厳冬期に川から湯気が上がるのは何故ですか

Question

北海道・道東に住んでます。
厳冬期に氷結していない川から湯気が上がることがありますが、何故でしょう？
まるで温泉のように、もうもうと湯気？が上がることもあり、周囲の木々が樹氷になって冷え込んだ朝はとても綺麗です。
これは水温と気温に差が有る時にでると言われていますが、何故空気が冷たいと湯気になるんでしょうか。

ちなみに暖かい道南地方では見た事は無く、釧路方面では夜に湯気が上がると、ちょうど運転席の目線の高さくらいが境界線になり下はクッキリ・上は真っ白なんて不思議な状況になることもあります。

分かる方がいらっしゃれば、教えてください。

hakkushon · Accepted Answer

お礼のメッセージ有難うございました。
＞＞温度差が大きいと川面からの蒸発量が増えます。
＞ここがちょっと難しいです。
この部分について回答してみます。
温度差が大きい媒体（この場合は相対的に温度が高い川の水と、放射冷却で温度が下がった地表面の空気）が接しています。
温度とは（一番単純な表現を用いますと）媒体を構成している物質の分子運動の激しさを表現した数値です。その温度を絶対温度といい、Ｔ（Ｋ：ケルビン）で表し、セルシウス温度目盛の℃の値に２７３（正確には２７３．１５）を加えた値です。ー２７３（℃）はＴ＝（－２７３）＋２７３＝０となります。その温度を絶対温度０度（Ｋ）といい、この状態は分子運動が全く停止することを意味しています。
逆に０℃（＝２７３（Ｋ））や－１０℃の温度では、それなりに分子運動が盛んであることを意味しています。
そこで、温度差があるということは、水の分子運動の激しさが、地表面の空気の分子運動より大変激しいことになります。
その激しさの差が大きいほど、水分子と空気分子（主に窒素分子と酸素分子をさす）が衝突した際、分子運動の激しさが一様になるように、激しい水から穏やかな空気へと伝わってゆきます。
それは運動の激しい水分子が、温度差が大きいほど多量に、水蒸気になって蒸発し、運動の激しさを平均化するように作用します。
　そのときには水から分子が蒸発熱としてエネルギーをもらって水蒸気になり、空気中に入ります。でも最初に述べたように冷気（窒素や酸素分子）に触れて熱を奪われ、集まって水滴になります。
水蒸気がエネルギーを奪われ限度に達すると、水蒸気としては存在できず、水蒸気同士がくっつきあって集まります。これが凝縮と言って液化すること、すなわち水滴となることを意味しています。

luune21 · Answer

横から入るような回答で申しわけありません。

＞＞＞冷たい空気は蓄えることのできる水分が少ないの・・・
＞どうして少ないんだろう？体積が小さいから？

理科センスのあるとてもいい質問です。
とうのは、「温度によって空気が含む水蒸気量が違う」という説明がこの質問に答えにくいものとなるからです。上記説明は、本当は中学生が学びやすくするための方便なのです。これはこれで、目的に応じていていいと思いますが、この追加質問のように科学的につっこまれてしまうと答えづらいものになります。

そもそも「空気が水蒸気を含む」というのは、正しい言い方ではありません。スポンジに水を含ませて(蓄えて)、それが限界を超えると外に出てくるというようなイメージはわかりやすいものですが、実際はそうではないのです。

まず、霧、湯気というのは液体です。やかんからシュンシュンと吹き上がる湯気も液体です。一方、水蒸気は気体です。つまり、ご質問の現象は気体→液体という状態変化ということになります（他の方のご回答どおり）。

さて、そもそも水が固体→液体→気体となるのは何によるのでしょうか。圧力を考えなければ、温度の問題ですね。これがなぜそうなるかというと、分子は温度が高くなればなるほど元気になり、低くなればなるほど元気がなくなる性質を持っているからです。とりあえず温度＝エネルギーと考えましょう。

水蒸気は、あるときにダーっと水から飛び出すものではありません。常に水面から空気中の空間へ水蒸気になっているのです。また逆に水蒸気も常に空間から水になっています。しかし、その温度が高ければ（元気がいいので）水蒸気になる方が多く、反対に水になるほうが少ないため、全体として水蒸気になるほうが多くなります。温度が低ければその逆ですね。その境目が飽和水蒸気量というものです。ビショビショで重くなったスポンジのようなものではありません。「水蒸気量」ということばも誤解を与えます。実際は「水蒸気密度」なのです。

このことは「空気が水蒸気を含んでいて、温度が下がれば含みきれなくなる」ということと似ているようで、実際は全然違うことなのです。空気のある空間や隙間が増えたり減ったりしているわけではありませんね。また、空間や隙間に余裕があるかないかということでもありません。
なお、「水の分子の元気さ」というのは「水の分子の飛び回りぐあい」と考えてもかまいません。

t0ch10 · Answer

これまでの回答で、凡そ空気中に小さな水滴が出来るメカニズムはご理解いただいていると思います。
ですので、小さな水滴が何故落ちてしまわないかとの疑問にお答えします。

結論から言ってしまえば、”水滴が小さすぎて落ちれない”からです。

空気も軽いと言え、酸素などの小さな粒子の寄せ集めです。これらの粒子は、目には見えませんが激しく飛び回っています。そして、軽くて弱い力とは云え、いろんな所にぶつかっています。
その、ぶつかる相手が湯気の様な小さな水滴の場合、それらの粒子にぶつかられた衝撃であちこちに跳ね飛ばされます（ブラウン運動）。
その為、小さな水滴は重力に引っ張られて落ちようとしているのに、進路を妨害されて（普通の速度では）落ちれなくなります。
雨粒などは落ちることが出来ますが、これはこの進路妨害を無視できるぐらい塊として重く、また表面積の割合が小さいからです。

しつこく書きますと、液滴が球形だとすると、体積（＝重量）は直径の3乗に比例し、表面積は2乗に比例します。
すると、サイズが大きいほど目方が重くなり、周りから邪魔する力（＝気体の粒子にぶつかられる度合い＝表面積に比例）が小さくなります。
ですので、逆に小さいと周りの影響を受けやすくなるのです。

ちょっと乱暴なイメージで捕らえていただくとすると、セパレートドレッシングをゆるく振ると、すぐに分離してしまいますが、思いっきり激しく長い時間振りすぎると、油の粒が小さくなりすぎて濁ったまま、なかなか綺麗に液が澄んでこないイメージでなんとなく、解った気分になってもらえると思います。

redowl · Answer

北海道では
「けあらし」（気嵐）　　　理由は、下記の記事で・・・
http://www.city.kushiro.hokkaido.jp/kankou/a/a04-006.html
http://hokkaido.yomiuri.co.jp/tenki/030214.htm
http://abashiri.jp/tabinavi/guide/13nature/kearashi.html
http://www.jaf.or.jp/dguide/advice/plan9/plan4.htm

ymmasayan · Answer

飽和水蒸気量という考え方が一般的ですが水蒸気圧で考えることもできます。
例えば１０℃の水は約１２００パスカル、－１０℃の氷は約２５０パスカルの水蒸気圧です。
どちらもこの圧力で水蒸気量が平衡することを示しています。

水面では１２００パスカルに成るまで蒸発しますが、
空中に行くとその分の水蒸気を保有することができません。
２５０まで水蒸気圧を下げるために差分は霧に成ります。

暖かい湿った空気と冷たい空気が触れたときに霧が発生するのと同じ理屈です。

ass559 · Answer

すでにわかりやすい回答が出ていますが、

＞これは水温と気温に差が有る時にでると言われていますが、

水温と気温が同じということは、１年中まずないと思います。
ただ厳冬期は、気温が氷点下に下がるのに、氷結していない水は氷点下にはならないので、かなりの温度差ができます。

そして、前の回答にあるように、冷たい空気は蓄えることのできる水分が少ないので、水面から出た水蒸気はすぐに冷やされて水の粒になる（霧になる）わけです。

夏も、温かい空気が大量の水分を含んでから冷やされれば、すぐ飽和してしまい、霧になります。
朝霧、夕靄とはいいますが、昼霧はありませんよね。

hakkushon · Answer

天気が良いと放射冷却で、地面の温度が下がります（例えばー１０度Ｃ）。すると川を流れる水の温度が相対的に高くなり（湧き水が流れ込むところなどは、+１０度Ｃ）北海道ではもっと地面の温度が下がると思います。温度差が大きいと川面からの蒸発量が増えます。
温度が低い空気は単位体積当たり含む事が出来る水蒸気の量（飽和水蒸気量）が少ないので小さい水滴になってしまいます。
それが湯気となって見えます。因みに水蒸気の時は分子が小さいので見えません。露天（水蒸気が水滴になる温度）以下になると水蒸気が水滴になる（分子が沢山結合して大きな粒子である水滴になる）のです。気温が低いと湯気が上に昇る事が出来ず、漂います。それが川霧です。

noname#45918 · Answer

川霧ですね。
温度が低い気体は、中に水分を蓄えることができません。
飽和水蒸気量というのですが、そうすると川から蒸発した水分が粒になり、目に見える状態になります。
これが湯気、霧の正体です。

厳冬期に川から湯気が上がるのは何故ですか

お礼のメッセージ有難うございました。

横から入るような回答で申しわけありません。

これまでの回答で、凡そ空気中に小さな水滴が出来るメカニズムはご理解いただいていると思います。

北海道では

飽和水蒸気量という考え方が一般的ですが水蒸気圧で考えることもできます。

すでにわかりやすい回答が出ていますが、

この回答への補足

天気が良いと放射冷却で、地面の温度が下がります（例えばー１０度Ｃ）。

川霧ですね。

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