水の循環 — 蒸発・凝結・降水

水の循環とは、水が地表・大気・地下のあいだを移動するしくみのことです。もっとも単純な形では、液体の水が蒸発して水蒸気になり、空気が十分に冷えると水蒸気が凝結し、雨や雪などの降水として再び地表に戻ります。

この循環は実際に起こっていますが、完全な円のように単純ではありません。降水のあと、水は小川に流れ込んだり、土にしみ込んだり、地下水に入ったり、凍ったり、植物を通ってから空気中に戻ったりします。

水の循環の定義

水の循環は、水文循環とも呼ばれ、水の移動と状態変化の両方を表します。水は海から雲、そして雨へと移動しますが、その途中で土壌、根、川、氷の中を通ることもあります。

まず多くの生徒が最初に覚えるべき3つの用語は次のとおりです。

それぞれの段階は条件に左右されます。蒸発は、ふつうエネルギーの供給が大きく、空気が乾燥している、または動いていると速くなります。凝結は、湿った空気が十分に冷えると起こります。降水は、液滴や氷の結晶が重力で落ちるほど十分に大きくなったときにだけ起こります。

暖かい日の地表の水たまりの一部をたどってみましょう。いくつかの分子は十分なエネルギーを得て液体から離れ、水蒸気として空気中に入ります。この水蒸気は目に見えません。

その湿った空気が上昇して冷えると、水蒸気の一部が大気中の小さな粒子のまわりで凝結し、雲粒や氷晶をつくります。それらの液滴や結晶が十分に大きくなると、降水が起こります。

大切な考え方は、水は消えてしまうわけではないということです。同じ地球システムの中で、形と場所を変えながら移動しているのです。

小さな池に雨が降り、近くの土や葉もぬれたとします。

その後の1日で、池の水の一部は蒸発します。一部の水は土の中にとどまり、根がそれを吸収できます。植物はその後、蒸散によってその水の一部を空気中に戻すことがあります。蒸散とは、植物の表面から水蒸気が放出されることです。

同時に、その地域の上空の湿った空気が冷え、風下のどこかで凝結と雲の形成が起こることもあります。液滴や氷晶がさらに成長し続ければ、再び降水が起こるかもしれません。

この例から、水の循環が一本道のループではないことがわかります。同じ雨でもいくつかの経路に分かれ、水の各部分はまったく異なる長さの時間、たくわえられることがあります。

生物学では、水がどこにあり、どれくらい利用可能な状態でとどまり、どれくらい速く移動するかが重要です。植物は、物質の輸送、細胞のはたらき、光合成のために水を必要とします。動物は淡水に直接依存するだけでなく、土壌水分、小川の流れ、地域の気候によって形づくられる生息環境にも依存しています。

そのため、水の循環は生態系の違いを説明するのに役立ちます。降水の頻度が下がったり、蒸発が増えたり、土壌にたくわえられる水が減ったりすると、種の一覧が変わらなくても生物学的な影響は大きくなりえます。

水蒸気は目に見えません。目に見える雲の大部分は、凝結のあとにできた小さな液滴や氷晶です。

熱は蒸発を速めますが、蒸発は涼しい天気でも起こります。速さは、気温、湿度、風、表面がどれだけ空気にさらされているかといった条件に左右されます。

海は重要ですが、土壌、湖、川、地下水、氷、生物も重要です。多くの生態系では、植物の蒸散は大気へ戻る重要な経路です。

凝結によって、すぐに雨が降らなくても雲、霧、露ができます。降水が起こるには、適切な条件のもとで液滴や氷晶がさらに成長する必要があります。

水の循環は、生態学、農業、環境生物学、気候科学で使われます。これは、土壌水分、植物の干ばつストレス、小川の流量、湿地の状態、そして土地被覆の変化が地域の生息環境をなぜ変えるのかを説明するのに役立ちます。

また、水の循環は生物学と天気、地球システムを結びつける便利な橋渡しの概念でもあります。この循環がはっきり理解できると、蒸散、生態系、地下水、生息環境の変化といった話題も理解しやすくなります。

嵐のあとの木を使って、自分なりの例を考えてみましょう。葉の上、土の中、根の内部にある水が次にどこへ行くかをたどり、どの部分がすぐに空気中へ戻り、どの部分がより長くたくわえられるかを考えてみてください。

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