カテゴリー「気象観測」の記事

2017年10月31日 (火)

水蒸気のはなし(番外編)・空が白っぽいのは水蒸気のせいか?

この番外編は少し長い。
読みながら多少考えることも必要。
多少学問的な難しい部分もある。
是非、時間のあるときに読んで欲しい。
特に、気象に携わる人、
ある程度知識のある人に読んでいただいて、
ご意見を頂戴したいと思っている。


<空が白っぽいのは水蒸気のせいか?>

晴れているのに視程(見通し距離)が悪い理由や、
薄雲が出ているわけではないのに
空が白っぽいことの理由を、
水蒸気の多さや湿度が高さで説明しているのをよく見かけるが、
私は、かねてからこれに疑問を感じている。
(湿度は正式名称「相対湿度」だが、本稿では「湿度」と略す。)

最初にわかりやすい例を挙げよう。
雨上がりの空は澄んでいることが多い
ある程度長い時間降った雨の雨上がり直後なら、
結構湿度は高いだろう。
ということは、湿度が高いからといって
視程が悪いとは限らないことになる。

この反例により、論理学的に
「水蒸気が多ければ視程が悪い」
という命題は偽(ぎ)であることが証明された。

しかし、これで、
水蒸気が多いことが視程が悪いことと
無関係であることの証明にはならない。
実際、
視程が悪い時は湿度が高いことが多いことは
私も否定しない。


<なぜ水蒸気量の多さで説明されるのか1>

まず、なぜこのような説明がされるのかを考えてみた。

降水現象がない状況で視程が悪いのは、
霧やもやによることが多い。
これらの現象は、
空中に微小水滴が浮遊していることにより起こる。
そして、通常、湿度が非常に高いときにしか起きない。
だから、霧やもやは湿度が高いことが原因といえる。

しかし、雨上がりの例でもわかるとおり、
どんなに湿度が高くても凝結が起こらない限り、
言い換えれば、
微小水滴が空中に浮いている状態でなければ
霧やもやとはならない。

湿度が高いことは、霧やもやが起こることの
必要条件ではあるが十分条件ではない。


<なぜ水蒸気量の多さで説明されるのか2>

もうひとつの原因に、
水蒸気に対する誤解があるように思う。

それは、上記のように、
水蒸気が多い時に視程が悪くなりやすい
という事実があるため、
水蒸気(気体)自体が視程を悪くするとの誤解
生まれたのではないかということだ。

水蒸気は気体であり、窒素や酸素同様透明で、
視程には直接影響しない。
水蒸気が凝結して、
微小水滴(液体)となって初めて視程を悪くするのだが、
この微小水滴を水蒸気と呼んでしまっている誤りもありそうだ。


<空が青かったり白っぽかったりするのはなぜか>

これを科学的に理解するためには、
光の散乱について知らなければならない。
詳細な説明は省くが、
光がレイリー散乱を起こすことで空は青くなり、
ミー散乱が起きると空は白っぽくなる。
雲や霧や雪が白いのはミー散乱が原因だ。

太陽光(可視光線)のレイリー散乱は、
大気分子など非常に小さな粒子が起こす散乱で、
青い色が強く散乱される。
これが空が青い理由だ。

一方、ミー散乱は、
光の波長と同じ程度の半径を持つ粒子が起こす散乱で、
0.1~1μm(μmは、mmの1/1000)程度のオーダーの
粒子が起こす散乱で、
特に強く散乱される波長がないため、
全ての波長の光(色)が混ざり、白色光となる。

よって、大気中にミー散乱を起こす大きさの粒子が多くなると、
空は白っぽくなる
わけだ。

水蒸気(H2Oの気体)分子の大きさは、
酸素分子や窒素分子と大差なく、
ミー散乱を起こす大きさではないので、
水蒸気自体は空を白っぽくする原因物質ではない
このことがあるので、
『空が白っぽいのは水蒸気が多いから』という説明を
私は疑問に思っている
のだ。


<納得できるひとつの説明>

水蒸気と視程の関係について調べているとき、
なるほど、と思うひとつの説明に出会った。

ミー散乱を起こすのには、少し小さい粒子
(塵や埃や黄砂等、以下、大きさによらずエーロゾルと表記)
が大気中にあると、
水蒸気とくっつくことによって粒子のサイズが大きくなり
ミー散乱を起こすようになるため、
視程が悪く、或いは空が白っぽくなるという説明だ。

なるほど納得
ある説明には事例も載っており、
煙草の煙の粒子は非常に小さく、
初めは紫色(レイリー散乱)だが、
空中を立ち昇る間に水蒸気と一体化して大きくなり、
白い色(ミー散乱)に変わるというものだ。
事実をうまく説明し、説得力がある。
おそらく正しいだろう。


<それでも水蒸気は原因物質ではない>

だが、ちょっと待った。
危うくひっかかるところだった。
これって、
煙草の煙(エーロゾル)があってこその白い煙であって、
煙草の煙がなければ、どんなに水蒸気があっても
そこの空気は白くないではないか。

簡単な思考実験をしよう。
今、4種類の気体を考える。

①エーロゾルも水蒸気も多い気体
②エーロゾルは多いが水蒸気は少ない気体
③エーロゾルは少ないが水蒸気が多い気体
④エーロゾルも水蒸気も少ない気体

これらのうち、
透明度が悪い(白っぽい)気体はどれだろうか。
①は明らかに白っぽいが、
④は透明度が高いだろう。
問題は②と③だ。

③は、水蒸気自体が白っぽさの原因でない限り、
空が白っぽくなる理由がない。
少ないエーロゾルに水蒸気がくっついて多少白っぽくなっても、
エーロゾルの量以上に空を白っぽくする原因物質は増えない。
よって、③は白っぽいとは言いにくい。

②はエーロゾルの大きさによって多少話が変わるが、
ミー散乱を起こす程度の大きさのエーロゾルが多ければ
水蒸気が少なくても(或いは全くなくても)、
エーロゾル自体がミー散乱を起こすため、
視程が悪くなったり、空が白っぽくなったりする。
視程が悪い場合、大気現象としては煙霧に当たる。


<私の結論>

②③を考察すれば、
視程を悪くしたり、空を白くする主たる原因物質は、
水蒸気ではなくエーロゾル
である。

水蒸気は、煙草の例でもわかるとおり、
ミー散乱を起こさないような小さなエーロゾルを、
ミー散乱を起こすような大きさに変化させたり、
もともとミー散乱を起こすようなエーロゾルを更に大きくし、
ミー散乱の度合いを強くる働きは認められるので、
それ自体は原因物質ではないが、
空をより白っぽくしたり、
視程の悪化を助長する環境要因ではある。


私は、空が白っぽい原因を聞かれたら、
必ず「空気中に(黄砂やPM2.5等の)塵や埃が多いから」と
答えることにしている。
だって、主たる原因であるエーロゾル抜きに、
環境要因だけで説明するのはおかしいではないか。
(それと、一般人への説明には滅多に加えないが、
 エーロゾルの拡散を抑える逆転相等、
 安定層の存在等も必要条件ではないかと思っている。
 風の弱さも関係するかも知れない。
 考えれば考えるほど難しい。)

空が白っぽいとき、
微小水滴ができているならそれは薄い雲である。
上記は、
空の白さの原因が明らかに雲ではないときの答え方である。
もちろん、雲や霧、もや等、原因物質が微小水滴の場合は
水蒸気が凝結して・・・」と答えている。


この考察には、賛同にしろ反論にしろ、
ご意見を沢山いただきたい
と思っている。

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2017年10月29日 (日)

水蒸気のはなし(その7)・相対湿度3

相対湿度に関して、ちょっとした計算をしてみよう。

秋田の1月の平年値
即ち、気温0℃、相対湿度73%のとき、
空気中の水蒸気密度は
0℃に対する飽和水蒸気密度が 4.85(g/㎥) であるから、

 4.85×73% ≒ 3.54(g/㎥)

となる。
この空気を20℃まで温めたときの相対湿度は
20℃に対する飽和水蒸気密度が 30.4(g/㎥) であるから、

 3.54/30.4≒12%

となる。
これが、計算上の平均的な、秋田の1月の
20℃の部屋の相対湿度である。
これは流石に乾きすぎである。
だから、冬の室内は加湿が必要なのだ。

ただし、これは単純計算であり、
他からの水蒸気補給がない前提の計算である。
実際には、人体やお湯などから
水蒸気が補給されているから
このとおりにはならないが、
エアコン暖房や電気ヒーター、床暖房などは
それ自体からの水蒸気補給がないため、
部屋の加湿が必要である。

一方、
石油ストーブ、ガスストーブなどは、
灯油やガスを燃やした際に
二酸化炭素だけでなく水蒸気も発生するので、
エアコン暖房ほどの加湿は必要ない。

何れにしろ、
湿度計を見ながら室内の相対湿度を調整したい。
冬場の室内の適正な相対湿度は、
45~60%
だそうである。


ちょっとした計算その2

前述の空気の36℃(体温)に対する相対湿度は
36℃に対する飽和水蒸気密度が 41.7(g/㎥) であるから、

 3.54/41.7 ≒ 8.5%

これがお肌に対する相対湿度となる。
これではお肌がカサカサに乾いてしまうのは当たり前だ。
なので、冬は性別によらず保湿が不可欠である。


これから冬に向かう。
是非とも加湿、保湿への準備や心掛けを。

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2017年10月28日 (土)

水蒸気のはなし(その6)・相対湿度2

これから冬に向かう。

よく、『冬の空気は乾いている』といわれる。
これは正しい。
しかし、冬の相対湿度が必ずしも低いわけではない

例えば、私が住む秋田の各月の相対湿度の平年値は、
1月から順に、

 73%71%67%、 67%72%75%
 79%76%75%、 72%72%73% で、

一年中大きな変化はない。
即ち、冬の相対湿度が低いわけではない。
むしろ春(3月、4月)の方が相対湿度は低い。
それでも、実際、冬の方が空気は乾いている。
何故だろう。

前回書いたように、
気温が低いほど飽和水蒸気量は少ない
つまり相対湿度の計算式の分母が小さい。
分母が小さくても、相対湿度がほぼ同じになるためには、
分子である水蒸気量も分母に応じて小さくなくてはならない。
即ち、大気に含まれる水蒸気の絶対量が少ないことになる。

具体的に、いくつかの気温に対する飽和水蒸気量を
密度(1㎥当たりの質量(g))で表すと、

 36℃:41.7
 30℃:30.4
 20℃:17.3
  0℃:4.85

である。
つまり、同じ湿度100%でも、
気温0℃のときの水蒸気量は、
30℃のときの6分の1よりも少ない


結論を言えば、
冬の空気が乾いているのは
湿度が低いからではなく
気温が低いから(空気が水蒸気を少ししか含むことができないため)
である。




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2017年10月27日 (金)

水蒸気のはなし(その5)・相対湿度1

大気中の水蒸気量を表す指標の中で、
最も日常的に使われ、馴染みのあるのが相対湿度だろう。


通常は単に湿度と呼ばれることが多いが、
正式名称は相対湿度である。

名前のとおり、相対湿度は
“あるもの”相対的な値であって、
絶対的なものではない。

しかも、厄介なことに、
比率の基準である“あるもの”は、
気温によって変化するから話がややこしい。


この“あるもの”とは飽和水蒸気量である。
ある気温で空気が含むことのできる最大の水蒸気量が、
その気温に対する飽和水蒸気量だ。

飽和水蒸気量まで目いっぱい水蒸気を含んでいる状態飽和といい、
このとき、相対湿度が100%となる。
飽和状態の水蒸気量(水蒸気密度、または水蒸気圧)に比べて、
何%の水蒸気量が空気中に含まれているかの割合

相対湿度なのである。

式で書けば、

  相対湿度=(水蒸気密度/飽和水蒸気密度)×100(%)

または

  相対湿度=(水蒸気圧/飽和水蒸気圧)×100(%)


である。

そして、前述のとおり、“あるもの”の正体である
分母の『飽和水蒸気○○気温によって異なる

このため、
相対湿度は、含まれる水蒸気量が等しい空気であっても
気温が違えば異なる値となる、
あるいは、
水蒸気が増えたり減ったりしなくても、
気温を変化させれば相対湿度も変化することになる。


相対湿度は最も一般的な水蒸気量の指標だが、
気温とセットでないと空気中の水蒸気量を表すことができない
のが短所である。
相対湿度は、身近であるにもかかわらず、
正しく理解するのが案外難しい指標なのだ。

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2017年10月26日 (木)

水蒸気のはなし(その4)・水蒸気密度と水蒸気圧

大気中の水蒸気量を表す指標のひとつに、
水蒸気密度がある。
最も基本的な指標といえるだろう。

密度であるから、
単位体積(1㎥)当たりの質量であり、
単位体積に含まれる水蒸気の質量
水蒸気密度という。

単位は当然 g/ である。

一定体積空間の水蒸気の量という意味から、
水蒸気の絶対量を表す物理量としてイメージもしやすく、
最も基本的な指標でもありながら、
直接観測される量ではないため、
使われる場面は案外少ない。


別の
大気中の水蒸気量を表す指標に、
水蒸気圧がある。

前に、大気は、
窒素や酸素、二酸化炭素、水蒸気などの
気体でできている、と書いたが、
大気中から、窒素だけを残し、
他の気体を取り去ったときの気圧を
窒素の分圧という。
同様に、酸素の分圧、水蒸気の分圧などがある。
これらうち、水蒸気の分圧水蒸気圧である。

大気中のすべての気体の分圧を加えたもの全圧で、
通常、気圧大気圧)と呼ばれているものに等しくなる。

大気が膨張したり圧縮されたりして気圧が変わると、
分圧も比例して変化する。


気圧は、天気予報などで馴染みがあるので、
水蒸気圧は、大気中の水蒸気量を表す指標の中で
最も感覚的に理解しやすい量かも知れない。

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2017年10月25日 (水)

水蒸気のはなし(その3)・比湿

混合比に似たものに比湿がある。

混合比は、
  水蒸気の質量/乾燥空気の質量
(“乾燥空気”については、「水蒸気のはなし(その2)・混合比」参照)
であったが、

比湿
  水蒸気の質量/(水蒸気を含む)大気の質量
である。

学校で習う塩分濃度と同じ形(百分率にはしない)なので理解しやすい。
これも混合比同様、単位は無次元(或いはkg/kg)だが、
扱いやすくするため1000倍して
単位を g/kg として表すことが多い

見方を変えれば、
1kgの大気中に、何gの水蒸気が含まれているか
という値が比湿である。

大気中に含まれる水蒸気の質量は、
乾燥空気の質量に比べて2,3桁小さいので、
特に水蒸気の少ない乾いた大気では
比湿≒混合比
となる。

このため、これらが混同されたり、
近似してごちゃ混ぜに書かれているものも多くみられるため要注意だ。

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2017年10月24日 (火)

水蒸気のはなし(その2)・混合比

大気中の水蒸気量を表す指標のひとつに、
混合比がある。

これは、気象予報士試験受験者であれば
しっかりと理解しておくべき項目
のひとつである。


大気は、
窒素(N2)や酸素(O2)、二酸化炭素(CO2)、水蒸気(H2O)などの
気体でできている。


H2Oは通常(広い意味で・物質名として)と呼ばれるが、
狭い意味では、H2Oが液体の時の呼び名がである。
H2Oが固体の時はと呼ばれ、
H2Oが気体の時は水蒸気と呼ばれる。
水蒸気のは気体のである。

日常会話では湯気湯けむりのことを
蒸気とか水蒸気と呼ぶことがあるが、
これらは微小水滴
つまり小さな液体の粒であって気体ではないので、
上記の(科学的な)意味では誤りである。


大気中の水蒸気以外の気体を全て合わせたものを乾燥空気と呼ぶことにする。
このとき、水蒸気と乾燥空気の質量比混合比といい、
単位は無次元(或いは kg/kg)である。
ただ、水蒸気は乾燥空気に対して2,3桁質量が小さいので、
扱いやすくするためこれを1000倍し、
単位を g/kg として表すことが多い

見方を変えれば、
1kgの乾燥空気と何gの水蒸気が混じっているか
という値が混合比である。

混じっている割合であるから、
大気が膨張したり圧縮されたりしても変化しない保存量であるため、
大変便利で、様々な場面で使われる。


高層気象観測による観測成果を
グラフ化して表すためのエマグラム用紙には、
露点温度からこの混合比を読み取るための
等混合比線等飽和混合比線ともいう)が予め描かれている。

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2017年10月23日 (月)

水蒸気のはなし(その1)

露点温度のはなしをしたところで、
関連して、水蒸気のことを書いてみよう。
少し難しくなるかもしれない。

大気中の水蒸気量を表す指標は、
前述の露点温度の他にも
様々なものがある。

もっとも使われているのが相対湿度だろう。
通常は省略して単に湿度と呼ばれているが、
相対湿度が正式名称だ。
相対とつく以上、何かに対して比較しているのだが、
これについては後日改めて詳しく書きたい。

この相対湿度を算出するために必要な
水蒸気密度水蒸気圧も、
それ自身が水蒸気量を表す指標のひとつだ。

天気予報の世界では、
混合比もかなりよく使われる。
前述のエマグラムにも等混合比線
等飽和混合比線といわれることもある)
が描かれており、
気象予報士試験受験者には
理解必須
の項目の一つだ。

これと似ているものに比湿というのもある。
値としては混合比にかなり近いが、
意味が少し違う。

他にもいろいろあるが、
次回から、上記のものを順次解説していきたい。

なお、実効湿度という指標は
乾燥注意報の基準としても使われているが、
これは大気中の水蒸気量を表すものではなく、
木材の乾燥具合を表す指標である。

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2017年10月22日 (日)

霧のはなし

話の流れで、について書いてみよう。

微小水滴
により
視程が1km未満
になった状態を「」、
視程が1km以上10km未満の状態を「もや
という。


霧は「海霧」「川霧」などいろいろあるが、
成因によって5種類に分類できる。
放射霧移流霧混合霧蒸気霧)、前線霧滑昇霧上昇霧
がそれである。

放射霧
は、
名前のとおり放射冷却によって地表面が冷え
地表面付近の気温が露点温度まで下がり、
更に冷えて発生する。
晴れた夜~明け方にかけて、
風が弱い時に発生
しやすい。
雨の次の日、
冷気の溜まりやすい盆地、
アスファルトなど冷えやすい地表面
などで特に起こりやすい。

移流霧は、
暖かく湿った空気が

冷たい地面や海面に移動して冷やされ

露点温度以下になって発生する。
春先に、積雪の残っているところに
比較的暖かい雨が降って発生する霧も、
水蒸気の補給のされ方は違うし
移流も伴わないものの、
冷たい地面に冷やされて発生するという点で仕組みが似ている。

湯気や、白い息と同じような成因で出来るのが
混合霧
蒸気霧)だ。
暖かく湿った空気が、
周囲の冷たい空気と混じって気温が下がり、
飽和して発生
する。
自然界では、
比較的暖かい水面に、
非常に冷たい空気が接して発生する
海霧や川霧などがある。

前線霧
は比較的珍しい霧かも知れない。
温暖前線の前面

(主に北東~東側、前線が進んでくる方向)で、
止み間の少ない長時間の雨が降って、
地表面付近の空気の相対湿度が上がった状態で、
更に上空の暖気からより暖かい雨が降った時に
発生
することがある。

風向きの影響などによって、
斜面に沿って空気が上昇
することがある。
上昇すれば気圧が下がり、
断熱膨張
(周囲との熱のやり取りなしに体積が膨張すること)
で気温が下がる。
気温が露点温度まで下がって
更に斜面上昇を続ければ凝結が始まり、
霧が発生する。
これが滑昇霧上昇霧)だ。

かつて秋田空港の気象観測に携わっていたが、
滑走路の東側によく霧が発生する。
雨の日やその翌日の、
晴れた夜の明け方に多かった。
おそらく、
放射霧と滑昇霧の複合的な霧であったろう。
滑走路面が熱しやすく冷めやすい
(放射冷却で冷えやすい)
ことなども霧の発生を助長しているだろう。

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2017年10月21日 (土)

気温のはなし(その4)・露点温度のはなし

「気温のはなし」というタイトルだが、
話の流れで露点温度について書く。


気温のはなし(その3)に出てきたエマグラムには、
上空の気温だけでなく、
露点温度もグラフとして描かれる。

露点温度とは

圧力(気圧)一定のもとで空気を冷却していくと
空気中の水蒸気はある温度で飽和(相対湿度100%)に達し、
凝結し始める(露を結ぶ)。
そのときの温度のことである。
文字どおり、を結ぶだ。

名前は「温度」だが、
大気の温度(気温)とは関係なく、
大気中に含まれる水蒸気の量を表す指標である。

大気中の水蒸気量を表す指標はいろいろあるが、
日常生活で最も実用的なのは露点温度だろう。
気温が何度まで下がれば結露しはじめるのかがわかる
という点が実用的である。

気温と露点温度の差
湿数(しっすう)と呼ぶが、
通常、これが大きいほど空気は乾いていると思っていい。


何らかの理由で気温が露点温度まで下がったり、
あるいは水蒸気が補給されて
露点温度が気温と同じになるまで上がったりすると、
相対湿度が100%となる(飽和する)。

同様の状況がさらに続くと結露が始まり、
気象現象としては「雲」が発生したり、
地表面では「霧」や「もや」が発生する。


実際の大気では、
大気中のエーロゾル(塵や埃)の種類や量によっては、
飽和する前に凝結が始まるし、
逆にエーロゾルが全くなければ、
飽和してもなかなか凝結は始まらない。

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