下層ほど大気が濃い理由

質問

下層の方が大気の密度は大きいと思います。（平たく言えば空気が濃い。）

　ところで，コップの底に食塩を入れておき水を注いでおくと，やがてコップの中は均一な濃度の食塩水となります。（もちろん溶解度以下の食塩です。）

　ここで質問なのですが，大気の場合はなぜ均一の濃度にならないのでしょうか。大気を水平方向に見たときに日射量の違いなどで局所的に密度が異なるのは，理解できます。ただ鉛直方向で見たときに常に下層が濃く上層が薄い大気になっているのはなぜでしょうか。水溶液のモデルとの対比で説明できるでしょうか。

回答No.3

mpascal · ベストアンサー

液体でも、気体でも重力を受け積み重なっています。

したがって、液体であれば容器の底に近い方の圧力が液面に近い圧力より高くなります。

空気であれば、地上の圧力が、上空の圧力より高くなります。

液体の場合は、ほぼ圧縮性がないので、密度が圧力の影響を受けにくいのですが、空気は圧縮性流体なので圧力の高い地上では、上空に比べ圧縮率が高くなっており、密度も高くなるわけです。

補足

早速，御回答ありがとうございました。「液体はほぼ圧縮性がない。気体は圧縮性がある。」この違いを考えないとダメですね。
　基本的には，気体も分子運動によって均一になろうとするが，気体と液体の圧縮性の違いによって下層の密度が高くなると考えてよいのでしょうか。

回答No.9

moto_koukousei

濃度（成分の構成比率）と濃度（密度）とは、別だということでしょう。
気体は圧力によって密度が変化します。　
従って、圧力の低い高度の高いところと圧力の高い高度の低いところでは濃度（密度）が違います。
液体は圧力による密度の変化が非常に小さいです。
従って、圧力の低い高度の高いところと圧力の高い高度の低いところでは濃度（密度）の違いはさほどのことにはなりません。（温度による濃度（密度）の違いはでますが、気体ほどではありません）

分子などが自由に移動できる環境にある気体や液体では、ある程度の時間が経つと、濃度（成分の構成比率）は均一になる傾向があります。（他にも色々な影響があるので、均一には簡単にはなりません）
http://www.isas.jaxa.jp/ISASnews/No.266/balloon.html
http://www.jal-foundation.or.jp/shintaikikansoku/machida.pdf
http://www.cygres.com/OcnPageJ/OcnVisJ/OcnPageFig4J.html
http://www.cm.nitech.ac.jp/cho/earth_science/Lesson-11.pdf

お礼

皆様，御回答いただきましてありがとうございました。

回答No.8

princelilac

コップのような小さい実験で、大気の状態を知ろうとするのは規模が違いすぎて難しいと思います。

空気のような軽いものでも、重力の影響をうけます。月には大気がありませんが、月は小さいので重力が弱いため大気を引きつけることができないのです。

重力は距離が離れると影響が小さくなります。つまり地表近くでは重力の影響が大きく、大量の空気を引きつけます。しかし上空は地球の重力の影響が弱くなりますので、だんだんと引きつけられる空気の量が少なくなるのです。

回答No.7

oo14

これはご存じですよね。
規格でしかなく、基礎の基礎でしかないですが、共通認識です。
http://kikakurui.com/w/W0201-1990-01.html

補足

「これはご存じですよね。
規格でしかなく、基礎の基礎でしかないですが、共通認識です。」

　大変理解が悪くて申し訳ないのですが，これの指し示す内容が分かりません。
「規格でしかなく」という意味も分かりません。

　もう一度教えていただけないでしょうか。

回答No.6

mpascal

訂正

誤）単純な逆比例ではないと思いますが。

正）単純な比例ではないと思いますが。

お礼

何度も丁寧かつ具体的なデータを挙げて教えていただきありがとうございます。
大気に関して定量的に考えようとすると，単純に考えられないですね。
（気圧の海面更正の式だけでも温度に関してある仮定をしていますからね。）

回答No.5

mpascal

Ｎｏ．３　回答者です。

高度と気圧の関係は、ヒマラヤのデータしとて次のものがあります。
http://www.geocities.jp/inspirepeak/kousyo.html

圧力変化と密度の変化は、気温も変化しているので、単純な逆比例ではないと思いますが。

回答No.4

e_16

＞ところで，コップの底に食塩を入れておき水を注いでおくと，やがてコップの中は均一な濃度の食塩水となります

違います、下のほうの塩分濃度が濃くなります。

その塩水と同じで空気には重さがあるからです。

補足

御回答ありがとうございました。
　お言葉を返すようで恐縮ですが，水溶液の定義を考えると，「どこも均一で透明」だと思います。そしてこれを確かめる実験として，硫酸銅の結晶を水の中に沈めておくと，何日かすると全体が硫酸銅色になり，濃度が均一になるというものがあると思います。

　もし，すでに全体を均一にした食塩水を長時間静置すると下層が濃くなるのであれば，エントロピー増大の法則に反する現象ではないでしょうか。

　私は上記のように理解していますが，回答者様を含めて御指導いただけますと助かります。

回答No.2

sanori

こんにちは。

床の上に、かけ布団を３枚重ねた状況を考えてください。

いちばん下のかけ布団には、上の２枚の重さ（圧力）がかかります。
真ん中のかけ布団には、１枚分の重さ（圧力）だけがかかります。
いちばん上のかけ布団には、何も重さ（圧力）がかかっていません。

かかる重さ（圧力）が大きいほど、大気は圧縮されて密度が大きくなります。

補足

実際にモデル実験ができる優れたたとえだと思います。ありがとうございました。

回答No.1

oo14

気体と液体では圧縮率が全然違うからではないですかね。
質問の件ですが、
濃度は大気なんていってるレベルではほとんど均一だと思いますよ。
濃度っていうのは比率の話で密度とは違うと思いますが。

補足

早速，ありがとうございました。
濃度と密度の違いは正確にすべきでした。
御指摘のとおり濃度というのは，例えば食塩水全体の中に食塩がどれだけあるかの比率ですね。
ですから，空気の濃度ではなく空気の密度と言うべきです。ありがとうございました。