水は圧縮できますか？

地球の表面の約70％は海で覆われていますが、海、特に多くの未知のものが隠されている暗い深海については、私たちは十分に知りません。

人類は海の深さについて推測することを決してやめませんでした。

人類が知る海の最も深い部分はマリアナ海溝で、その最深部は約 11,000 メートルに達します。この数字を知ってから、みんなが、海に鉄球を投げて1万1000メートルの深さまで沈めたらどうなるかなど、いろいろなことを考えるようになりました。

今日は、別のシナリオについてお話します。密閉容器に水1リットルを入れて、水深11,000メートルの海の底から引き上げたら、水はどうなるでしょうか？次は一緒に見ていきましょう！

深海の水は表面の水と同じではないのですか？

11,000メートルの深さの海底から水が上がってくると何が起こるのでしょうか?

人間は現在、水深1万1000メートルの海底を自由に歩くことはできないが、特殊な潜水艇に乗ることで「海底への着陸」に成功している。

そこで、人々に水深 11,000 メートルの海底から 1 リットルの水を汲み上げ、容器を満たし、その後容器を水面まで持ち上げて容器内で何が起こるかを観察してもらうというアイデアです。

一見普通の水にも「謎」がある

まず、この実験は実際には一度も行われたことがないため、すべての結果は理想的な条件でのデータに基づいて推測されていることに注意してください。実際にこの実験を行った場合、得られる結論にはある程度の誤差が含まれる可能性があります。

深海の気圧が強すぎるため、人々は昔から深海を恐れてきました。一般的に、水深が 10 メートル増加するごとに気圧は 1 気圧上昇し、水深 11,000 メートルでの気圧は約 111135300 Pa に達し、これはおよそ 1,100 気圧に相当します。この場合、水の密度が変化し、よりコンパクトに「圧縮」されます。

水の3つの状態の模式図

具体的な数値によれば、ここでの水の体積は約 4.96% 圧縮されることになります。したがって、この圧縮された水を密閉容器に入れて取り出すと、水は圧力変化の影響を受けます。

正確に言うと、水から出ると必ず体積が膨張し、膨張した体積は元の体積の約1.05倍になります。

海水の量も深さに応じて変化することがわかります。

このことから、密閉容器が十分に大きい場合、水の膨張はそれほど影響を与えないことがわかります。それで、これは本当にそうなのでしょうか?容器を開けると何か他のことが起こりますか?

これは、1930 年代にバートンとビーバーが球形の深海探査機をテストしていたときに何が起こったかにつながります。ビーバー自身も動物に非常に興味を持っている人物であり、関連の研究からニューヨーク動物園の園長を務めたこともある。動物標本収集が好きなビーバーさんは、一定の成功を収めた後、海に目を向けた。

ビーバー（左）とパットン（右）

1928年、英国政府はビーバーにバミューダに研究施設を設立し、そこでの海洋生物を研究する権限を与えることに同意した。

当時の潜水艦は383フィートまで潜ることができたが、外界を観察するための窓はなく、海洋動物の動きを観察したかったビーバーにとっては何の役にも立たなかった。

この知らせは技術者のパットンにも伝わり、彼はすぐに自分の設計をビーバーに伝え、承認と協力を得た。

データによると、パットンは当時自ら設計を説明し、実演したという。 「この潜水艇は球体で、深海の巨大な圧力に耐えることができます。3つの開口部があり、溶融石英製の厚い窓を3つ取り付けることができます。」

人類が深海を探索するために使用した最初の装置

それが完成した後、二人は関連する実験を始めました。最初の数回は順調に進みましたが、その後、一生忘れられない事故が発生しました。あるテスト中に、ダイビングボールが浮上したときに水が満たされていたことが判明しました。

最初、二人はダイビングボールが漏れていることに気付いていたものの、深刻には考えず、すぐに「密閉」された金属製のキャビンを開けた。しかし、彼らは、金属製ハッチのボルトを開けると、内部の水が「砲身」のように噴き出し、ボルトが飛び出して甲板上の鋼鉄製ウインチの明らかな隙間を壊してしまうとは予想していませんでした。

ビーバーは後に自伝「ハーフ・マイル・ディープ」の中で、もし当時二人がカプセルの中にいたら、その圧力のかかった水は「溺れる前に鋼鉄の弾丸のように二人の筋肉と骨を撃ち抜いていただろう」と述べていると伝えられている。

潜水艦に乗ったパットンとビーバー

この点から、水が深海から地表に戻るとき、水が膨張するだけでなく、それ自体に「圧力」がかかることも理解するのは難しくありません。この密封された容器を開けた時にのみ、その力を体験することができます。このときのコンテナと水は「爆弾」のようなもので、大きな脅威となると言っても過言ではありません。

この時点で、水は本当に圧縮できるのか、という疑問を抱く人もいるかもしれません。海の深さ11,000メートルの水は、私たちが普段見ている水と本当に違うのでしょうか？

圧縮された水はどのように見えるでしょうか?

水は圧縮できますか？

多くの人が信じないかもしれませんが、水は確かに圧縮することができます。まず、微視的な視点から見ると、水は水分子で構成されています。さまざまな環境条件下では、水は固体、液体、気体の状態を行き来することができ、つまり分子間の距離が「変化する」余地があるということです。

たとえば、目に見える水蒸気間の分子距離は、実際には液体の水間の分子距離よりも大きいのです。したがって、適切な条件下では、水蒸気を圧縮しても問題ありません。水を圧縮できるかどうかは、実際には温度と圧力の変化によって決まります。

水分子の構造の模式図

上で説明した深さ 11,100 の水の変化は、主に圧力に関係しています。この場合の水の圧縮は他の物質に比べて明らかではありませんが、それでもこの圧縮を無視することはできません。

もちろん、圧縮されるのは水の質量ではなく体積です。時々、この2つを混同する人がいます。例えば、海面と海底の水の体積が異なるのを見ると、水の質量も減少したと考えます。ご存知のとおり、質量保存の法則によれば、密度を単純に変更しても総質量には影響しません。

水分子の概念図

科学者たちは、水をできるだけ圧縮するためには、圧力を上げるだけでなく、温度を下げることも必要だと考えていることは注目に値します。この点では、海底は目に見えない形で基準を満たしていたようだ。さらに、水はどの程度まで圧縮できるのか疑問に思う人もいます。

技術や環境などの要素を無視すれば、理想的な条件下で水を猛烈に圧縮すれば、最終的には「固体」に圧縮することが可能です。

しかし、この時の「水」はもはや水とは呼べず、別の種類の不思議な存在となっているのかもしれません。

水の3つの形態

まとめると、深海11,000メートルから水を汲み上げるとどのような変化が起こるのか、皆さんも理解できたはずです。深海の水圧がいかに恐ろしいものかは皆さんも実感されていると思います。では、この暗い海底で生き残れる生物は本当にいるのでしょうか?

人類はまだ深海を征服していない

人間は、テクノロジーを頼りにどこへでも行けるし、征服できない場所はないと常に信じてきました。しかし、宇宙遊泳は完了したが、深海遊泳はまだ完了しておらず、これは人類がまだ深海を征服していないことを証明している。

海は宇宙と同じくらい神秘的である

この時点で、ここの環境は非常に過酷なので、人が潜水艇から直接歩き出すと「押しつぶされる」かもしれないと言う人がいるかもしれません。

実際、現在の状況は誰もが想像する以上に悲惨なのかもしれません。結局のところ、潜水艦が崖から落ちて崩壊するという悲劇を多くの人が見たことがあるのです。人類が途方に暮れていたころ、ある生物がすでに水中世界を占領していたことは特筆に値します。

多くの生き物は私たちが思っているよりもずっと強いです。

潜水艇でマリアナ海溝の底に着陸することに成功した後、人々はそこに生物がいるかどうかを調べる「生物調査」を開始したことが判明した。

溝の見た目は暗くて不毛であるにもかかわらず、この暗い「スラム」には、奇妙な見た目の魚など、実に多くの生物が生息していることが判明しました。

水深8718メートルで撮影されたミノカサゴ

もちろん、科学者たちは最も見たくないもの、つまりプラスチック廃棄物も目にしました。言い換えれば、人類は深海を征服していないが、私たちの「ゴミ」はそれを成し遂げたのだ。彼らは海の底まで到達し、そこに生息する生物に危害を加え続けています。

もし、過去に海溝の生物たちが単に「満腹ではなかった」のは、環境があまりにも不毛だったからだとしたら、今では彼らは満腹になるまで食べることができるが、彼らが食べるのは人間が投げた「ゴミ」なのだ。

マリアナ海溝の底に静かに横たわるプラスチック廃棄物

さらに、プラスチック廃棄物は分解が非常に遅いため、ここに生息する生物は今後数百年、数千年にわたって廃棄物と共存しなければなりません。もし人間が本当にここから水をすくい取ることができれば、おそらくその中に無数の「マイクロプラスチック」が見つかるだろう。

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