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水蒸気、水蒸気、または水蒸気は、水の気相です。水蒸気は、水圏における水の状態の 1 つです。水蒸気は、液体の水の蒸発または沸騰、あるいは氷の昇華によって生成されます。水蒸気は、大気のほとんどの成分と同様に透明です。[ 3 ]通常の大気条件下では、水蒸気は蒸発によって継続的に生成され、凝縮によって除去されます。水蒸気は、空気の他のほとんどの成分よりも密度が低く、雲や霧につながる対流を引き起こします。
水は地球の水圏および水循環の構成要素であり、特に地球の大気中に豊富に存在し、温室効果ガスおよび温暖化フィードバックとして作用し、二酸化炭素やメタンなどの非凝縮性ガスよりも温室効果全体に大きく寄与しています。水蒸気は、調理に重要な役割を果たすとともに、産業革命以降、エネルギー生産および輸送システムの主要な構成要素として利用されてきました。
水蒸気は比較的ありふれた大気成分であり、太陽大気や太陽系のすべての惑星、そして天然衛星、彗星、さらには大型小惑星を含む多くの天体にも存在します。同様に、太陽系外の水蒸気が検出されれば、他の惑星系でも同様の分布が見られることを示唆します。また、水蒸気は、一部の惑星質量天体の場合、地球外の液体の水の存在を裏付ける間接的な証拠となる可能性もあります。
温度変化に反応する水蒸気は、温暖化を最初に引き起こす力の効果を増幅するため、「フィードバック」と呼ばれます。したがって、水蒸気は温室効果ガスです。[ 4 ]
水分子が表面から離れて周囲の気体に拡散するたびに、それは蒸発したと言われます。より密接な状態（液体）とより疎接な状態（蒸気/気体）の間で変化する個々の水分子は、運動エネルギーの吸収または放出によって変化します。この運動エネルギー伝達の総量は熱エネルギーとして定義され、水分子の温度に差がある場合にのみ発生します。液体の水が水蒸気になると、蒸発冷却と呼ばれるプロセスで熱の塊を一緒に運びます。[ 5 ]空気中の水蒸気の量は、分子が表面に戻ってくる頻度を決定します。正味の蒸発が発生すると、水体は水の損失に直接関係する正味の冷却を受けます。
米国では、国立気象局が全国各地の屋外の標準的な「パン」と呼ばれる開放水面からの実際の蒸発率を測定しています。世界各地でも同様の測定が行われています。米国のデータは収集され、年間蒸発マップにまとめられています。[ 6 ]測定値は年間30インチ未満から120 インチ以上まで幅があります。スイミングプールなどの水面からの蒸発率を計算するための式も使用できます。[ 7 ] [ 8 ]一部の国では、蒸発率が降水率をはるかに上回っています。
蒸発冷却は、大気の状態によって制限されます。湿度は、空気中の水蒸気の量です。空気中の水蒸気量は、湿度計と呼ばれる装置で測定されます。測定値は通常、比湿度または相対湿度パーセントで表されます。大気と水面の温度によって平衡水蒸気圧が決定されます。相対湿度が 100% になるのは、水蒸気の分圧が平衡水蒸気圧と等しい場合です。この状態は、完全飽和と呼ばれることがよくあります。湿度は、乾燥空気中の 0 グラム/立方メートルから、 30 °C で水蒸気が飽和しているときの 30 グラム/立方メートル (0.03 オンス/立方フィート) まで変化します。[ 9 ]
昇華とは、水分子が液体の水にならずに直接氷の表面から離れる過程です。昇華は、融解を引き起こすには低すぎる気温で真冬に氷や雪がゆっくりと消えていく現象です。南極大陸は、地球上で降水量が最も少ない大陸であるため、この現象が独特の程度で現れます。[ 10 ]その結果、何千年にもわたって積もった雪が昇華し、その中に含まれていた非揮発性物質が残された広大な地域が存在します。これは特定の科学分野にとって非常に貴重であり、その劇的な例として、他に類を見ないほど多くの隕石が良好な状態で露出していることが挙げられます。
昇華は、走査型電子顕微鏡用の特定の種類の生物学的試料の調製において重要である。通常、試料は凍結固定と凍結割断によって調製され、その後、破断面は凍結エッチングされ、必要なレベルのディテールが現れるまで真空にさらされて侵食される。[ 11 ]この技術により、タンパク質分子、細胞小器官構造、脂質二重層を非常に低い歪み度で表示することができる。
水蒸気は、その表面が露点温度よりも低い場合、または空気中の水蒸気平衡を超えた場合にのみ、その表面に凝結します。水蒸気が表面に凝結すると、その表面では正味の温暖化が起こります。[ 12 ]水分子は熱エネルギーを運びます。その結果、大気の温度はわずかに低下します。[ 13 ]大気中では、凝結によって雲、霧、降水が発生します（通常は雲凝結核によって促進される場合のみ）。空気塊の露点とは、空気中の水蒸気が凝結し始める前に、その空気塊が冷却されなければならない温度です。大気中の凝結によって雲粒が形成されます。
また、表面温度が大気の露点温度以下になると、表面上で水蒸気の正味の凝縮が起こります。沈着は凝縮とは異なる相転移であり、水蒸気から直接氷が形成されます。霜や雪は沈着の例です。
凝結が起こる冷却メカニズムにはいくつかあります。1) 伝導または放射による直接的な熱損失。2) 空気の上昇に伴う気圧の低下による冷却。これは断熱冷却とも呼ばれます。空気は、山によって上方に偏向されること、対流、寒冷前線や温暖前線によって上昇します。3) 移流冷却 - 空気の水平方向の移動による冷却。
化学反応の中には、水が生成物となるものがいくつかあります。反応が周囲の空気の露点よりも高い温度で起こると、水は蒸気として生成され、局所的な湿度が上昇します。露点よりも低い温度で起こると、局所的な凝結が起こります。水の生成につながる典型的な反応としては、空気中または酸素を含む他の混合ガス中での水素や炭化水素の燃焼、あるいは酸化剤との反応などが挙げられます。
同様に、水蒸気の存在下では他の化学的または物理的反応も起こり、鉄や鋼鉄の錆などの新しい化学物質の生成、重合（特定のポリウレタンフォームやシアノアクリレート接着剤は、大気中の湿度にさらされると硬化する）の発生、または無水化学物質が十分な量の水蒸気を吸収して結晶構造を形成したり、既存の構造を変化させたりするなど、形態の変化が生じる可能性があります。場合によっては、測定に使用できる特徴的な色の変化が生じることもあります。
媒体中の水蒸気量を測定するには、直接測定と遠隔測定があり、精度は様々である。遠隔測定法としては、惑星大気圏上空の衛星から電磁波吸収法などが可能だ。直接測定法では、電子変換器、湿潤温度計、吸湿性材料などを用いて、物理的性質や寸法の変化を測定する。
水蒸気は乾燥空気よりも軽く、密度が低い。[ 15 ] [ 16 ]同等の温度では、乾燥空気に対して浮力があり、標準温度と圧力（273.15 K、101.325 kPa）での乾燥空気の密度は 1.27 g/L であり、標準温度での水蒸気の蒸気圧は0.6 kPa で、密度ははるかに低い 0.0048 g/L である。
0 ℃（32 °F）における水蒸気密度と乾燥空気密度の計算：
同じ温度では、乾燥した空気の柱は、水蒸気を含む空気の柱よりも密度が高く、重くなります。これは、二原子窒素と二原子酸素のモル質量がどちらも水のモル質量よりも大きいためです。したがって、乾燥した空気の体積は、より大きな体積の湿った空気の中に置かれると沈みます。また、湿った空気の体積は、より大きな乾燥空気の領域に置かれると上昇し、浮力を得ます。温度が上昇すると、空気中の水蒸気の割合が増加し、浮力も増加します。浮力の増加は、大気に大きな影響を与え、気温と海水温が25℃以上に達すると、強力で水分を豊富に含んだ上昇気流が発生します。この現象は、低気圧性および高気圧性の気象システム（台風やハリケーン） の大きな原動力となります。
水蒸気は、植物や動物の呼吸の副産物です。その濃度が高くなるにつれて、気圧への寄与も大きくなります。水蒸気の分圧が増加すると、他の大気ガスの分圧は低下します（ドルトンの法則）。そのため、全体の気圧は一定に保たれます。空気中に水蒸気が存在すると、その濃度が高くなるにつれて、他の空気成分が自然に希釈または置換されます。
これは呼吸に影響を与える可能性があります。気温が非常に高い場合（35 ℃）、水蒸気の割合が十分に高くなるため、湿度の高いジャングルや換気の悪い建物で感じるような息苦しさが生じます。
水蒸気は空気よりも密度が低いため空気中で浮力を持ちますが、水蒸気圧は空気よりも低くなります。熱気球で水蒸気を揚力ガスとして使用する場合、水蒸気は加熱されて蒸気となり、その蒸気圧が周囲の気圧よりも高くなるため、理論上の「蒸気気球」の形状が維持され、ヘリウムの約60%、熱気の2倍の揚力が得られます。[ 18 ]
大気中の水蒸気量は、分圧と温度の制約によって制限されます。露点温度と相対湿度は、水循環における水蒸気の過程を左右する指標となります。太陽光などのエネルギーが加わると、海面での蒸発量や山頂の氷塊の昇華量が増加します。凝縮と蒸発のバランスによって、水蒸気分圧と呼ばれる量が決まります。
空気中の水蒸気の最大分圧（飽和圧力）は、空気と水蒸気の混合物の温度によって変化します。この量については様々な経験式が存在しますが、最もよく用いられる基準式は、摂氏零度以下の液体の水上の飽和水蒸気圧（SVP）に関するゴフ・グラッチの式です。
ここで、 Tは湿潤空気の温度で、単位はケルビン、pはミリバール（ヘクトパスカル）で表されます。
この式は約-50℃から102 ℃の範囲で有効ですが、過冷却液体の水上の水の蒸気圧の測定値は非常に限られています。他にも使用できる式がいくつかあります。[ 19 ]
水の沸点に達するなど、特定の条件下では、相対湿度に関わらず、標準的な大気条件下では必ず正味の蒸発が発生します。この即時的なプロセスにより、大量の水蒸気がより低温の大気中に放出されます。
呼気は体温ではほぼ完全に水蒸気と平衡状態にあります。しかし、冷たい空気中では呼気中の水蒸気は急速に凝縮し、水滴の霧や靄、あるいは表面の結露や霜として現れます。呼気中の水滴を強制的に凝縮させることが、発展途上の医療診断法である呼気凝縮液検査の基礎となっています。
空気中の水蒸気を制御することは、暖房、換気、空調（HVAC）業界において重要な課題です。快適な温度環境は、空気の湿度に左右されます。人間以外の快適環境は冷凍と呼ばれ、水蒸気の影響を受けます。例えば、スーパーマーケットなどの多くの食品店では、開放型の冷蔵ショーケースや食品ケースを使用しており、これにより水蒸気圧（湿度）を大幅に下げることができます。この方法は、いくつかの利点と問題点をもたらします。
気体状の水は、大気のごくわずかではあるが環境的に重要な構成要素である。地表付近の空気中の水蒸気の割合は、-42 °C (-44 °F)で 0.01% [ 20 ]から露点が30 °C (86 °F)のときに 4.24% [ 21 ]まで変化する。大気中の水の 99% 以上は液体の水や氷ではなく水蒸気の形で存在し[ 22 ]、水蒸気の約 99.13% は対流圏に含まれている。水蒸気が液体または氷に凝縮することで、雲、雨、雪、その他の降水が生じ、これらはすべて私たちが天気として経験する最も重要な要素に含まれる。あまり知られていないが、凝縮が起こるたびに大気中に放出される蒸発潜熱は、局地的および地球規模の両方で大気のエネルギー収支において最も重要な項の 1 つである。例えば、大気対流における潜熱放出は、熱帯低気圧や激しい雷雨などの破壊的な嵐のエネルギー源として直接的に関わっています。水蒸気は、赤外線を強く吸収するヒドロキシル結合の存在により、重要な温室効果ガスです[ 23 ] [ 24 ]。
水蒸気は、太陽放射による熱エネルギーを風という形で機械エネルギーに変換する大気熱力学エンジンの「作動媒体」です。熱エネルギーを機械エネルギーに変換するには、上層と下層の温度レベル、そしてその両極を行き来する作動媒体が必要です。上層の温度レベルは、地球の土壌または水面によって与えられ、入射する太陽放射を吸収して温められ、水を蒸発させます。地表の湿った暖かい空気は周囲よりも軽く、対流圏の上限まで上昇します。そこで水分子は熱エネルギーを宇宙空間に放射し、周囲の空気を冷却します。上層大気は、大気熱力学エンジンの下部温度レベルを構成します。冷えた空気中の水蒸気は凝結して雨や雪の形で地上に降ります。重くなった冷たく乾燥した空気も地上に沈みます。大気熱力学エンジンは、地表から上層大気へ熱を運び、そこで水分子が宇宙空間へ熱を放射する垂直対流を確立します。地球の自転とそれに伴うコリオリ力により、この垂直大気対流は、サイクロンと反サイクロンの形で水平対流にも変換され、海洋上で蒸発した水を大陸内部へ運び、植生の成長を可能にします。[ 25 ]
地球の大気中の水は沸点（100 °C（212 °F））を下回るだけでなく、高度が高くなると水の強い極性引力により凝固点（0 °C（32 °F） ）を下回ります。その量と相まって、水蒸気は二酸化炭素やメタンなどとは異なり、露点と霜点を持ちます。そのため、水蒸気は凝縮して大気の最下層である対流圏から放出されるため、大気全体のスケールハイトの一部になります。 [ 26 ] [ 27 ] [ 28][29 ]二酸化炭素（CO 2 ）とメタンは大気中でよく混合されているため、水蒸気よりも上に上昇する傾向があります。これらの化合物の吸収と放出は、地球から宇宙への放出、ひいては惑星温室効果に寄与します。[ 27 ] [ 30 ] [ 31 ]この温室効果は、水蒸気とは異なるスペクトル特性によって直接観測可能であり、CO 2レベルの上昇とともに増加していることが観測されている。[ 32 ]逆に、高高度で水蒸気を加えると不均衡な影響が生じるため、ジェット機の交通[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]は不均衡に大きな温暖化効果をもたらす。メタンの酸化も成層圏の水蒸気の主要な発生源であり、[ 36 ]メタンの地球温暖化効果に約 15% を加える。[ 37 ]
他の温室効果ガスが存在しない場合、地球の水蒸気は地表に凝結するだろう。[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]これはおそらく一度ならず起こったであろう。そのため科学者たちは、非凝縮性（駆動）温室効果ガスと凝縮性（駆動）温室効果ガス、すなわち上記の水蒸気フィードバックを区別している。[ 41 ] [ 24 ] [ 23 ]
霧や雲は、雲凝結核の周囲で凝結が起こることによって形成されます。凝結核がない場合、凝結ははるかに低い温度でしか起こりません。凝結または沈着が持続すると、雲粒や雪片が形成され、それらが臨界質量に達すると降水します。
大気中の水蒸気濃度は場所や時間によって大きく変動する。最も寒い空気では10 ppmから5%（湿潤な熱帯の空気中の水は50,000 ppmであり、[ 42 ]地上観測、気象観測気球、衛星の組み合わせで測定できます。[ 43 ]大気全体の水含有量は、降水によって常に減少しています。同時に、海洋、湖、河川、湿った土壌からの蒸発によって常に補充されています。大気中の水のその他の発生源には、燃焼、呼吸、火山噴火、植物の蒸散、およびさまざまな生物学的および地質学的プロセスが含まれます。任意の時点で、大気中には約1.29 × 10 16 L (3.4 × 10 15 US gal)の水があります。大気は、地球上の淡水の 2500 分の 1、および地球上の総水の 100,000 分の 1 を保持しています。[ 44 ]大気中の水蒸気の平均世界量は、地球の表面を約25 mm (0.98インチ)の深さの液体の水の層で覆うのにほぼ十分である。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]地球の年間平均降水量は約1 m (3フィート 3インチ)であり、この比較は空気中の水の急速な循環を示唆している。平均して、対流圏における水分子の滞留時間は約 9 ～ 10 日である。[ 47 ]
世界の平均水蒸気量は、質量で大気の約0.25%であり、季節によっても変動し、大気圧への寄与は7月の2.62 hPa (1.97 mmHg)から12月の2.33 hPa (0.0338 psi)まで変化する。[ 50 ] IPCC AR6は、総水蒸気量が約0.25%増加するという中程度の確信を示している。 10年あたり1～2％ 。1 ℃（1.8 ° F）の温暖化ごとに約7％増加すると予想されている。[ 51 ] [ 45 ]
火山噴火や間欠泉などの地表地熱活動のエピソードでは、さまざまな量の水蒸気が大気中に放出されます。このような噴火は人間にとっては大規模なものになる可能性があり、大規模な爆発的噴火では、非常に大量の水が非常に高い高度まで大気中に注入される可能性がありますが、大気中の全水の割合としては、このようなプロセスの役割は取るに足らないものです。火山から放出されるさまざまなガスの相対濃度は、場所によって、また特定の場所での特定のイベントによって大きく異なります。しかし、水蒸気は常に最も一般的な火山ガスであり、原則として、地表噴火中の全放出量の 60% 以上を占めます。[ 52 ]
大気中の水蒸気量は、さまざまな指標を用いて表されます。これには、水蒸気圧、比湿度、混合比、露点温度、相対湿度などが含まれます。
水分子はマイクロ波やその他の電波周波数を吸収する ため、大気中の水はレーダー信号を減衰させます。[ 53 ]さらに、大気中の水は、それが気体、液体、固体のいずれであるかに応じて、信号を反射および屈折させます。
一般的に、レーダー信号は対流圏を通過する距離が長くなるにつれて徐々に減衰します。周波数によって減衰率が異なるため、空気の成分によっては特定の周波数に対して不透明で、別の周波数に対して透明になるものがあります。放送やその他の通信に使用される電波も同様の影響を受けます。
水蒸気は、水のその他の2つの相に比べてレーダー反射率が低い。水は、滴や氷の結晶の形ではプリズムとして作用するが、個々の分子としては作用しない。しかし、大気中に水蒸気が存在すると、大気は巨大なプリズムとして作用する。[ 54 ]
GOES-12衛星画像の比較により、大気中の水蒸気が地球の海洋、雲、大陸に対してどのように分布しているかがわかります。水蒸気は地球を取り囲んでいますが、分布は不均一です。右側の画像ループは、月平均の水蒸気量を示しており、単位はセンチメートルです。これは、柱内のすべての水蒸気が凝結した場合に生成される可降水量、またはそれに相当する水の量です。水蒸気量が最も少ない領域（ 0 cm (0 in)）は黄色で、最も多い領域（6 cm (2.4 in)）は濃い青色で表示されます。データが欠落している領域は、灰色の濃淡で表示されます。これらの地図は、 NASAのAqua衛星に搭載された中分解能撮像分光放射計（MODIS）センサーによって収集されたデータに基づいています。時系列で最も顕著なパターンは、季節的な気温の変化と入射する太陽光が水蒸気に与える影響です。熱帯では、季節の変化に伴い、非常に湿った空気の帯が赤道の南北を揺れ動きます。この湿潤帯は熱帯収束帯の一部であり、各半球からの東風貿易風が収束し、ほぼ毎日雷雨や雲が発生する。赤道から遠ざかるにつれて、水蒸気濃度は夏を迎えている半球で高く、冬を迎えている半球で低くなる。時系列に現れるもう1つのパターンは、陸地の水蒸気量が隣接する海洋よりも冬の月に減少する度合いが大きいことである。これは主に、陸上の気温が海洋の気温よりも冬に低下する度合いが大きいためである。水蒸気は冷たい空気中でより速く凝結する。[ 55 ]
水蒸気は可視光スペクトル範囲の光を吸収するため、その吸収は分光法（DOASなど）に利用して大気中の水蒸気量を測定することができます。これは、例えばERS（GOME）およびMetOp （GOME-2）に搭載された地球オゾンモニタリング実験（GOME）分光計などによって運用されています。[ 56 ]青色スペクトル範囲およびさらに紫外線領域、解離限界付近までの水蒸気の吸収線は弱くなっています。243 nmは主に量子力学的計算に基づいており、実験によって部分的にしか確認されていません。[ 57 ] [ 58 ]
水蒸気は、大気中の雷の発生に重要な役割を果たします。雲物理学によれば、地球の大気中に存在する静電荷の真の発生源は、通常、雲です。雲が大量の電気エネルギーを蓄える能力は、その地域に存在する水蒸気の量に直接関係しています。
水蒸気の量は空気の誘電率を直接制御します。湿度が低いときは、静電気放電は迅速かつ容易に起こります。湿度が高いときは、静電気放電は少なくなります。誘電率と静電容量は密接に関係しており、雷のメガワット級の出力を生み出します。[ 59 ]
例えば、雲が雷発生源になり始めると、大気中の水蒸気が物質（または絶縁体）として働き、雲が電気エネルギーを放電する能力を低下させます。一定時間経過後、雲が静電気を生成して蓄積し続けると、大気中の水蒸気によって作られた障壁は、蓄積された電気ポテンシャルエネルギーによって最終的に破壊されます。[ 60 ]このエネルギーは、雷の形で局所的に反対に帯電した領域に放出されます。各放電の強さは、大気の誘電率、静電容量、および発生源の電荷生成能力に直接関係しています。[ 61 ]
水蒸気は太陽系、ひいては他の惑星系にも広く存在します。太陽の大気では黒点にその痕跡が検出されています。太陽系の7つの惑星、地球の月[ 62 ] 、および他の惑星の衛星の大気にも水蒸気の存在が検出されていますが、通常は微量です。
氷の衛星の表面には、潮汐加熱によって水蒸気を噴出する氷間欠泉などの地質構造が存在すると考えられており、これは地下に相当量の水が存在することを示している可能性がある。木星の衛星エウロパでは水蒸気の噴煙が検出されており、土星の衛星エンケラドゥスで検出された水蒸気の噴煙と類似している。[ 63 ]タイタンの成層圏でも水蒸気の痕跡が検出されている。[ 65 ]小惑星帯最大の天体である準惑星ケレスの大気の主要成分は水蒸気であることが判明している。[66] この検出は、ハーシェル宇宙望遠鏡の遠赤外線機能を使用して行われた。[ 67 ]彗星が通常「噴煙や噴煙を噴出する」と考えられているため、この発見は予想外である。科学者の一人によると、「彗星と小惑星の境界線はますます曖昧になってきている」。[ 67 ]火星を研究している科学者たちは、水が惑星上を移動するとすれば、それは水蒸気として移動すると仮説を立てている。[ 68 ]
彗星の尾の輝きは主に水蒸気によるものです。太陽に近づくと、多くの彗星が運ぶ氷は昇華して水蒸気になります。天文学者は、彗星の太陽からの距離を知ることで、その輝きから彗星の水含有量を推測することができます。[ 69 ]
太陽系外でも水蒸気が確認されている。ペガスス座の太陽系外惑星HD 209458 bの分光分析により、太陽系外の大気中の水蒸気の最初の証拠が得られた。CW Leonisと呼ばれる恒星には、老齢の巨大な恒星の周囲に大量の水蒸気の環があることが発見された。星間ガス雲の化学物質を研究するために設計されたNASAの衛星が、搭載された分光計でこの発見をした。おそらく「水蒸気は、周回する彗星の表面から蒸発した」のだろう。[ 70 ]水蒸気の証拠がある他の系外惑星には、HAT-P-11bとK2-18bがある。[ 71 ] [ 72 ]
図11。1992～2020年の基準期間の平均値に対する、南緯60度～北緯60度の領域における全カラム水蒸気量の平均値の年間偏差。偏差は1992～2020年の平均値に対する割合として表される。データ：ERA5。クレジット：C3S/ECMWF。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)22,000フィートは、過冷却液体の水を含む雲の上限と考えられている。
地球の場合、アルベドは0.306、距離は1.000 AUなので、予想される温度は254 Kまたは-19 Cで、水の凝固点よりかなり低い値です。
第2巻
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