それでも、ふくらんで つめたく なる という しくみは おなじです。

オーストラリア国立大学が公開している実験では、ボトルに空気を押し込んで圧力を高め、栓を一気に外します。すると、ボトルの中にうっすらと雲が現れます［6］。

栓が外れた瞬間、閉じこめられていた空気が一気に膨張します。膨張した空気は温度が下がり、冷えた空気に含みきれなくなった水蒸気すいじょうきが、小さな水の粒になります。これが雲の正体です［6］。

ただし、冷えるだけでは粒はできません。水滴ができるには、ほこり、煙、海の塩の粒といった、空中に浮かぶ小さな固体が核として必要です。凝結の核になるこれらの粒がなければ、水蒸気は水になりにくいのです［6］。

日本の自由研究けんきゅうの紹介記事には、アルコールスプレーを使う方法があります。できるのは水ではなく「アルコールの雲」ですが、原理は同じと説明されています。圧縮のとき温度が少し上がり、解放すると下がるようすを、温度計で測る例もあります［2］。

ボトルの中でできる雲は、空の雲とどこまで同じなのでしょうか。

オーストラリア国立大学の公開実験では、ボトルに空気を押し込んで内圧を高め、栓を一気に外す。解放と同時に中の空気が膨張して温度が急に下がり、含みきれなくなった水蒸気が小さな水滴になって、ボトルの中に雲が見える［6］。

ただし、温度が下がることだけでは雲粒はできない。水滴は、ほこり・煙・海塩の粒のような、空中に浮かぶ固体の粒子（凝結核）の表面にできるためである。だから、粒子の少ない環境では、冷えても水蒸気が水滴に変わりにくい［6］。

日本の自由研究の紹介記事には、アルコールスプレーを使う変形が載っている。この場合に現れるのは水ではなくアルコールの雲だが、「空気が膨張して温度が下がり、気体が小さな液体の粒になる」という原理は同じとされる。圧縮時に温度がわずかに上がり、解放時に下がることを温度計で測る例も紹介されている［2］。

では、同じ現象は空でも起きているのか。空気を押しこんだわけでもないのに、空の空気はどうやって膨張するのか。

空の 上の ほうは、気圧きあつが ひくく なります。くうきの かたまりが 上に もちあげられると、まわりから おされる 力が へって、ふくらみます。ふくらんだ くうきは、ボトルの ときと おなじで、つめたく なります。

気象きしょう庁ちょうの きょうざいには、のぼった くうきは 100mで 1℃ほど つめたく なる、と あります。1000m 上に のぼれば、おおよそ 10℃ さがる けいさんです。つめたく なった くうきの 中で 水蒸気すいじょうきが 水や 氷の つぶに なると、くもが できます。

くもの つぶは、とても ちいさい ものです。はんけいが 0.001mmから 0.01mmほどで、雨の つぶよりも ずっと ちいさいと いわれます。

この 1℃は、かわいた くうきの ばあいです。くもが できはじめた あとは、つめたく なる わりあいが かわります。つぎの 話は、そこから はじまります。

上空は気圧が低く、地上の空気のかたまりが持ち上げられると、まわりから押される力が小さくなってふくらみます。ふくらんだ空気は温度が下がります［2］。

気象庁仙台管区気象台の教材によると、持ち上げられた空気は100mで約1℃冷えます。冷えた空気の中で水蒸気が水や氷の粒になると、雲ができます［1］。1000m持ち上がれば、単純に計算して約10℃下がる見当です。

この「100mで約1℃」は、乾いた空気の値で、乾燥断熱減率と呼ばれます。外から熱が出入りしなくても、膨張しただけで温度が下がるのがこの値の前提です［3］。

できた雲の粒は、半径が0.001〜0.01mmほどです。雨粒は半径0.1mmから大きいもので8mmほどなので、雲の粒は雨粒よりはるかに小さい世界です［2］。小さいから、雲は落ちずに空に浮かんで見えます。

ところで、雲ができたあとの空気は、同じ割合で冷え続けるのでしょうか。

上空は気圧が低い。地上の空気塊が上昇気流で持ち上げられると、周囲から受ける圧力が下がるので体積が増え、温度が下がる［2］。気象庁仙台管区気象台の教材は、持ち上げられた空気が100mで約1℃冷え、水蒸気が水や氷の粒になると雲ができると説明する［1］。

この約1℃/100m（約9.8℃/km）は、水蒸気が凝結していない乾いた空気に当てはまる値で、乾燥断熱減率という。「断熱」とは、外部と熱のやり取りがない状態を指す。つまり、この値は熱をもらったり逃がしたりしなくても、膨張しただけで温度が下がることを前提にしている［3］。1000m上昇すれば、単純計算で約10℃の低下になる。

雲粒は半径0.001〜0.01mm程度で、雨粒（半径0.1〜8mm）よりはるかに小さい。粒が軽いほど落下は遅くなるので、雲は空に浮かんで見える。ただし、ここで落下の速さまで述べているのは筆者の説明であり、資料が直接示した値ではない［2］。

ところが、雲が生まれると、この冷え方は変わる。次の章で見るように、その変化が山の風下の町を暑くする。

雲が できている くうきは、のぼる とき、100mで 0.5℃ほどしか つめたく なりません。かわいた くうきの 1℃より、ゆっくりです。くもの つぶが できる ときに あたたかさが でる ためと、せつめいされる ことが おおいです。

山の 風上がわで、しめった くうきが のぼって 雨を ふらせます。その あと、山の むこうがわを ふきおりる ときは、雨で 水が なくなった かわいた くうきです。かわいた くうきは、おりる とき 100mで 1℃ずつ あつく なります。

のぼりで 0.5℃ずつ さがって、おりで 1℃ずつ あがります。1000m のぼって おりる けいさんを すると、のぼりで 5℃ さがり、おりで 10℃ あがります。さしひき 5℃ あつく なる ことに なります。神戸市の せつめいでは、25℃の くうきが 30℃に なる れいが あります。

これが「フェーン」と いわれる ものです。ただし、この 5℃は 1つの れいの けいさんで、いつも この とおりに なる わけでは ありません。

雲ができている空気（湿った空気）は、上昇するときの冷え方が小さく、100mで約0.5℃です。湿潤断熱減率と呼ばれます。水蒸気が水の粒に変わるときに熱が出るため、と説明されることが多い値です［3］。0.5℃というのは目安で、水蒸気の量によって変わります。

これが、フェーン現象の古典的な説明につながります。湿った空気が山を越えるとき、風上側で雨を降らせます。その後、山を吹き下りる空気は乾いているので、100mで約1℃の割合で温まります。上りは0.5℃ずつ冷え、下りは1℃ずつ温まるので、差し引きでふもとの気温が上がります［4］。

計算してみます。1000m上って下りると、上りで5℃下がり、下りで10℃上がるので、差し引き5℃の上昇です。神戸市の解説でも、25℃の空気が山を越えて30℃になる例が紹介されています［3］。ただし、これは例として決めた条件での計算値で、実際の昇温量は事例ごとに違います。

この説明は、教科書に載るほど広く使われています。では、実際の山で、本当にこの順序で起きているのでしょうか。

雲を含む湿った空気は、上昇時の冷え方が小さく、100mで約0.5℃（湿潤断熱減率）である。この値は目安で、水蒸気量によって変わる。小さくなる理由は、水蒸気が水滴になるときに熱が放出されるためと一般には説明されるが、本稿で参照した神戸市のページには、この理由の記述はない［3］。

これを使うと、フェーン現象の古典的な説明ができる。湿った空気が山を越えるとき、風上側で雨を降らせて水分を失う。山を吹き下りる空気は乾いているので、100mで約1℃（乾燥断熱減率）の割合で昇温する。上りの冷却（0.5℃/100m）より下りの昇温（1℃/100m）のほうが大きいため、風下側のふもとでは、出発点より高温になる［4］。

数値例で確かめる。標高差1000mを上って下りる場合、上りで約5℃下がり、下りで約10℃上がるので、差し引き約5℃高くなる。神戸市の解説は、25℃の空気が30℃になる例を挙げている［3］。ただし、この30℃は例示条件での計算値であり、実際の事例での昇温量は条件ごとに異なる。

この説明は、教科書的なフェーン現象の定番である。しかし、実際の山の風は、本当にこの説明の順序で温まっているのだろうか。

つくば大学の 研究チームは、2021年に、とやまへいやで 15年の あいだに おきた フェーンの 198れいを しらべました。

すると、およそ 8わりは、雨を ふらせないで、上の ほうの 風が そのまま ふきおりて おきた ものでした。さきほどの「雨を ふらせて、かわいた くうきが おりる」という せつめいだけで おきた れいは、ほとんど なかったと いいます。

さらに、およそ 2わりは、高気圧こうきあつの 下で おきて、よるにも おこりやすい ことが わかりました。

これはとやまへいやなど ほくりくの けっかです。日本ぜんたいが おなじと いえる わけでは ありません。フェーンには、まだ 研究が すすんでいる ぶぶんが あります。

筑波大学の研究グループは2021年、富山平野で過去15年に起きたフェーン198事例を調べました。その結果、約80%は、雨を降らせずに上空の風が吹き降りる「力学メカニズム」で起きていました。教科書にある、雨を降らせて乾いた空気が吹き下りる「純粋熱力学メカニズム」で説明できる事例は、ほとんどありませんでした［5］。

また、約20%は高気圧の下で起き、夜間にも起きやすいことが示されました［5］。夜の暑さのことなので、「日なたで温まった空気」が原因とは限らないことも分かります。

この結果は、富山平野を含む北陸での調査です。日本全国で同じ割合になるとは言えません。それでも、空気が下りるときに温度が上がるという性質そのものが否定されたわけではなく、「その空気がどこから来るか」の説明が見直されている、という話です。

では、「空気が縮むと温度が上がる」という性質は、人間が実際に使ってきたのでしょうか。

筑波大学の研究グループは2021年、富山平野で過去15年に観測されたフェーン198事例を解析した。その結果、約80%は、風上側で雨を降らせずに上空の風が山を越えて吹き降りる「力学メカニズム」で起きていた。教科書に載る、風上側の降水が風下の昇温を生むという「純粋熱力学メカニズム」だけの事例は、少なくとも北陸では、ほとんど見つからなかったと報告されている［5］。

約20%は高気圧下の事例で、夜間にも起きやすいことが示された［5］。夜は日射がないので、日なたで温まった空気が原因という単純な説明では足りない。

ここで注意したいのは範囲の限定である。この結果は富山平野の198事例に限った報告で、日本全体、まして世界のフェーンに当てはまるとは言えない。また、空気が下降して圧縮されれば温度が上がる、という物理の性質を否定した研究でもない。見直されたのは、その空気がどこから降りてくるかという経路の説明である。

では視点を変えよう。圧縮による昇温は、人間が道具として使っていないのだろうか。

ファイアピストンは、ほそい 筒つつに ぼうを すばやく おしこんで、中の くうきを ちぢめる 火おこしの 道具どうぐです。ちぢめられた くうきは、とても あつく なります。その あつさで、筒つつの さきに つけた ほくちに 火が つきます。

とうなんアジアの 山の ほうで、やきはたを する 人たちが むかしから つかったと いわれます。筒つつは、木、竹、どうぶつの つの、かなものなどで できます。いつ はじまったかは はっきりしませんが、むかしむかしの じだいと かんがえられています。

ヨーロッパでは、1807ねんに イギリスと フランスで 特許とっきょが とられました。

ドイツの ディーゼルは、先生の リンデが ファイアピストンで タバコに 火を つけるのを 見て、この しくみは エンジンの 火つけに つかえると おもいついた、と つたえられています。リンデが 国に 帰ってからの こうえんでの 話と いわれますが、これが ただ 1つの きっかけだったとは いえません。

ファイアピストンは、細い筒にピストンを素早く押し込んで空気を縮め、その高温で筒の先の火口（ほくち）に火をつける道具です［7］。縮められた空気は、外へ逃げる熱が間に合わないほど速く温度が上がります。

東南アジアの山岳地帯で、焼畑をする人々が古くから使ってきたとされています［7］。英国のサイエンス・ミュージアムの収蔵品の解説では、筒は木・竹・動物の角・金属などで作られ、いつ始まったのかははっきりしないものの、先史時代と考えられています。東南アジアや太平洋の島々で発明され、ヨーロッパでは1807年に英国とフランスで特許が取られた、と書かれています［8］。

この道具が、のちの大きな発明につながったと伝えられています。ドイツ人技術者のルドルフ・ディーゼルは、師のカール・フォン・リンデがファイアピストンでタバコに火をつけるのを見て、この原理を内燃機関の点火に使えると気づいた、という逸話です。リンデが帰国後に講演した際の逸話とされ、着想の唯一の源だったとは言い切れません［7］。

ふくらむと冷えて雲になり、縮むと熱くなって火がつく。同じ性質が、自然にも道具にも現れていたことになります。

ファイアピストンは、細い筒にピストンを急速に押し込んで空気を圧縮し、そこで生じる高温で、筒の先に付けた火口（ほくち）に着火させる道具である。圧縮が速いので、熱が外へ逃げる前に温度が上がる。この状況を断熱圧縮と呼ぶ［7］。

東南アジアの山岳地帯の焼畑民が古くから使ったとされる。英国のサイエンス・ミュージアムの収蔵品解説によれば、筒は木・竹・動物の角・金属で作られ、起源は不明だが先史時代と考えられ、東南アジアと太平洋の島々で発明されたとされる。ヨーロッパでは1807年に英仏で特許が取られた［8］。

この道具は、ディーゼルエンジンの着想につながったとされる。ルドルフ・ディーゼルが、師のリンデがファイアピストンでタバコに火をつけるのを見て、この原理が内燃機関の点火に使えると感じた、という逸話である。リンデが帰国後に講演した際の逸話とされ、ディーゼルがこの場面から着想を得た、という話である。着想の源が一つだけだったとは断定できない［7］。

空気は、膨張すると冷え、圧縮すると温まる。この働きが、ボトルの雲や山を越えた空気の温度変化、火口の着火に関わっている。しかも、フェーンの説明のように、その働き方がまだ見直されている場面もある。

きょう できる こと

山の ちかくに すんでいる 人は、くもが 山の どの たかさに できて いるか、見て みましょう。ひるまの 空で、山の うえの ほうに かかる くもを さがします。

しらべる とき

気象きしょう庁ちょうの ホームページでは、町ごとの きおんを 見られます。山の むこうがわの 町と、手前の 町の きおんを、おうちの 人と いっしょに くらべて みましょう。

ペットボトルで くもを つくる じっけんは、あぶない ことも あるので、かならず おとなと いっしょに、科学館などの ぎょうじで 見るのが おすすめです。

今日できること

山の近くなら、昼の空で、山の上にかかる雲の見え方を観察してみます。日によって雲のかかり方が違うかもしれません。

気温を比べる

気象庁のホームページでは、町ごとの最高気温が見られます。風が山を越えてくる日に、山の風下側と風上側の町の気温を比べると、気温の差が見られる日があるかを比べてみます。気温差だけでフェーンが原因とは決められません。

資料を読むなら

日本語で読めるものとして、気象庁仙台管区気象台の雲の教材［1］、筑波大学のプレスリリース［5］があります。ペットボトルの雲は、空気を押し込んで栓を外す実験で、危険なこともあるので、大人と一緒に、科学館などの公開実験で見ることをおすすめします。

今日できること

山のそばなら、日中の空で山にかかる雲の見え方を数日記録し、日による違いを見てみる。ただし、観察だけでは、雲のかかり方の違いが空気の湿り具合によるものかは判断できない。

気温の差を見る

気象庁の観測値で、風が山を越える日の風上側と風下側の町の最高気温を比べると、気温差が見られる日があるかを比べられる。気温差だけでフェーンが原因とは決められない。

原典にあたる

日本語で読める一次寄りの資料として、気象庁仙台管区気象台の雲の教材［1］と、筑波大学のプレスリリース［5］がある。ファイアピストンの歴史は、日本機械学会の論文［7］とサイエンス・ミュージアムの収蔵品解説［8］が出発点になる。なお、ボトルの雲の実験は内圧をかけるため、実施するなら大人の管理のもとで、あるいは科学館などの公開実験を見るにとどめるのがよい。