| （１−１） ストローでジュースを飲む 私たちはコップのジュースを飲むのにストローを使います。ストローを使うとなぜジュースが飲めるのでしょうか。実はストローを使ってジュースを飲むという至極日常的な行為では、私たちは大気の圧力を巧みに利用しているのです。試しに、ストローの代わりに少し長いビニールチューブを使って、机の上に立ち、床に置いたジュースを飲んでみましょう。それでもジュースはのめるでしょうか。きっとジュースは飲むことはできたと思いますが、いつもよりかなり強い力で吸わないとジュースが上がってこなかったことでしょう。それはなぜでしょうか。また、ジュースを飲むことのできる高度差には限界があるのでしょうか。この問題を考えることからスタートすることにしましょう。
 実はこのようにして管を使って水を吸い上げる方法は昔からよく使われています。右の図のような「吸い上げポンプ」をみなさんはどこかで見たことがあるでしょう。これは、井戸の水を汲み上げるために使われるもので、ストローを使ってジュースを飲むのと同じ原理で働くものです。（１−２）吸い上げポンプの不思議 この吸い上げポンプはとても便利で、昔から広く使われていました。ところが、不思議なことに、井戸の深さが１０ｍくらいになると、いくらがんばっても水をくみ出すことができないということが知られていました。いろいろな科学者がそれを説明しようとしましたがなかなかうまくいきません。この問題に答を出したのがエヴァンゲリスタ・トリチェリーでした。1643年のことです。 （１−３）大気圧の発見 トリチェリーの着想のポイントは「空気に重みがある」でした。管  の外側の水面には大気の重みがしっかりかかっているのに対して、管の内側は空気を抜き去るのでその分少ない重みが水面にかかっている。その結果、管の中の水は「押し上げられて」釣り合いを保とうとする。というわけです。管の上の空気をより多く吸い出すほど、管の中の空気の重みが減るので水面は高く上がっていきます。そして、その極限がおよそ10mということなのです。このようにして、トリチェリーは大気がおよそ10mの水の柱の重さに匹敵する重さを持っていると結論しました。これが大気圧の概念の始まりとされています。その後、大気圧と天気が密接に関係していることがわかってきました。いわゆる天気図には色々な情報が描きこまれていますが、気圧の分布がその中でも最も重要な要素になっています。もしも水ではなくてもっと重い液体だったら押し上げられる高さは10mよりずっと低いはずです。例えば、水銀は密度が水の13.59倍ありますので、大気圧によって押し上げられる高さは76ｃｍ程度しかありません。大気圧の大きさはそれが押し上げることのできる水銀の柱の高さで測定できることができるわけで、このようにして開発された水銀気圧計はその後長い間気象観測の重要な機器として活躍してきています。
（１−４） 大気圧の大きさ 大気の重さは水の柱約10m分に相当することがわかりました。1m2の上に10mの高さの水を積み上げると、その体積は10m3になります。水の質量は１m3あたり1000kgありますから、全体では10000kgすなわち10トンです。つまり、1m2あたりに約10トンの重みがかかっているわけです。大気は意外と重いのです。よく「空気のように軽い」という言葉が使われますが、地球の重力によって地表に押し付けられている大気全体の重さは決して軽くありません。もっとも、地表近くで1m3の空気を取り出したらその重さは1.2kg程度です。これなら他のものに比べると軽いといえるかも知れません。 1m2あたり10トンもの力が働いているのに私たちの体やペットボトルや缶がぺちゃんこにならないのはどうしてでしょうか。それは体やペットボトルや缶の内側にも同じだけの圧力が働いて押し返しているからです。
＜気圧の単位＞圧力は単位面積あたりにはたらく力ですから、その単位は[N・ｍ-2]です。この単位は[Pa]（パスカル）とも表示されます。つまり、１[N・m-2]＝１[Pa]です。 大気の圧力をPaであらわしてみると、次のようになります。質量m[kg]の物体に働く力はmｇ[N] （ｇは重力加速度で、地表近くではおよそ9.8m･s-2）であり、水1m3あたりの質量は1000ｋｇですから、大気圧は水柱の高さ10.34ｍを用いて 10.34×1000×9.8[Pa]≒101300[Pa] です。これを1気圧とします。また、100[Pa]を１[ｈPa]（ヘクトパスカル）と書き直して、1気圧≒1013[ｈPa]と書きます。 （１−５）大気圧の高さによる変化 大気の温度が高度によってやや複雑な変化をしているのに対し、大気圧は高度とともに単調に減少しています。この高度による気圧の変化があるからこそ、大気中では雲が発生し雨が降ったりするわけで、大気圧の高度変化はいわばお天気を作り出すとても重要な舞台と言っていいでしょう。トリチェリーの指摘したように大気圧が大気の重みだとするなら、高度が高いほどその上にある大気の量が少なくなるわけですから気圧は低くなると予想されます。パスカルは1648年にこのような推論を行って、高さとともに気圧が減少すると予想し、実際にトリチェリーの水銀気圧計を携えて山に登り、高度によって確かに大気圧が減少していることを突き止めたといいます。 スキーや登山で山に登ったとき、スナック菓子の袋がパンパンに膨れ上がっていたという経験はありませんか。下・左の写真はその様子を示します。反対に高度の高いところで缶にふたをして低地にもってくると、缶がつぶれているということもあります。下・右の写真は高度2127mの地点でふたをした缶を愛知教育大学に持ち帰ったときの写真です。
もしも、真空容器（真空デシケーターなど）が手に入れば、次のような実験もできます。容器の中に半ばまで膨らませた風船を入れておいて（下の写真・左）、手動式ポンプで空気を抜いていきます。風船は次第に膨らんでいってやがてまるくなってしまいます（下の写真・右）。容器の中に高度計を入れておくと高度が上がるにつれて風船が膨らむようすがわかります。
高度による気圧の変化の割合は、どの高さでも同じではありません。大気は重力によって地表に押し付けられていますので、地表近くの大気はぎゅっと押し縮められていますし、高層の大気は大きく広がっています。それは座布団をたくさん積み重ねたときのようすを想像すればわかります。下のほうの座布団が上の座布団の重みでぺちゃんこにつぶれているのに対して、上のほうの座布団はふかふかのままでしょう。従って高度差１ｍあたりの空気の質量は下層で大きく、上層で小さくなっています。だから、１ｍ上昇したときの圧力変化（低下）は下層で大きく、上層で小さいと考えられます。  このことをもう少しきちんと考えて見ましょう。いま、大気中に地表から大気上端まで延びる長い空気の柱を考えます。断面積を１m2とします。高度Z1で気圧がP1であるとし、その少し上の高度Z2で気圧がP2であるとします（右図）。このとき、P2とP1の差は、右の図で黄色の水平面で仕切られた部分の空気の重さに等しいわけですから、この間の空気の密度をρと書くと、 （P2−P1）×１＝−ρ×１×（Z2−Z1）×ｇ ｇは重力加速度です。左辺に１がかけてあるのは、気圧は単位面積あたりの力なので、実際に働く力に直すには断面積をかける必要があるからです。また、右辺にマイナスがついているのは気圧が高度とともに減少するからです。結局、 （P2−P1）／（Z2−Z1）＝−ρｇ という関係が得られます。これは単位の距離上昇したときの気圧の低下の割合が空気の密度と重力の加速度の積で与えられることを表しており、「静水圧平衡の式」と呼ばれています。地球大気の平均的な高度と気圧の関係をグラフに表したものを下に示します。
左の図は地表から高度120kmまでの気圧変化を示したものです。30kmくらいまでは急激に気圧が低下していますが、その上では気圧はほぼ一定で、ゼロに近い状況となっています。このことは、地球大気の厚さが実質的には30km程度であることを示しています。 地表から10kmまでの部分を拡大したものが右の図です。大気の下層では気圧の低下の割合は大体一定しており、大雑把に言って1km上昇するごとに気圧はほぼ100ｈPa減少しています。この割合は上で計算した式−ρｇにρ≒1.0、g=9.8を代入して計算した値、−10［Pa・m-1］に対応します（＝−100[ｈPa・km-1]）。 上の気圧分布は平均的なもので、細かく見ると場所によって少しずつ異なります。例えば大気上層で気圧が700ｈPaである点を連ねていってできる面（等圧面といいます）はほぼ高度3000m付近にありますが、多少場所によって高いところと低いところができます。この等圧面の高低を地形図のように等高度線で表したものが高層天気図です。等圧面の高度が高い所（等高度線の値が大きい所）が水平面で見たときに気圧の高いところに対応します。高層天気図は850ｈPa、700ｈPa、500ｈPa、300ｈPa、100ｈPa などの等圧面で描かれるのが普通です。実際の天気図は例えば北海道放送局のホームページのお天気のサブページから入手できますので、参照してみてください。 |
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☆まず、この実験で使う「簡易気圧変化検出装置」の基本的な構造と原理を説明します。
