対流はどうして起こるのでしょうか？

空気は暖められると上空に昇り、冷たい空気が下がってくる、いわゆる対流です。これはどうして起こるのか？
気体の温度が高くなる、ということは気体の分子の平均速度が大きくなることであり、速度が大きくなれば気体の分子間の距離が平均的に長くなり、密度が小さくなる、と言うことは分ります。もし暖かい空気と冷たい空気が風船のようなもので閉じ込められているのであれば、暖かい空気が密度が小さくなって軽くなって上に行く、というのは分るのですが、実際の空気は風船で閉じ込められているわけではありません。分子は自由に飛びまわれる状態にあります。なのに、平均速度の速い分子の一団があたかも閉じ込められているかの如くに上空に一団となって昇って、平均速度の遅い一団の空気と入れ替わる、というのは理由がイメージできません。速度の速い空気と遅い空気が混じりあう前に、どうしてお互いが一団となって入れ替わってしまうのでしょうか？なにか風船のようなものがあるのでしょうか？目に見えない引力？

No.5 回答者： steam2000 回答日時： 2007/06/03 10:45

　No.４の回答が述べられているように、気体分子の運動は極めてミクロな現象なのに対して、空気の対流は、小さくてもセンチメートル、大きければキロメートル単位のマクロな事柄です。

　そのスケールがまったく異なるふたつの事柄を同列に扱って考えてはいけないということではないでしょうか。
　暖気塊と寒気塊というふたつのマクロな物体が、分子運動というミクロな現象で入り混じるには、相当な長時間、あるいは長年月がかかるのではないでしょうか。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
「スケールがまったく異なるふたつの事柄を同列に扱って考えてはいけないということではないでしょうか。」
う～ん。そうかも知れない。でもどうして同列に扱って考えてはいけないのですか？
「暖気塊と寒気塊というふたつのマクロな物体が、分子運動というミクロな現象で入り混じるには、相当な長時間、あるいは長年月がかかるのではないでしょうか。」
そうですね。僕の友人でブラウン運動をシミュレーションするソフトを作った人がいますが、流石にアボガドロ数レベルのシミュレーションは無理だと諦めていました。

お礼日時：2007/06/04 11:21

No.4 回答者： YHU00444 回答日時： 2007/06/02 17:48

確かに空気を構成する分子は結構なスピードで動いてますから、疑問に思うのも判らなくはないですね。

しかし、「分子同士は互いに衝突（それも結構頻繁に）」していますから、空気中の気体分子はそのたびに方向を変え、結局、その場にとどまる（遠くに逃げられない）ものの方が圧倒的に多くなるわけです。

ちなみにその指標のことを「平均自由行程（分子がぶつからずに動いた距離の平均）」というのですが、これが大気中の分子ではわずか68ナノメートルというのですから、これでは到底逃げようがない（徒歩で地球の裏まで行くようなものですから）。

という次第で、結局壁がなくても空気は塊として振る舞う（ように見える）のです。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B9%B3%E5%9D%87% …

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
平均自由行程が68ナノメートル、なるほど。そこでまた不思議なのですが、分子一個で見れば68ナノメートルくらいしか動けない（動かない？）鳥の籠状態なのですが、でも対流しているということは一団の気体としては何メートル、何キロメートルも動いているわけですよね。そこらあたりが不思議です。どうして暖気が一団のものとして挙動するのか？
それとも対流の本質は個別の分子が動いているわけではなく、エネルギーが移っているだけなのでしょうか？仮に個別の分子ごとに識別の印をつけたら、最初暖かかった分子は68ナノメートルの行程を動いているうちに自然にエネルギーを失って、だんだん冷えながらその場にいるが、最初冷たかった場所にいた分子が下からエネルギーを受けて、速度を増した・・とか。
それともやっぱりもと下にいた暖かい空気の分子が滞留でそれ自体が上に行っているのでしょうか？

お礼日時：2007/06/04 11:17

No.3 回答者： connykelly 回答日時： 2007/06/02 15:20

ここ↓に大変分かりやすい解説が載っています。

http://nkiso.u-tokai.ac.jp/phys/matsuura/lecture …

＞もし暖かい空気と冷たい空気が風船のようなもので閉じ込められているのであれば

まぁ、ざっくり言ってしまえば大気層はそれより上層の真空層（？）により閉じ込められているといえるのではないでしょうか。その境界層が風船のゴム皮と考えることができると思います。そこまでスケールアップして考える必要はないのかもしれませんが(笑い）。

No.2 回答者： tadys 回答日時： 2007/06/02 10:53

暖かい空気は軽くなり浮力が働くからです。

熱気球が空中に浮くのと同じ理由です。

人工衛星の中は重力が極めて小さい為
対流が起きないのでローソクの火は消えるそうです。

参考URL：http://www.isas.ac.jp/ISASnews/No.252/mspace.html

No.1 回答者： maxmixmax 回答日時： 2007/06/02 10:34

上に行けば行くほど気温が下がるので密度が上がり重くなって、

地熱に暖められて上ってきた密度の薄い軽い空気と
対流を起こすのでは？