炭酸ガスは空気よりも重いのに地表付近に溜まらないのはなぜなの?

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★科学★
問題:理科室の実験では、発生した炭酸ガスはビーカーや試験管の底に溜まることになっています。マッチの火を入れると消えます。ホラね。空気より重いから下に沈んでいるんだよ。そんなふうに習った記憶があります。
■昭和52年(1977年)、インドネシアで火山噴火が起きたとき、大量の炭酸ガスが発生したそうです。付近の住民が窒息死したらしい。炭酸ガスは空気よりも重いので、地表付近に滞留し、酸素を含む空気がなくなり、住民の悲劇を生んだらしい。
■本来なら地表付近に滞留し、われわれの呼吸を危うくするはずの炭酸ガスです。ところがなぜか、日本付近では空に舞い上がり、温室効果をもたらし、地球の温暖化に寄与しています。これはなぜなのでしょうか?
[い]炭酸ガスに水素やヘリウムが結合し、軽くなって空に舞い上がるから
[ろ]炭酸ガスのガスは太陽光線を浴びるとイオン化し、地磁気に引きつけられて南北に移動しようとし、空に舞い上がるから
[は]炭酸ガスは空気中での量がたいへん少ないから
[に]炭酸ガスの分子は運動のために空気中に拡散するから
[ほ]炭酸ガスは水に溶けやすいので、水蒸気とともに上昇気流にのって空に舞い上がるから
(答えはずっと下↓ スクロールして下さい)

























★科学★
正解:[に]炭酸ガスの分子は運動のために空気中に拡散するから
説明:[は]の「炭酸ガスは空気中での量がたいへん少ない」のはホントだそうです。炭酸ガスは、平成23年(2011年)現在では約400ppmぐらいの濃度だそうです。「ppm」は、「parts per million」の頭文字をとっているそうです。百万分のいくつかを示すものらしい。百万分率とも呼ばれています。「%、percent」、つまり百分率に換算すると0.04%になるそうです。たしかに量は少ないですね。
■地球の大気の質量でみると約80%までは地表から1万1000mに存在するそうです*1。この層を対流圏と呼んでいるらしい。計算を楽にするために1万mまでに空気の10割が存在すると仮定します。すべての炭酸ガスが沈み込むと、地表から4mの高さまでを占めることになります。量は少なくても、このぐらいの厚さにはなるようです。
■となると、標高4m以上の地域でないと、人間は住めなくなりそうです。もちろんビーチでは遊べない。世界中の海は遊泳禁止。プレジャーボートも釣り船も水上バイクもバナナボートもダメ。甲羅干しも西瓜割りも危険だからやめるべし。ボンベをつけた潜水だけは許可されるのかな。海の家はあがったりです。オランダやツバル、モルジブは地面が海面に近いので壊滅するかもしれません。
■実際にはそうはなりません。固体では分子はお行儀よく並んでいますが、気体では分子は勢いよく運動しているとのこと。炭酸ガスの分子も15度Cぐらいでは音速とおなじぐらいのスピードで運動しているらしい。他の成分の分子もおなじぐらいに元気なので、どんどん混ざり合っていき、拡散していくらしい。
■そのため、炭酸ガスの濃度は地表付近でも上空でもほぼおなじになっていくそうです。実は、ビーカーや試験管の中でもおなじことが起こっているらしい。ただし、炭酸ガスを発生させた直後は、一時的に濃度が高いので、相対的に酸素の割合が低くなり、マッチの火が消えたりするようです。
■ビーカーや試験管に蓋をせず、放っておきます。翌日にマッチの火を入れても、すぐには消えません。ビーカーや試験官の中にあるのは、教室や校庭の空気とおなじ成分の空気だそうです。炭酸ガスは0.04%程度しか含まれていないし、酸素は20%以上含まれています。マッチの火から生まれた炭酸ガスの量が増え、ふたたび「一時的に」酸素を含む空気を押し出すとマッチの火が消えるらしい。
■密閉された場所ですと炭酸ガスが拡散できません。そこに大量の炭酸ガスがあると酸素を含む空気が相対的に少なくなるらしい。これは危険な状態だそうです。たとえば工場のタンクの中とか、地下室などでは、ときおり酸欠で事故が起こります。参考資料*2の死亡事故では、「…もろみの発酵で二酸化炭素が充満していた」そうです。
■自然界でもときおり炭酸ガスが異常発生して、悲劇を生むことがあります。冒頭に掲げたインドネシアの悲劇もそのひとつです。昭和61年(1986年)にはカメルーンでニオス湖と呼ばれる湖の水に溶けていた炭酸ガスが突然気化しはじめ、流れ出して近辺の1700人以上が亡くなるという悲劇があったらしい*3。
■インドネシアでも、カメルーンでも、発生した大量の炭酸ガスは空気中に拡散されていきます。しばらくすると、元のように人の住める環境に戻るようです。
◆参考*1:HP「対流圏 - Wikipedia」
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AF%BE%E6%B5%81%E5%9C%8F
◇*2新聞「醸造タンクに転落 作業中の社員死亡 西宮の小西酒造=兵阪神」030607読売新聞大阪朝刊31頁
◇*3HP「消防防災博物館:見て学ぶ-消防の歴史・現在・未来-」
http://www.bousaihaku.com/cgi-bin/hp/index.cgi?ac1=R102&ac2=R10206&ac3=1346&Page=hpd_view

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    Excerpt: ●●●●★科学★●● 問題:地球温暖化の原因の1つとしてかまびすしく取り上げられる炭酸ガスです。でも、増えたとはいっても体積比で空気全体の0.04%ぐらいなんだそうです。100万分の400ぐらいです.. Weblog: 町人思案橋・クイズ集 racked: 2014-10-17 09:46