【天気】暖かい空気と冷たい空気はどっちが重い？

空気にも重さがある！

地球上に空気はたくさんあって自分の頭の上にも乗っかっていますが、重い！と感じたことはないですよね。

しかし、空気にもしっかり重さがあります。

ここでいう重さとは、重力の大きさを指す指標であり質量と重力加速度を掛けたものです（この話を始めると長くなるので今回は割愛します）。

重力加速度は地球上では約9.8という正の値を示すので、重さがある（０より大きい）＝質量がある（０より大きい）と捉えてください。

では、空気の質量はどのように決まるのでしょうか？

その答えは、空気に何が含まれているかによって変わります。

同じ空気の量でも、酸素が多めの場合と少なめの場合で重さが変わります（わからない方はモル質量について調べましょう）。

例えば窒素と酸素の質量（単位的にはモル質量（1[mol]あたりの質量））は、下記のようになっています。

• 酸素：14[g/mol]
• 窒素：16[g/mol]

このことから、同じ量の空気なら窒素よりも酸素の方が少し軽いということがわかります。

言い換えると、同じ量の空気で同じ中身の場合は、質量が同じになります。

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暖かい空気と冷たい空気では体積が違う？

次に暖かい空気と冷たい空気の違いについて考えていきましょう。

空気にはたくさんの原子がいるわけですが、原子は温度が高いほどたくさん暴れ出し、低いほど大人しくなります。

原子が暴れだすということは空気が膨張することを表し、逆に大人しくなることは空気が収縮することになります。

これを言い換えると、温度が上がると体積が大きくなり、温度が下がると体積が小さくなり、これらは比例関係にあります。

これをまとめると下記のようになります。

• 温度が上がる＝原子が暴れる＝膨張する＝体積が上がる
• 温度が下がる＝原子が大人しくなる＝収縮する＝体積が下がる

上記は割と乱暴な説明で、次はもう少し具体的に説明していきます（概要だけ知れば良いという方は読み飛ばしてください）。

今までの説明は気体の状態方程式を少し変形したもの（PV = mRT）をまとめたものでした。

状態方程式の各文字は下記を表しています。

• P: 気圧
• V: 体積
• m: 質量
• R: 気体定数
• T: 気温

先ほどまでは体積がどうなるって話をしていたため式変形をすると、V = mRT/pとなりますよね。

ここで今まで話していた暖かい空気と冷たい空気は同じ場所であることを仮定しています。

そのため、同じ場所なら気圧が同じであること、同じ場所なら中身も同じはずなので前節の説明より質量が同じであることを前提としています。

また、気体定数は同じ値を取るため、体積と温度が比例することが式からも示されます。

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空気の密度が大きいほど重くなる

ここまできたら、ほぼゴールです。

質量の話から、同じ場所なら同じ中身なので質量はどちらの空気も同じです。

体積の話から、暖かい空気の方が膨張しやすいので体積が大きくなります。

ここで、密度は質量を体積で割ることで求められましたよね。

要するに、体積が大きい暖かい空気ほど密度が小さく、体積が小さい冷たい空気ほど密度が大きくなります。

そのため、空気中で隣り合った比較（体積が同じ）では、密度が大きい冷たい空気の方が暖かい空気よりも重くなります。

冬場はロフトに引きこもりが最強？

上記の話を踏まえて部屋を例にして考えると、下に行くほど相対的に冷たい空気が、天井に行くほど相対的に暖かい空気が溜まっていることになります。

そのため、下にいるよりもロフトの方が下よりもちょっとだけ暖かそうですよね。

ロフト付きの部屋に住んでいる方は基本的にロフトに居座ると良いかもしれません。

１軒家の１階と２階では、筒抜け構造になっていないと綺麗に分離されていない気がしますね。

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まとめ

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