混合比 (気象用語)

混合比（こんごうひ）

混合比とは、湿った空気中に含まれる水蒸気の量を定量的に示す指標の一つです。具体的には、湿潤空気中で、ある量の乾燥空気に対して、どれだけの質量の水蒸物が含まれているかを表す比率です。空気中の水蒸気量を示す方法としては他にも湿度などがありますが、混合比は気象学において特に重要な意味を持つ物理量です。同じ体積の空気で考えた場合、これは含まれる水蒸気の密度と乾燥空気の密度の比率に等しくなります。

混合比は、特定の状況下ではその値が変化しにくいという特徴を持っています。具体的には、周囲の空気との混じり合いがなく、また水蒸気が凝結して液体になったり、逆に液体が蒸発して水蒸気になったりしない限り、たとえ空気の圧力（気圧）や温度（気温）が変化しても、その混合比の値は一定に保たれます。このような性質を持つ量を「保存量」と呼びます。

実際の気象現象においては、空気は常に流動し、周囲の空気と混ざり合います。しかし、比較的短い時間スケールであれば、混合比は近似的に保存されると考えることができます。この性質を利用して、気象学者は天気図上に混合比の分布をプロットし、その時間的な変化を追跡します。混合比の値が高い空気の塊がどのように移動しているか、あるいは混合比の異なる空気塊がどのように混ざり合っているかなどを観測することで、大気の動きやその構造を理解するための重要な手がかりとなります。いわば、混合比が空気の塊の動きを示す「目印」や「トレーサー」の役割を果たすのです。

混合比は数学的には以下のように表現されます。乾燥空気の質量を $m_d$、水蒸気の質量を $m_v$ とすると、混合比 $m$ は両者の質量比として定義されます。

$m = \frac{m_v}{m_d}$

また、湿潤空気全体の圧力を $p$、その中に含まれる水蒸気の分圧を $e$ とすると、気体の状態方程式などから、混合比はこれらの圧力を用いて次のように表すことができます。

$m = \varepsilon \frac{e}{p-e}$

ここで、$\varepsilon$ は乾燥空気と水蒸気の分子量の比であり、その値は約0.622です。したがって、混合比は以下の式で計算されます。

$m = 0.622 \frac{e}{p-e}$

この計算によって得られる混合比の値は通常非常に小さいため、多くの場合、分母を1000倍して単位をグラム/キログラム（g/kg）に変えて表現します。

$m = 622 \frac{e}{p-e}$ [g/kg]

また、水蒸気の密度を $\rho_v$、乾燥空気の密度を $\rho_d$ とすると、混合比は密度の比としても表せます。

$m = \frac{\rho_v}{\rho_d}$

湿潤空気全体に対する水蒸気の質量の比である比湿 $s$ とは近い概念ですが、定義が異なります。混合比 $m$ と比湿 $s$ の間には、以下の関係があります。

$m = \frac{s}{1-s}$

飽和混合比という概念も重要です。これは、特定の気圧と温度の下で、空気がそれ以上水蒸気を含むことができず、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧 $e_s$ に達した状態における混合比を指します。飽和混合比 $m_s$ は、水蒸気分圧 $e$ の代わりに飽和水蒸気圧 $e_s$ を上記の混合比の式に代入することで求められます。

$m_s = 0.622 \frac{e_s}{p-e_s}$

飽和混合比は温度が高くなるほど大きくなります。実際の混合比が飽和混合比に達すると、水蒸気は凝結して雲や霧などを形成します。

このように、混合比は大気中の水蒸気量を理解し、大気の挙動を分析するための基礎的ながら非常に有用な物理量です。

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