LESSON 4
大気循環を左右する水蒸気
p. 19～29

2023年度

教養課程：地球環境科学の最前線

担当：熊本大学大学院

A&B

横瀬久芳（海洋火山学）

地球表層を巡る水と海の塩辛さ• 太陽放射によって飛び出す水分子• 雨はどうして降るのか• 地表における水の循環• 水の物性（極性分子は、素晴らしい溶媒）• 海水はどうして塩辛いのか• 海洋深層水とは• 塩分を決める要因（平面分布・鉛直分布）

地球表層では水が循環している

雲

氷床

海森

陸

毎度お馴染みのEarthrise：大気中の白い所⁼H2O
表面の青い所⁼H2O

水の状態変化とエネルギーの移動

水（0℃, 1g）に100 cal 熱量を加える：100℃のお湯になる。
氷（0℃, 1g）に100 cal 熱量を加える：20℃の水になる。

水素結合が、温度変化を妨げる-O＋H

H＋＋H

H＋-O-＋H

H＋-O-

H＋-O-＋H

H⁺とO⁻からなる、水素結合を切断するのにエネルギーが必要だから保冷材は、凍っていないと効力を発揮できない。

基本的には、99％水と少量の高分子吸収体など。
保冷材は、凍っていないと意味がありません。
水（0℃, 1g）に100 cal 熱量を加える：100℃のお湯になる。
氷（0℃, 1g）に100 cal 熱量を加える：20℃の水になる。

水蒸気は軽いので空気中を上昇できる。
• 乾燥空気は、基本的に窒素（N₂)78％と酸素（O₂）21％でできている。
• それぞれの分子量は、28と32である。一方、水分子（H₂O）は、18なので、平均的な空気よりも軽い。
• したがって、必ずしも温度が高くなくても上昇できる。
• ただし、水滴になると一気に密度が増加して落ちてくる（雨）。
• 通常の空気は、場所によっては、H₂Oが第三の気体成分。

水は, 100℃でなくても蒸発する！
温度0℃
20℃
いいえ、水は、１００℃でなくても蒸発します。
40℃
冬だろうと、夏だろうと、洗濯物は乾きます。
80℃
ただ、夏に比べると冬のほうが乾きが遅くなる。
100℃（飽和水蒸気圧や沸騰と間違えないように）。
120℃• 水が蒸発するのは、周囲より温度が高いから？

760mmHg = 30 inch Hg 柱

1インチは親指の幅

蒸気圧
6hPa
23hPa
74hPa
475hPa1013hPa
1989hPa温かくて湿った軽い空気
冷たくて乾いた重たい空気

乾いた暖かい空気は、上昇し、膨らんで冷却され、いずれ周囲との密度差がなくなる。
断熱膨張

拡大

上昇流

下降流
圧縮

冷却
圧力が下がる加熱
断熱圧縮
圧力が上がる大気循環における水の役割は重要
水滴が凝結する
2260～2500J/g（540cal/g）
発熱

水分が蒸
発する
2260～2500J/g（540cal/g）
吸熱

氷ができる
雲水

氷～355J/g（80cal/g）
発熱地 雪 ～355J/g
表 が （80cal/g）に 解 吸熱
水降け
りて
注雨
雨ぐと
なって
太陽の光によって熱せられる〔海面や地面〕

上空では、水が状態変化をして、熱エネルギーの循環にも寄与する。

積乱雲と水蒸気の蒸発：夏空

成層圏

対流圏界面

対流圏

水蒸気

熱

太陽によって暖められた、赤道地域や夏の海は、多量の水蒸気が発生し、水分と熱を上空に持ち上げる。

宇宙から見た積乱雲

http://eol.jsc.nasa.gov/scripts/sseop/photo.pl?mission=ISS016&roll=E&frame=27426

ISS016-E-27426

雨が塩辛くないのは、蒸留作用だから。
それでも、河川が海を塩辛くする。
淡水の循環

蒸発雨

海陸海水起源でも淡水起源でも、雨は塩辛くない。
でも、河川が海を塩辛くする

1年間に流れる水の体積（500,000ｋｍ３）
氷期には、50000*1015 kg → 氷河
海水面→ 100ｍ 低下（全海水の3.5％）

地球上の水は、ほとんどが塩水すべての水
塩水
淡水
氷河が縮小すると淡水が一気に減少する

永久凍土

表層と大気

氷河
地下水

生物相
淡水湖

淡水は大事な資源です。
河川水：0.00016％

河川
土壌

湿地
大気

我々が塩辛さを感じる理由
舌における味覚領域• 我々の味覚を⽣み出しているのは、⽣に備わっている味蕾と呼ばれる味覚センサー器官 です。
⽣塩の構成成分の⽣つであるナトリウムイオン（Na+）は、体液量および全⽣の細 胞機能を維持するための必須栄養素であるため、⽣に含むと“おいしい”味として知覚され ます。
プレス原稿_さきがけ樽野研究者（京都府立医科大）確認依
頼ーfinalー修正200324 (kpum.ac.jp)

塩辛さの秘密は、海水中のNaイオンの濃縮過程を理解する事にほかならない海塩（凝結核）の影響

雨水

15倍

河川水

溶液１L中の溶解量（㎎）溶液１L中の溶解量（㎎）溶液１L中の溶解量（㎎） 溶液１L中の溶解量（㎎）

海水・河川水・雨水の溶存物質
海塩の影響を取り除いた
河川水の組成Ca²⁺250倍

SO₄²⁻

Cl⁻

海水
HCO₃⁻

Ca²⁺
Na⁺ K⁺ Mg²⁺

Cl⁻

SiO₂

SO₄²⁻

Na⁺ K⁺ Mg²⁺

HCO₃⁻ SiO₂

世界の塩分*の分布• 世界中の海の塩分は、均質なのだろうか？
塩分の水平分布は？
塩分の垂直分布は？
＊【注】“塩分”と“塩分濃度”“塩分”が正しいと言う人？

“塩分濃度”が正しと言う人？

溶けるとはどういう事か？

陸上の物質と淡水が反応して、元素が川に溶け出す。

蒸発
雨

もし、1g/年なら運ばれたら海には、これまで、1X40億年＝40憶ｇのNaが陸からもたらされた計算になる。

海Na+

陸

陸地からいろいろな元素が溶け出す

Na⁺ は、塩化ナトリウムだけではなく、鉱物中のイオンや重炭酸ナトリウムなど、様々な形で地中に存在する。

塩分の高い死海では、亜熱帯高圧帯直下の淡水湖が蒸発過多で形成される。

浮かびながら本が読めてしまう。

塩分は、海洋（約3.5％）の10倍近い約30％に達する

そもそも、塩辛さはナトリウムイオンの存在度による味覚。ナトリウムイオンがどこから海に溜まったかを考えると、海の塩辛さの原因に至る。

海洋が誕生した約40億年前から、様々な部分から溶け出した元素が海に供給され続けている。

One WORLD, One Ocean
北極海

北太平洋

北極海

北大西洋
亜熱帯循環
（海流）
インド洋 南極太平洋亜熱帯循環（海流）北太平洋

インド洋
南太平洋
亜熱帯循環
（海流）

南極海

亜熱帯循環
（海流）

南大西洋

亜熱帯循環
（海流）

スピルハウス投影法による南極海
世界地図

塩分→溶質：溶媒（H₂O）で変化する。
海水の化学組成：イオンの相対存在比は比較的安定
1kgの海水34.8ｇの塩

塩素‰：パーミル
千分率
cf. % :パーセント
百分率

ナトリウム

硫酸イオン

カリウム

マグネシウムカルシウム

イオンの存在比は一定: Forchhammer’s Principle

因みに
塩辛い＝食卓塩（精製塩）→の作り方
食卓塩 ≠ 海水の塩分→海水魚は飼えない。
蒸発

煮詰めていくと様々な結晶が順番に析出してくる

石灰

石膏

精製塩
食塩

にがり成分

海上における塩分測定の歴史
塩分：海水1ｋｇ中に含まれる固形物のｇ数を示す。
１. 煮詰めて重さを計る
２. 硝酸銀を用いた滴定（欠点：原子量が変化する）
塩分（salinity）= Cl * 1.805
３. 電気伝導度から換算（欠点：溶存元素による差が生じる）
塩分＝－0.08996＋28.29720R＋12.80832R2－10.67896R3＋5.98624R4-1.32311R5
R: 15℃、1気圧における塩分35パーミルの標準海水に対する試料海水の比伝導度
４. 実用塩分（psu: practical salinity unit)を定義し、改訂した。
塩分＝0.0080－0.1692k1/2＋25.3851k＋14.0941k2/3-7.0261ｋ2+2.7081ｋ5/2
水温15℃、1気圧において、1kg中の水に塩化カリウムを32.4356ｇとかしたときの電気伝導度と海水の電気伝導度との比（ｋ：無次元数）を表す。

干上がってしまった内陸の湖溶けていた少量の塩が析出する。
Ｄｅａｔｈ Ｖａｌｌｅｙ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ