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大気の中の窒素と酸素は比重が違うのになぜ層にならないのでしょうか?

nmantoraさん

2007/4/2213:32:45

大気の中の窒素と酸素は比重が違うのになぜ層にならないのでしょうか?

『昔むかし、地球誕生のころは大気にはたくさんの水素がふくまれていたがあまりに軽いので宇宙に逃げていってしまった。以下いろいろあって(‥かなり略)現在の大気構成になった。』と中学生のころに習い当時なるほどと思いました。

が、大気を構成する主要な要素である窒素の比重(大気比)は0.97、酸素の比重は1.11ですので大気は酸素が下、窒素が上の2層構造になってもおかしくないですし、対流があるとしてもかなりまだらになってもおかしくないような気がします。

また深井戸の底や鉱山の竪抗の底、自然界の深い抗の底に酸素がたまりすぎて困ったという話も聞きません。(比重1.529の2酸化炭素の話ならよく聞きます)

ということで冒頭の質問です、よろしくお願いします。

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golem_zeeさん

編集あり2007/4/2217:26:32

窒素だけが塊になっていたとします。

その塊を周りの空気が押しているわけです。

仮想的に塊の周りに面を考えます。
その下面の気圧は、上面の気圧より高く、その差がいわゆる浮力です。
つまり、周りの空気の浮力により、窒素塊は軽いので上へ押し上げられます

酸素の塊や2酸化炭素の塊は、空気の浮力より重いので下に落ちます。


しかし、
塊ではなく、窒素分子と酸素分子は混じり合っている訳で、
一つの分子の上と下に、気圧差、つまり浮力は考えられない(あったとしても、分子の飛び回る運動に無視される感じ)ので、
窒素分子が上へ、酸素分子が下へとならず、層にならない。

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scull4999さん

編集あり2007/4/2321:58:36

比重の差が「僅かしかないから」でしょう。二酸化炭素であれば「1.5倍(差にして50%)」も違いますが、窒素で0.97倍(3%)、酸素で1.11倍(11%)しか違わないのでしょ。あわせて14%程度の違いしかないので、分離するよりも混じりあうほうが多いのでしょう。
これが大気の主成分窒素と二酸化炭素であればその差が56%もありますから、分離しやすいのでしょう。
地層なんかでもそうですけど「大体一緒なら同じ層」じゃないですか?でも、厳密に地層を調べれば「同じ層の中にも微妙な違いはあるはず」ですよね。
水素なんか比重0.0695ですから、大気との差は93%!混じることは混じるのでしょうが、この差は大きいと思います・・・。

2007/4/2300:50:27

確かに重力の作用によって重い分子は下のほうに分離しようとします。ところが気体には「拡散」といって濃度の高いほうから低いほうへ向かって広がっていく性質があります。だからこの2つが釣り合うほんの少しの濃度差で安定し、分離してしまうことはありません。
分離しているように見える二酸化炭素や、もっと重い二酸化硫黄なども発生を止めて放置すれば拡散してしまいます。
なお、水素やヘリウムなどが逃げ出しやすいのは高いところにあるからではなく、同じ温度では軽いほうがスピードが速いからです。

seldomwoplasさん

2007/4/2215:15:08

大気の対流の影響が、比重による2層化をさせないほど大きいということでしょう。
自転による横方向の対流と昼夜の温度差による縦方向の対流。
もし地球に昼と夜がなければ、2層化するのかもしれませんね^^
興味深いところです。

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