解説
圧力(気圧・水圧)とは
空気にも重さがあります。地上の私たちは、上に積み重なった空気の重さで、1cm²あたり約1kg の力で押されています。これが1気圧。高く登るほど上の空気が減るので、気圧は下がります。エベレストの山頂では約3分の1、宇宙ではほぼ0です。
水は空気よりずっと重いので、10m 潜るごとに約1気圧ずつ増えます。マリアナ海溝の底では約1,100気圧。1cm²に約1トンの力です。
気体は押されると縮む
閉じこめた気体の体積は、まわりの圧力に反比例します(ボイルの法則)。2気圧なら半分、10気圧なら10分の1。風船・ポテトチップスの袋・マシュマロの泡・人の肺・魚のうきぶくろは、中に気体があるので、深い海では縮み、高い空ではふくらみます。
水や体の大部分のように気体が入っていないものは、圧力が1,000倍になっても、ほとんど形が変わりません。深海の生き物がぺしゃんこにならないのはこのためです。
高い所で水が早く沸くわけ
水の表面からは、いつも水の粒が飛び出そうとしています(蒸気圧)。この力がまわりの気圧に勝つと、水の中からも泡ができて沸きます。気圧が低いと、低い温度で勝てるので、早く沸きます。富士山頂では約87℃、エベレストでは約71℃。
高さ約19km では体温の37℃で沸きます(アームストロング限界)。宇宙では、水は沸きながら熱をうばわれて凍ります。反対に深い海では、300℃をこえても沸きません。
宇宙で人はどうなる?
映画のように体が破裂したり、一瞬で凍ったりはしません。でも空気がないので、10秒ほどで意識を失います。体の水分が沸いて体がふくらみ、息を止めていると肺が破れます。早く空気のある所へ戻せば、助かった例もあります。
宇宙服は、体のまわりに空気の圧力をつくって、体を押してくれる「小さな宇宙船」です。
深海の生き物
深海魚の多くは、うきぶくろを持たないか、中を油などで満たしています。体の中に気体がなければ、高い圧力でもつぶれません。それでも、圧力は体の中のたんぱく質の形をゆがめます。深海魚は TMAO という物質を体にためて、たんぱく質を守っています。
うきぶくろのある魚を深い所から急に引き上げると、気体がふくらんで、胃が口から押し出されることがあります。
このアプリのしくみと簡単にしたところ
空の気圧と気温は「標準大気」(U.S. Standard Atmosphere 1976。平均的な空のモデル)。86km より上は表の値です。実際の気温は季節や場所で大きく変わります。海の圧力は、海水の重さ(密度 1.025g/cm³ で一定)から。水温はマリアナ海溝の近くの外洋の目安です。
水が沸く温度は、水の蒸気圧の式(Wagner と Pruss の式)から求めています。気体の体積はボイル・シャルルの法則で、深海の高い圧力では窒素の測定値で直しています(1,000気圧近くでは、計算の約2倍の体積になる)。
簡単にしたところ: 運ぶあいだに温度は変わらないとしています(気体の体積だけ、その場所の温度を使う)。風船が割れる・袋が破れる・カップの縮み方・マシュマロの泡は、実例に合わせた推定の値です。その場所に置いた瞬間のようすで、長い時間がたったときのこと(減圧症、高い山に体を慣らすことなど)は文章で書いています。
学習用の目安です。登山・潜水・健康の判断には使えません。
使っているもの: 文字に Dela Gothic One・Zen Kaku Gothic New・IBM Plex Mono(SIL Open Font License)。