地球の水と空気はどこにどれだけあるのか

地球の大きさと大気・水圏の厚さ

地球の大きさとメートルの関係

• メートルの構想段階の定義 (実際の定義ではないが、近似としては使える): 赤道から極まで(円の4分の1周)を1×10の7乗メートル(1万キロメートル)とする。
• (メートルの定義は、制定初期はメートル原器という物体(ものさし)、 その後、特定の原子の出す光の波長、 さらに、(特定の原子の出す光の振動数で秒を定義したあと)光が真空中を一定時間に進む距離、と変更された。 現在の定義については、たとえば「理科年表」参照。)

海の深さ

最深約11 km、平均約4 km

大気の厚さ

• 大気の上限は明確でない。
• われわれの知っているような大気の厚さは大まかに言って約100 km
  • 参考: 小倉「一般気象学」 [読書ノート] 2.1節, p. 24。 約80 kmから下では大気の主要成分(水蒸気、オゾンは除く)は均一にまざっているとみなせる。 約100 kmから下では最大の成分は窒素である。 密度の鉛直分布の表(p. 23)も参照。
• 水蒸気の大部分は高さ10 kmから下にある。 (約20 kmより高いところでは、水蒸気は微量成分にすぎない。)

水の密度とキログラムの関係

• 水の密度は温度や不純物(海水ならば塩分)にもよるが、 気体と比べた意味では変化は小さいので、 大まかな近似では一定値とみなせる。
• 多くの物質では、温度が高いほど密度が小さいが、 水は例外で、純粋な水の場合、4℃で密度が最大になる。 (海水の場合はこの逆転はない。)
• グラムの構想段階の定義 (実際の定義ではないが、近似としては使える): 1立方センチメートル(1辺1cmの立方体の体積)の4℃の純粋な水の質量。
• 基本単位としては、キログラム=1000グラム (1辺10cmの立方体の水の質量に相当)が採用された。 1辺1cmでも1mでもないことに注意。
• (キログラムの実際の定義は、キログラム原器という物体(おもり)。 原子レベルの物理量による定義に変更することが検討されている。)

地球上の水はどこにどれだけあるか

地球のマントルと地殻は、元素組成としては、 酸素O、珪素Siをはじめとするさまざまな元素を含んでいるが、 酸素が多いので多くの元素は酸化物の状態になっているとみなされることが多い。 水素はH₂Oとなる。 しかし、その大部分は鉱物に組みこまれたものなので、 ここでの「水」に含めないことにする。

そこで、問題を水分子として(3相を含む)どこにどれだけあるかにしぼる。 (質量を密度 1 g / cm³ (1000 kg / m³)で液体体積に換算して示すことが多い。)

地球上の水の存在量と移動量[図、別ページ]

• 海 (地球表面の7割、平均深さ 4 km、塩分 約3.5%を含む)
• 氷 (南極大陸とグリーンランドに厚さ平均約2 km)
• 地下水、土壌水分、凍土の中の氷 (数値はあまり正確にわかっていない)
• 湖、川
• 大気中の水蒸気。 面積あたりの質量として平均で約25 kg/m²、つまり液体の水に換算して約25 mm。

水の循環

循環を構成する4辺

• 降水 (雨、雪、露、霜)
• 流出(河川、地下水)、海の正味の水輸送
• 蒸発 (植物からの蒸散を含む)
• 大気の水蒸気輸送

流れの量の表現

• 時間あたり通過する質量 [質量フラックス; SI単位 kg / s]
• (一定密度を仮定して)時間あたり通過する体積 [m³ / s]
• 時間あたり・面積あたり通過する質量 [質量フラックス密度; SI単位 kg /(m² s)]
• (一定密度を仮定して)時間あたり・面積あたり通過する体積 [m / s]

全地球平均の降水量 (=全地球平均の蒸発量): 約 1000 mm / 年

平均滞在時間 (または回転時間)

• 現存質量 / 時間あたり出入りする質量
• (各分子の滞在時間は、これより長い場合も短い場合もある)

大気中の水蒸気の平均滞在時間は?

別ページへのリンク

それぞれ2成分系としての大気と海洋[2009-06-07追加]

大気中の水蒸気量の表現

大気の質量と気圧

大気の状態方程式

大気の質量の季節変化(全球、南北半球)

大気の鉛直温度構造

地球上の水の存在量と移動量