冬に白い空気を吸うのは、すべて寒さのせいではないでしょうか？南極には白い空気はありません！

ここ数日、気温が下がり続けており、国内のほとんどの地域で「急速凍結」モードに入り、南部のいくつかの都市では雪も降っている。南の友達はついにインターネットに接続せずに雪を見ることができるようになりました!

画像出典: 編集者の友人たち

しかし、天候が寒くなると、あくびをしたり、話したり、呼吸したりすると白い空気が出ます。白い空気は冬と寒さの象徴となっているようです。冬には白い息を吐くのに、夏には吐かないのはなぜか疑問に思ったことはありませんか?寒ければ寒いほど、吐き出す息は白くなりますか？

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南極は白い空気を吐き出せない

白い空気と寒さの関係を知りたいなら、地球上で最も寒い場所である南極に行って答えを見つけることができます。南極を直接訪れることはできませんが、映画やテレビ作品から手がかりを垣間見ることができます。例えば、テレビシリーズ「南極大陸」では、主人公たちは白い息を吐いているようには見えません。このテレビシリーズは南極で撮影されなかったのでしょうか?そうではありません。南極科学探検中、探検隊のメンバーは白い息を吐くことができないことが多々あります。これはなぜでしょうか?

画像出典: テレビシリーズ「南極大陸」の静止画。これはホワイトガスの原因から始まります。ホワイトガスの本質は、水蒸気の凝縮によって形成された液滴です。私たちの体温は約37度です。冬の気温は私たちが吐き出すガスの温度とは大きく異なります。吐き出されたガスには大量の水蒸気が含まれており、それが瞬時に冷えて凝縮し、小さな水滴を形成し、「白ガス」と呼ばれる状態になります。しかし、水蒸気の凝縮には、さまざまな小さな固体粒子である凝縮核が必要です。小さな粒子に吸着された水蒸気はより速く液体の水に凝縮することができます。南極の空気は非常に清浄で凝結核も少ないため、すぐに水滴が形成されることは難しい。水蒸気がすぐに凝縮しない場合は、周囲の空気中に拡散します。密度の低い水蒸気は凝縮しにくいため、「白い空気」は見えません。

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水の3つの形態

水の状態図を詳しく見てみましょう。状態図の各点は、対応する温度と圧力で安定して存在するときの水の状態を表します。私たちが吐き出す水蒸気の分圧は、一般的に 0.6 kPa から 101 kPa の間です。温度が下がると、水蒸気の位相点は左に移動し、液体の水になります。

しかし、空気中に凝縮核がない場合、水蒸気は一時的に「過冷却」状態になります。このときに凝縮核が突然出現すると、水蒸気は急速に液化して大量の水滴を形成します。しかし、凝縮核が現れる前に水蒸気が拡散し、圧力が0.6kPa以下に下がると、液体の水に凝縮しなくなります。気温が下がり続けても、水蒸気は直接固体の氷に凝縮され、白ガスは発生しません。

水の状態図

画像出典：中国科学院の声

空気中の水蒸気圧が0.6kPaより低い場合、水蒸気は直接凝縮して氷の結晶を形成します。北部の冬は一般的に乾燥しているので、外の気温が非常に低い場合、家の中の水蒸気は低温の窓に当たると直接凝縮し、美しい氷の花を形成します。

冬の雪も自然界で水蒸気が直接凝縮して形成されます。拡大してみると、雪の結晶が美しい六角形になっていることがわかります。これは水蒸気が凝縮して自然に形成される構造であり、低圧水蒸気の傑作です。

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空気中の水蒸気の圧力が 0.6 kPa より高い場合、水蒸気は冷却されて水滴を形成します。高い空にある場合は、私たちがよく知っている雲です。低い空にある場合は、霧と呼ばれます。つまり、私たちが吐き出す白い空気と雲や霧は本質的に同じものなのです。

一般的に、夜間は気温が低くなるため、朝に霧が発生します。空気中に水蒸気が多くなると、凝縮して霧になります。太陽が出てくると、気温が徐々に上昇し、夜間に発生した霧はゆっくりと消えて、再び水蒸気になって蒸発します。

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凝縮核の利点と欠点

凝縮核の原理を理解することで、凝縮核を使用してより速く液滴を生成することができます。雲の中に適切な凝結核やその他の触媒を散布することで、雲の中の水滴がより速く成長して落下することができ、これが人工降雨です。人工降雨のプロセスは実は非常に複雑ですが、非常に重要な要素の1つは凝結核を増やすことです。ただし、凝結核を増やすこの方法は、雲が雨に変わる過程を加速させるだけであることに注意する必要があります。雲自体に雨滴を形成する能力がない場合、凝結核をさらに追加しても無駄になります。

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凝縮核は役に立つこともありますが、意図せず生成された凝縮核が問題を引き起こすこともあります。自動車の排気ガスや工場の排気ガスなどには、凝縮核が大量に含まれており、これがいわゆるスモッグを形成します。実際、霧と霞は異なるものです。霧は空気中の水やその他の液体を含む小さな水滴であり、一方、霞は空気中の固体粒子です。

一般的に、粒子が小さいほど空気中に長く留まり、人体に吸い込まれやすくなります。大気汚染を抑制するために、国はさまざまな汚染物質に対する基準を定めています。たとえば、PM2.5 は、直径が 2.5 ミクロン未満の空気中の微粒子を指し、対応する PM10 は、直径が 10 ミクロン未満の空気中の粒子を指します。つまり、PM10にはPM2.5も含まれることになります。

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これらの微粒子は開発プロセスの「副産物」です。それに比べて、南極に白い空気がないのは、空気の質が非常に良いからです。近年、効果的な統治により、空気の質は徐々に改善されてきました。大気汚染は開発過程における単なる成長痛だと私は信じています。寒い冬に、いつものように白い空気を吐き出せない日があったとしても、それは汚染防止対策後に自然が私たちに与えてくれる最高のフィードバックなのです！

著者: 江昌博士、中国科学院物理研究所

編集者: ティンカーベル

タイトル画像出典: sohu.com