雨の多い冬が寒くなる理由が分かりました。必要なのはほんの少しの相対性だけ

著者: 中国科学院物理研究所ニューメディアセンター

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

雨の日の冷気による魔法ダメージで裏切られた生徒達よ、集結せよ！魔法で魔法を打ち負かすには、相対性理論（もちろん、相対性理論の天気予報バージョン）に関するちょっとした知識があれば十分です。

天気予報は人々の生活や旅行のあらゆる側面に関係しています。天気予報と聞いて、まず何を思い浮かべるでしょうか？それは、CCTV ニュース放送後の定番の天気予報音楽、「夕方になると漁船が歌い、その音が蓬里の海岸に響き渡る」（視聴中に繰り返し再生したくなるかもしれません）、またはさまざまな気温や降水量、またはますます良くなる空気品質指数でしょうか。

最近は寒気が頻繁に襲ってくるので、天気予報を確認する頻度も増えてきました（寒気襲来を経験した方はいらっしゃいますか？コメント欄で交流いただければ幸いです）。ある日、編集者は天気予報の中に、当たり前のようで普段はあまり注目されない「生活気象指数」という情報を見つけました。その中で、空気の湿度が編集者の好奇心を掻き立てた。

空気の湿度、つまり相対湿度は、人が体温をどのように感じるかに大きく影響します（暑くて蒸し暑い夏が過ぎ去ったように）。しかし、相対湿度の「相対」とは具体的に何を指すのでしょうか?突然、物理学を専攻する学生としての好奇心が掻き立てられ、決して頭を下げない物理学を専攻する学生の自己鍛錬に基づいて、一連の疑問が自動的に頭に浮かびました。

1. 相対湿度とは何ですか？また、何と相対的ですか？

2. 相対湿度と人間の感覚にはどのような関係がありますか?

一見単純だが説明が難しいこの 2 つの質問に一度に答えられない場合は、編集者の指示に従って読み進めてください。

相対湿度とは

相対湿度はブリタニカ百科事典では次のように定義されています[1]。

相対湿度、空気中の水の実際の蒸気圧と水蒸気で飽和した空気中の蒸気圧の比。多くの場合、パーセンテージで表されます。

中国語に翻訳すると、「相対湿度とは、空気中の実際の水蒸気圧と、同じ温度における飽和水蒸気圧の比率を指し、通常はパーセントで表されます。」という意味になります。一度にたくさんの名詞がありますか?漢字一つ一つは理解できるようですが、組み合わせると意味がわかりません。それは問題ではありません。次に、「水蒸気圧」とは何か、「飽和水蒸気圧」とは何かを段階的に理解していきましょう。

上記において、「飽和水蒸気圧」とは、水の飽和蒸気圧を指します。まず飽和蒸気圧から始めましょう。

「飽和蒸気圧」とは、密閉された状態かつ一定の温度で固体または液体と平衡状態にある特定の物質の蒸気の圧力を指します。ここまでのところ、編集者は飽和蒸気圧が何であるかを明確に説明できなかっただけでなく、「物質の相」と「相平衡」という 2 つの新しい用語を導入しました... 2 つの概念については以下で説明します。簡単に言えば、物質の相とは、外部からの力が存在しない状態で、物理的、化学的特性と組成がまったく同じ均質な物質の状態を指します。実際、それは 1 つの単語で説明できる物質の状態です。たとえば、水蒸気と氷はそれぞれ水の気相と固体相です。

異なる温度と圧力における物質の相は、相図から簡単に読み取ることができます。たとえば、下の図では、横軸は温度、縦軸は圧力です。図上の任意の点は、その温度と圧力における水の物理的状態を示します。

点 A を例にとると、状態図から得られる情報は、横軸が 100 ℃、縦軸が 1 標準気圧であり、気相 (図では蒸気に相当) と液相 (図では水に相当) の境界線上にあるということです。この情報から、標準大気圧下で液体の水の温度を摂氏 100 度まで上げると、気体と液体の遷移点、つまり 2 つの状態が共存することが容易にわかります。このとき、水は圧力と温度が変化しないまま加熱され続け、どんどん液体の水が気体の水蒸気に変化していきます。

これを読んだ後、生徒たちは額を叩いてこう言うかもしれません。「これは家で水を沸かすプロセスと同じではないのか？」編集者はこれが事実であると言いたいのです。実際、人生における多くの豊かな物理現象は、抽象的な物理理論や原理に対応しています。一見単純なこれらの状態図の多くは、生活のあらゆる側面でも広く利用されており、人々の生活水準の向上に貢献し続けています。水の状態図に戻って、点 B を見てみましょう。ここが水の三重点です。この時点で、固体、液体、気体の相が一定の温度と圧力で共存します。

それでは相平衡について見てみましょう。相平衡とは、物質の 2 つの相間の熱力学的平衡を指します。位相の概念を理解すれば、相平衡を理解するのは難しくないはずです。たとえば、上記のテキストでは、水を沸騰させると、気体の水は液体の水と相平衡を維持します（沸騰して空にならない限り）。

（注意してください）ついに飽和蒸気圧に到達しました。ここで、上記のテキストにある私自身の言葉を引用したいと思います。「飽和蒸気圧」とは、密閉された条件下、特定の温度で固体または液体と平衡状態にある特定の物質の蒸気の圧力を指します。

私たちが日常生活で話題にしている水（つまり、天気予報で説明されているシナリオ）の場合、飽和蒸気圧とは、水蒸気と液体の水が同じ一定温度の密閉された環境で「平和的に共存」し、安定して共存できるときの水蒸気圧を指すと結論付けるのは難しくありません。

異なる温度における飽和蒸気圧は、状態図から簡単に読み取ることができます。読みやすさを考慮して、水の状態図を再度ここに掲載します。

図では、1と2の2点間の曲線が蒸発線です。蒸発線は液体と気体が共存する相平衡状態なので、その上の任意の点（縦軸）の圧力は、その温度（横軸）における水の飽和蒸気圧となります。水の蒸発線上の点（例えば、図の 3 番の点）から始めて、温度を上げ（つまり、図の水平矢印で示すように水平軸を上げ）、蒸発線上の選択した点（つまり、図の上向きの斜めの矢印）を維持しながら、図の 4 番の点まで進むと、対応する圧力、つまり飽和蒸気圧もそれに応じて増加することがわかります。水が100℃で沸騰する理由は、沸点における水の飽和蒸気圧が大気圧とまったく同じだからです。

ついに…相対湿度に到達しました!相対湿度の定義を確認しましょう。

「相対湿度とは、空気中の実際の水蒸気圧と、同じ温度での飽和水蒸気圧の比率を指し、通常はパーセントで表されます。」

このうち、水蒸気圧は、現在の実際の屋外環境下において、空気中の水蒸気（気体の水分子）が与える圧力を表します。上で学んだ飽和蒸気圧と組み合わせると、定義により、相対湿度、つまり現在の温度における水蒸気圧と飽和蒸気圧の比は簡単に計算できます。

相対湿度の計算は本当に素晴らしいですね。

ここまでで、生徒は相対湿度が何であるかを完全に理解したと思いますが、空気が乾燥しているときもあれば、湿気が多いときもあるのはなぜでしょうか。ここで水循環について考えてみましょう。

実際、自然界にはさまざまな形態の水が存在します。例えば、下層大気では、湿った空気に含まれる水蒸気は気体状の水であり、上空の雲は水霧や凝結核によって形成された氷の結晶です。地表の山々、川、湖には生命の源である液体の水が広く存在しています。さらに、地表下の浅い層にも、地中に浸透する水が存在します。

地理的な場所や時期によって、ある地域の水蒸気含有量は、風速や気温などの地元の気候条件だけでなく、蒸発や降水量などの水循環の要因によっても大きく左右されます。

また、環境中には粒子状物質が存在するため、実際の環境中の水蒸気は上記のような純粋な水蒸気ではなく、希薄溶液の形で存在することになります。この現象の存在は、ある程度、水の蒸気圧にも影響を与えます。この部分に興味がある方は、この記事の最後の部分「興味のある分野」で知識を学んでみてください。

「相対性」について話した後は天気について話しましょう

上記では、天気予報における最も「相対的な」指標である相対湿度について説明しました。ここまで読んでくださった生徒の皆さん、おめでとうございます。天気予報における「相対性理論」をすでに学習したことになります（犬の頭）。しかし、人々の日常生活を導くことができない天気予報は、良い相対性理論とは言えません。相対湿度は私たちの日常生活にどのような影響を与えるのでしょうか?その中で、最も直接的かつ主要な影響は、相対湿度と気温の強い組み合わせであり、これが人々の体感温度に変化をもたらします。さて、湿度の高い夏には特に暑くて息苦しく感じ、雨の多い南部ではひどく寒くなるのはなぜか、説明しましょう。

相対湿度と人体の感覚・機能の関係

暑い夏には、空気中の湿度が高い天候を表現するのに「蒸し暑い」という言葉がよく使われます。こんな日は外出時に特に暑さを感じることでしょう。これは、相対湿度が高いと人体表面の汗の蒸発率が低下し、人体が熱を放散しにくくなり、体温が上昇するからです。夏には、相対湿度と体感温度には次のような関係があります。

冬には、南部の学生たちも身にしみる湿気のある寒さを経験したと思います。実際、空気の湿度が高いほど、人体は寒く感じます。

空気中の湿度が衣服の断熱効果になぜ影響するかを説明する前に、編集者の解説に従って衣服が寒さを防ぐ理由を理解してください。冬に私たちが着るダウンジャケットなどの衣類は、ふわふわのダウンを通して人体と外界の間に空気の層を作り出します。空気は熱伝導率が低いため、人体から発生する熱が外界に放散されにくくなり、熱を閉じ込めることになり、寒さに抵抗するのに役立ちます。

例えば、20℃では空気の熱伝導率[5]は約0.026 W/m*Kですが、20℃の水の熱伝導率は0.6 W/m*Kに達し、空気の約23倍にもなります。熱伝導率[6]とは、厚さ1mの物質の熱伝導方向に温度差が1Kのときに、1m×1mの断面積を通過する熱量を指します。単位はワット/メートル*度です。簡単に言えば、これは特定の材料を単位長さあたりで通過して単位面積あたりに伝達できる熱量を指します。このことから、同じ温度では、水の熱伝導率は空気層の熱伝導率よりもはるかに高いことがわかります。

これは、空気の湿度が高いほど、人間の体が寒く感じる（呪文貫通ダメージが大きくなる）理由も説明しています。この現象には「水冷効果」という特別な用語もあります。これは、冬に空気中の相対湿度が高いときに、水蒸気が人の衣服の上の暖かさを保つ暖かい空気の層を押し出し、それによって衣服の防寒能力を低下させることを意味します。同時に、湿った空気中の水蒸気は人体に付着して熱を奪い、蒸発するため、人は余計に寒さを感じます。

次に、人体が快適に感じる環境とはどのようなものかを見てみましょう。例えば、関連する国家規格では、次の表に示すように、さまざまな状況下で室内の空気が満たすべき基準を規定しています[2]。

では、より快適に働くためには、どのような温度と湿度の組み合わせを維持すればよいのでしょうか?学生の皆さんは、自分にとって快適な職場環境を作るために、以下の価値観を参考にしてください。

（夏）26℃のエアコン、相対湿度50％、アイスミルクティー1杯

（冬）105℃のあなた

興味深い分野: ラウールの法則と希薄溶液の束縛特性

テキストの最初の部分では主に相対湿度と飽和蒸気圧の定義が紹介されていますが、注意深い学生は、調査対象のシステムが理想的で純粋であるという前提の下でこれらすべてが実行されることに気付くかもしれません。しかし、自然界の大気中には必然的に多くの微粒子が存在し、その一部は溶質として水に溶解します。これらの微量溶質は水に溶解して希薄溶液を形成するため、実際の状況と理論の間にはわずかな偏差が生じます。実際に大気中に存在する微量の溶媒を考慮してこの希薄溶液系を記述したい場合は、ラウールの法則と希薄溶液の束集特性を導入する必要があります。
希薄溶液とは、溶質が溶媒のごく一部を占める溶液であり、溶媒はラウールの法則[3]に従います。

特定の温度では、希薄溶液溶媒の蒸気圧は、純粋溶媒の蒸気圧に溶液中の溶媒のモル分率を乗じたものに等しくなります。

で

つまり、溶質が存在する場合、

そのため、実際の溶媒（この文脈では水）の蒸気圧はある程度低下します。

さらに、希薄溶液の束縛特性[4]とは、希薄溶液が、溶質の量のみに依存し、特定の溶質とは関係のない物理化学的性質の変化を示すという事実を指します。

例えば希薄溶液の場合、

溶媒の蒸気圧が下がる

凝固点降下

沸点上昇

その他のプロパティ。ここでラウールの法則は主に、私たちが最も懸念している蒸気圧の低下を証明するために使用されます。

ラウールの法則によれば、

次のように書き直すことができる。