水の蒸発に場所や条件による違いがあるのは、水面から空気中へ移る水分子の量が、水温・気温・湿度・風・日射・気圧・水面積・溶けている物質などによって変わるからです。 同じ量の水でも、暑く乾燥して風がある場所では蒸発しやすく、涼しく湿った無風の場所では蒸発しにくくなります。
蒸発の基本原理はどこでも同じです。液面にある水分子の一部が十分な運動エネルギーをもち、周囲の分子から受ける引力を振り切って水蒸気になります。しかし、水面から出ていく分子の数と、空気側から戻ってくる分子の数の差は周囲の条件によって変わります。これが地域や季節、場所ごとの蒸発量の違いを生みます。
蒸発の違いを決める基本は「水面と空気の差」
水面では、水分子が液体から空気へ飛び出す蒸発と、空気中の水蒸気が再び液体へ戻る凝結が同時に起こっています。
蒸発がどれだけ進むかを考えるときに重要なのが、水面の温度に対応する飽和水蒸気圧と、周囲の空気が実際にもつ水蒸気圧との差です。この差が大きいほど、一般に正味の蒸発は進みやすくなります。
USGSは、水面からの蒸発速度が水温、風速、空気の乾燥度によって変わるため、場所や季節によって大きく異なると説明しています。日本の湖沼を扱う国土交通省の資料でも、蒸発による熱損失を水温、湿度、風速などを用いて評価しています。
水温が高い場所ほど蒸発しやすいのはなぜか
水温が高くなると、水分子の平均的な運動エネルギーが大きくなります。その結果、液面から抜け出せるだけのエネルギーをもつ分子が増え、蒸発しやすくなります。
また、水温が高いほど飽和水蒸気圧も高くなります。周囲の空気が同じ湿り具合なら、水面と空気の水蒸気圧差が大きくなりやすいため、蒸発を進める条件が強まります。
このため、同じ屋外でも夏の日なたにある水面は、冬や日陰の水面より一般に蒸発しやすくなります。ただし、湿度や風など他の条件が異なれば、単純に「温度が高いほど必ず蒸発量が多い」とは限りません。
湿度が低い場所ほど蒸発しやすいのはなぜか
空気が乾燥していると、空気中の水蒸気量が少なく、水面との水蒸気圧差が大きくなります。そのため、水面から空気へ出ていく水分子のほうが、空気側から戻る分子より多くなりやすく、正味の蒸発量が増えます。
反対に、空気が飽和に近いほど、水蒸気が液体へ戻る割合も増え、正味の蒸発は小さくなります。
環境省の暑さ指数に関する解説でも、湿度が低いほど水分が蒸発しやすく、蒸発に伴う気化熱によって湿球温度が低くなることが説明されています。洗濯物が乾燥した日に早く乾き、梅雨の高湿度の日に乾きにくいのも同じ原理です。
風がある場所で蒸発が速くなるのはなぜか
蒸発が起こると、水面のすぐ上には水蒸気を多く含んだ湿った空気の層ができます。この空気がそのまま残ると、水面と空気の水蒸気圧差が小さくなり、蒸発は進みにくくなります。
風が吹くと、水面近くの湿った空気が運び去られ、より乾いた空気と入れ替わります。その結果、水面と空気の差が保たれ、蒸発が続きやすくなります。
USGSは、風速が水面蒸発を左右する主要因の一つであるとしています。J-STAGEに掲載された蒸発研究でも、風速を含む気象条件と蒸発量の関係が扱われています。
日なたと日陰で蒸発量が違うのはなぜか
日射は水や地面へエネルギーを与えます。水が蒸発するには気化潜熱が必要なので、太陽から多くのエネルギーを受け取れる場所では、そのエネルギーが蒸発に使われやすくなります。
日なたでは水面や地表の温度も上がりやすく、飽和水蒸気圧が高くなるため、蒸発を促す条件が重なります。
一方、日陰では水面へ入るエネルギーが少なく、水温も上がりにくいため、一般に蒸発は遅くなります。環境省が打ち水について、日なたでは水が早く蒸発し、日陰では水が長く残りやすいと説明しているのは、この違いを身近に示す例です。
海・湖・水たまりで蒸発の仕方はどう違うのか
同じ水面でも、海、湖、小さな水たまりでは条件が異なります。
海
海は非常に大きな水面をもち、地球規模で大量の水蒸気を大気へ供給します。ただし海水には塩が溶けているため、同じ温度の純水と比べると水の蒸気圧はやや低くなり、純水より蒸発しにくい方向へ働きます。
一方、海では風が強い場所も多く、水面積も巨大なので、総蒸発量は非常に大きくなります。
湖や貯水池
湖では、水温、風、湿度、日射のほか、水深や水の混合状態も影響します。深い湖では、昼間に受け取った熱が水中へ蓄えられ、夜間にも比較的高い水温を保つことがあります。そのため、蒸発量はその瞬間の気温だけでは決まりません。
国土交通省の湖沼水理・水質資料でも、水面の熱収支を考える際に、日射、長波放射、気温、水温、風速、湿度、蒸発潜熱などを組み合わせて計算しています。
浅い水たまり
水たまりは水量が少なく、地面からの加熱の影響を受けやすいため、水温が短時間で変化します。水面積に対して水量が小さい場合、晴れて乾燥した条件では短時間で消えることがあります。
一方、同じ水量を深い容器に入れると、水面積が小さくなるため、全体の蒸発量は減りやすくなります。
水面積が大きいと蒸発量はどう変わるのか
蒸発は主に液面で起こるため、条件が同じなら水面積が大きいほど、同じ時間に水蒸気へ移れる水分子の総数は増えます。
たとえば同じ100mLの水でも、細いコップに入れるより浅い皿へ広げたほうが一般に早く減ります。これは、蒸発が起こる表面の総面積が大きくなるからです。
ただし、広い水面では場所によって風や水温が異なることもあります。そのため大きな湖や海の総蒸発量を求めるときは、面積だけでなく気象条件の空間分布も考える必要があります。
気圧が低い場所では蒸発はどう変わるのか
標高が高く気圧が低い場所では、水の沸点が低くなることがよく知られています。蒸発についても、周囲の圧力や空気の性質が変わるため、海面付近とは条件が同じではありません。
ただし、日常の自然環境での蒸発量は気圧だけで決まるわけではなく、標高とともに変化する気温、湿度、風、日射などの影響のほうが大きい場合があります。
したがって、「高い山ほど必ず蒸発が速い」と単純に決めるのではなく、周囲の気象条件をまとめて比較する必要があります。
塩水と淡水で蒸発速度が違うのはなぜか
塩のような揮発しにくい物質が水に溶けると、水の蒸気圧は純水より低くなります。これは、液面から水分子が気体へ出ていく傾向が小さくなる方向に働きます。
そのため、温度・湿度・風などの条件が同じなら、濃い塩水は純水より蒸発速度が小さくなる傾向があります。
海水が蒸発すると塩は大部分が残るため、残った水の塩分濃度は上昇します。すると蒸気圧はさらに変化します。自然の塩湖や沿岸の水面では、このように蒸発と濃縮が同時に進むことがあります。
季節によって蒸発量が違うのはなぜか
同じ場所でも、蒸発量は一年中一定ではありません。
夏は一般に日射と気温が高く、水温も上がりやすいため、蒸発を促すエネルギーが多くなります。また、乾燥した風が吹けばさらに蒸発が増えます。
冬は気温・水温が低く、飽和水蒸気圧も小さいため、蒸発は弱くなりやすくなります。ただし、冬でも空気が非常に乾燥し風が強ければ蒸発は起こります。氷や雪からは、液体を経ず直接水蒸気になる昇華もあります。
USGSは、水面蒸発が同じ場所でも季節によって大きく変化すると説明しています。
乾燥地と湿潤地では何が違うのか
乾燥地域では、相対湿度が低く、水面と空気の水蒸気圧差が大きくなりやすいため、水があれば強い蒸発が起こりやすくなります。さらに日射が強く風がある場合、蒸発条件は一層強まります。
一方、湿潤地域では空気中にすでに多くの水蒸気が含まれているため、同じ水温でも正味の蒸発は小さくなりやすくなります。
ただし、乾燥地ではそもそも地表水が少ない場合があります。そのため「単位面積あたりでは蒸発しやすい」ことと、「地域全体として大量の水が蒸発している」ことは分けて考える必要があります。
都市と自然地でも蒸発条件は変わる
都市では、アスファルトやコンクリートが日射を受けて高温になりやすい一方、土壌や植生、水面が少ないため、蒸発できる水そのものが不足することがあります。
森林や湿地では、土壌水分や植物があり、水面からの蒸発に加えて植物からの蒸散も起こります。そのため地域全体の「大気へ戻る水」を比較するときには、水面蒸発だけでなく蒸発散として考える必要があります。
つまり、都市が暑いから必ず自然地より水の蒸発量が多いわけではありません。利用できる水の量、植生、地表面の種類まで含めて比較する必要があります。
蒸発量はどうやって見積もるのか
自然の水面からの蒸発量を正確に測るのは簡単ではありません。蒸発皿などで直接測定する方法のほか、熱収支や気象データを使った計算方法があります。
代表的な方法の一つが、放射によって得られるエネルギーと、風・湿度による空気との交換を組み合わせて蒸発を推定する考え方です。J-STAGEに掲載された「ペンマン式と蒸発計による蒸発量」では、気象要素を用いた蒸発量推定と蒸発計による測定が比較されています。
実際の蒸発量を決める要因が多いため、「気温だけ」「湿度だけ」で正確に見積もることはできません。
条件による違いを比較すると
- 高温の水面：低温の水面より一般に蒸発しやすい
- 乾燥した空気：湿った空気より正味の蒸発が進みやすい
- 風が強い場所：無風より水面近くの湿気が除かれやすく、蒸発しやすい
- 日なた：日陰よりエネルギー供給が多く、水温も上がりやすい
- 広い水面：同じ条件なら全体の蒸発量が大きくなりやすい
- 塩水：同温度の純水より蒸気圧が低く、蒸発しにくい方向に働く
- 夏：冬より日射・温度が高く、一般に蒸発しやすい
- 乾燥地域：湿潤地域より空気が水蒸気を受け入れやすい
ただし、これらは一つずつ独立して働くわけではありません。実際の場所では複数の条件が同時に変わるため、最終的な蒸発量はその組み合わせで決まります。
まとめ
水の蒸発に場所や条件による違いがある最大の理由は、水面と周囲の空気との間で水分子が移動する条件と、蒸発に使えるエネルギーの量が場所ごとに違うからです。
- 水温が高いほど一般に蒸発しやすい
- 空気が乾燥しているほど水面との水蒸気圧差が大きくなる
- 風は水面近くの湿った空気を取り除き、蒸発を促進する
- 日射は蒸発に必要なエネルギーを供給する
- 水面積が広いほど全体の蒸発量は増えやすい
- 塩などの溶質は水の蒸気圧を下げる
- 海・湖・水たまりでは水深や熱の蓄え方、風などの条件が異なる
- 季節や地域による蒸発量の差は、温度・湿度・風・日射などの組み合わせで生じる
つまり蒸発は、どこでも同じ割合で水が消えていく現象ではありません。水面と空気の状態、そこへ供給されるエネルギー、周囲の環境が組み合わさることで、場所や季節ごとに大きく変化するのです。
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