温位

温位（おんい、英語: potential temperature）は、気象学や海洋学などの分野で用いられる重要な物理量です。これは、ある気圧 `P`、温度 `T` を持つ空気塊があったと仮定し、その空気塊を外部との熱のやり取りがない断熱的な過程を経て、基準となる気圧 `P₀ = 1000` ヘクトパスカル（hPa）まで移動させたときに、最終的にその空気塊が到達するであろう温度として定義されます。

温位は、気圧や温度が異なる場所にある流体要素（例えば空気塊）を、共通の基準状態（ここでは1000hPa）に揃えて比較するための概念と言えます。高度によって気圧や温度は変化しますが、温位に換算することで、本来持っている熱的な状態を、気圧による影響を取り除いて評価することが可能になります。

温位の計算方法

温位 `θ` は、現在の空気塊の絶対温度 `T` と気圧 `P` を用いて、以下の式によって計算されます。


θ = T (P₀ / P)^(Rd / Cp)


ここで、

`T` は空気塊の絶対温度（ケルビン単位）
`P` は空気塊の現在の気圧
`P₀` は基準気圧（1000 hPa）
`Rd` は乾燥空気の気体定数
`Cp` は乾燥空気の定圧比熱

です。この式からもわかるように、温位は現在の温度だけでなく、気圧による圧縮・膨張の効果を考慮して計算されるため、異なる高度にある空気塊でも意味のある比較ができます。

大気の安定度との関係

温位は、特に大気の鉛直方向の安定度を判断する上で非常に有用な指標となります。空気塊が断熱的に（外部との熱交換なしに）鉛直移動する場合、その空気塊の温位は変化しません（温位保存の法則）。この性質を利用して、周囲の空気の温位分布と空気塊の温位を比較することで、その空気塊が上昇・下降を続けるか、元の位置に戻るかを判断できます。

大気の安定度は、温位の高度方向の変化率、すなわち高度 `z` に対する温位 `θ` の変化 `∂θ/∂z` によって評価されます。

中立 (`∂θ/∂z = 0`)： 大気は中立な状態です。これは、周囲の気温が高度とともに乾燥断熱減率（約9.8℃/km）と同じ割合で低下している状況に対応します。空気塊が鉛直に移動しても、周囲と同じ温度・密度の状態になりやすく、積極的に上昇も下降もしません。
安定 (`∂θ/∂z > 0`)： 大気は安定な状態です。高度が上がるにつれて温位が増加しています。この場合、もし空気塊がわずかに上昇すると、周囲の空気よりも温位が低くなり（つまり冷たく重くなり）、元の位置に戻ろうとする浮力が働きます。鉛直方向の動きが抑制され、層状の雲や逆転層などが形成されやすくなります。
* 不安定 (`∂θ/∂z < 0`)： 大気は不安定な状態です。高度が上がるにつれて温位が減少しています。この場合、もし空気塊がわずかに上昇すると、周囲の空気よりも温位が高くなり（つまり暖かく軽くなり）、さらに上昇を続けようとする浮力が働きます。鉛直方向の動きが増幅され、積乱雲などの対流性の雲が発生・発達しやすくなります。

このように、温位の鉛直分布、特にその高度方向の変化率を調べることで、大気が対流を起こしやすいか、それとも安定しているか、といった状態を定量的に把握できます。

応用分野

温位の概念は、大気科学における大気の安定度評価や対流現象の解析にとどまらず、海洋学における海水の安定度評価など、温度や密度によって層状構造を持つ様々な流体の研究に応用されています。流体の混合過程や、熱・物質の輸送を理解するための基礎的な概念となっています。

温位は、気圧の影響を取り除いた「本質的な暖かさ」を示す指標であり、大気や海洋の物理状態を比較・解析する上で欠かせない重要な物理量と言えます。

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