沸騰した水は、どこに行っちゃうの? 空気と水の水蒸気や蒸発と関係?

水蒸気は空気中に拡散しますね。どのように大気中に散らばっていくのでしょうか。目に見えないのでとても興味がありますよね。

自然事象への関心や意欲を」示すこと

水が蒸発することに興味・関心をもち、進んで自然界の水の変化を調べましょう。
【科学的な思考・表現】
自然の中の水が水蒸気に変わること、さらに空気中の水蒸気が水に変わることと温度を関係付けて考察し、自分の考えを表現する。
【観察・実験の技能】
水が、水面などから蒸発していることを調べ、その過程や結果を記録する。
【自然事象についての知識・理解】
水は、水面から蒸発していることを理解する。
水は、地面などからも蒸発していることを理解する。
空気中には水蒸気があり、水蒸気は冷やされると再び水になることを理解する。
ビーカーの中の水を熱し、激しく沸騰させた場面が強く印象に残り、水が水蒸気に姿を変えるのは約100℃になったときだけであると思い込んでしてしまう。この素朴な知識と水が自然に蒸発したとしか考えられない事象との間で子どもの思考を揺さぶっていきたい。また、空気中に水蒸気があるのかどうかを調べる場面では、水蒸気は冷やすと水に戻るという「すがたをかえる水」で学んだ知識を活用する。

自然の中の水の変化(蒸発・結露)は大変身近であり、特に、水が自然に蒸発する事象については、様々な場面で体験している。それらの事象に問題を見出さないまま生活しているのは、その事象があまりに身近であることはもとより、水が自然に蒸発することが生活の中で都合が良い場合が多いことが原因であると考えた。メダカの水槽から水が減っていき、このままではメダカが住めなくなってしまうという場面を設定することにした。「水が減って困る。」という体験をさせることで、「なぜ水が減ってしまったのだろう。」「減らさないためにはどうすれば良いのだろう。」といった問題意識が自然と引き出せるはずである。

水の三態・液体=水

水が液体の状態であるのは、1気圧のもとでは、その温度が0.00℃~99.974℃までの間です。
(元々、水の沸点は沸点を100℃と決めたが、「1℃」の定義が見直されたため、水の沸点は現在厳密には99.974度に定義されている。)
水分子は、いくつかが集まり、集団で1つの固まりになったり、それがまた崩れたりしながら、でたらめな方向に向かって自由に運動しています。水が様々な形に変化できるのは、分子がこのように自由に動いているためです。外から熱を加えていくと、この運動が激しくなり、水分子は集合した固まりでいられなくなってきます。

水の三態・気体=水蒸気

水は99.974℃(1気圧下)に達すると沸騰し、分子の集団はバラバラになります。
水分子は激しく動き、猛烈なスピードで空間を飛び回ることになります。
水蒸気という気体は目に見えません。沸いたやかんの口から出る白い湯気は、水蒸気が周囲の空気で冷やされて水の粒に戻った状態のもの。やかんの口から出る透明な気体が水蒸気で、白い湯気の部分は液体です。

 

水の三態・固体=氷

水が0.00℃以下(1気圧下)になると、運動するための熱エネルギーが極端に低く、水分子は動きをとめて互いに結合します。水分子は、曲がった形をしているために、分子同士はすきまが多い形でしか結合できません。
そのために、分子と分子の間にすきまができて距離があき、その分体積が増えることになります。水を凍らせるとかさが増えるのは、そのためなのです(増える量は、約10パーセント)。普通の液体は固体になると密度があがり、体積は小さくなります。固体になると体積が増えるのは、他の多くの物質とは異なる水の性質です。

水蒸気とはなんだろうか

1 霧や露の発生
水蒸気と水滴のちがい
→ 水蒸気は目に「見えない」、水滴は目に「見える」
ペットボトルでの実験
→ 栓をして中が曇っているペットボトルを、ドライヤーなどであたためると、ペットボトル内の温度が上がることで、飽和水蒸気量が「大きく」なり、表面の水滴が蒸発して水蒸気になり、くもりが取れる
→ 湯気をいれて栓をしたペットボトルを水などで冷やすと、ペットボトル内の温度が下がることで、飽和水蒸気量が「小さく」なり、水蒸気が飽和して水滴として表面に付着する。この現象を水蒸気の「凝結」といい、このときの温度を「露点」という
→ コップに氷水を入れると、コップのまわりの空気が冷やされ、飽和水蒸気量が「小さく」なり、水蒸気が水滴に変化してコップにつき、くもる
2 飽和水蒸気量
→ 空気1立方メートルあたりにふくむことのできる水蒸気の質量は、温度によってきまっており、「飽和水蒸気量」という
→ 飽和水蒸気量は、気温が低いと「小さく」なり、気温が上がると「大きく」なる
3 飽和水蒸気量と湿度
→ 空気1立方メートルにふくまれている水蒸気量を、その空気と同じ気温での飽和水蒸気量で割り、100を掛けた数値を「湿度」という
4 雲の発生しやすい場所
→ 山の上では、湿った空気が山の斜面を上昇して、気圧の低いところで温度が下がり、結露して、雲が発生しやすい
→ 夏季など、太陽の光が地面の一部をあたため、その気流が上昇して気圧の低い上空で温度が下がり、結露して、雲が発生しやすい
→ 暖かい空気が冷たい空気に乗り上げて上昇することで、気圧の低い上空で温度が下がり、結露して、雲が発生しやすい。

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水循環(water cycle)とは、太陽エネルギーを主因として引き起こされる、地球における継続的な水の循環のこと

。固相・液相・気相間で相互に状態を変化させながら、蒸発・降水・地表流・土壌への浸透などを経て、水は地球上を絶えず循環している。水文学的循環(hydrologic cycle)と呼ばれることもある。

 

水循環のプロセス

水循環の主要な流れは、「蒸発 – 凝結 – 雲の形成 -降水 – 地表流 -海」である。太陽エネルギーと重力により、このサイクルが止めどなく繰り返される。
なお、降水のうち、河川となって、海へ戻るのは、全体の三分の一であって、残りは、再び蒸発して、大気中に溶け込んでいるとする見解がある。
蒸発
蒸発とは、地表部の水が水蒸気へと変化する現象のこと。蒸発の主となるエネルギー源は太陽放射である。植物における蒸発は蒸散という。両者は密接に関係しているため、合わせて蒸発散と呼ぶこともある。大気中に含まれる水の90%は蒸発によるもので、残りの10%は蒸散によるものである。
凝結・凝固
凝結とは、空気中の水蒸気が雲や霧を形成しながら液体へと相転移することを指す。いわゆる暖かい雨の場合は凝結のみだが、冷たい雨の場合は低温の環境下において凝固(凍結)して固体へとさらに相転移する。また、量としては少ないが、凝結した後すぐ生物に利用されたり地中に浸透する露(結露)という形態もある。
昇華
昇華とは、液体を経由せず、固体 – 気体間で状態変化する現象である。氷河では固体から気体への昇華が起こっている。また、気体から直接固体となる現象(霜、氷霧など)も含む。
移流
移流とは、その相を問わず、大気中を水が移動する現象のことを指す。地表の70.6%を占める海は蒸発源の86%を占める大リザーバーであり、海上で蒸発した水が移流によって陸地まで移動することでもたらされる水の量は多い。
降水
降水とは、雨雲となった水が降り注ぐことである。降水現象は雨として生じることが最も多いが、雪やあられ、みぞれ、雹(ひょう)などの状態で降り注ぐこともある。地球全体で約 4×1014 m3/年と推定される。
地表流
地表流とは、高低差にしたがって地表を流れる水のことである。川などもこの地表流に該当する。地表を流れながら、水は地中に浸透し、空気中に蒸発し、湖沼や他のリザーバーに貯えられ、そして農業工業に利用される。
積雪(堆積)
寒冷地では、雪は融けずに堆積していく。すぐに融解するものもあるが、冬季の間残る根雪、年をまたいで残る万年雪があり、万年雪は毎年の新雪に圧縮されていって固結し氷河となる。
浸透・涵養
水循環における浸透とは、水が地中にしみ込む現象のこと。浸透速度はその土壌が既に含んでいる水分の量、ならびに浸透能に左右される。地下水の帯水層へ水が供給される現象は、涵養と言う。
融雪
雪解けに伴い、地表流が発生する。
地下流
地下流とは、地下の帯水層における地下水の流れのこと。地下流となった水は湧水などのかたちで再び地表に戻るほか、最終的には海に浸出する。地下流の流速は遅いため、大規模な帯水層の地下水にあっては、何千年にもわたって滞留することもある。

 

リザーバー

水文学におけるリザーバーとは、水循環の過程で水が存在する各空間を表す言葉である。水の最大のリザーバーは海であり、地球上の水の約97%が存在する。次に大きなリザーバーは氷冠や氷河で、約2%の水が存在する。また、生物の体内に存在する水の割合が最も小さい。

 

質量保存の法則

水循環における水の総量もしくは総重量、ならびに各リザーバーにおける水量は基本的には一定である。これはつまり、単位時間中に各リザーバーに流入する水量と、流出する水量が等しいことを意味する。
右の表は陸地と海洋における水の入出量を表したものである。例えば、年107×103 km3 の水が降雨として地表に降り注ぐとき、陸地から蒸発した水量71×103 km3 と、地表流や浸透して地下水となる水量36×103 km3 の合計は等しい。

 

生物地球化学的循環

水循環は生物地球化学的循環の一つであるが、生態系における他の物質循環には炭素循環や窒素循環などがある。
水が地球表面を流れるにつれ、土壌や鉱物、水溶性物質などをともに運ぶ。陸地から流れ来る地表流によって海には絶え間なく塩分(塩イオン)が注ぎ込まれているが、水が海から蒸発する際、塩分はそのまま海水中に残る。このため、一般的に海水の塩分濃度は上昇する傾向にある。
ヒトの体液塩分濃度は約0.9%に保たれているが、これは進化の過程で、脊椎動物が陸生化した当時の海水濃度にその浸透圧調整能を固定化したためである。その後海水濃度は上昇し、現在は約3.5%である。

大気中の水はいろいろと変化して循環しているのですね。これは気象に大きく影響します。

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