1 つの分子、3 つの状態: 単一惑星上の固体、液体、気体

地上の熱力学的特異点

地球上では、水は、固体 (氷)、液体 (水)、気体 (蒸気) という 3 つの基本的な物理状態で自然に存在する唯一の物質です。この三重の共存は、地球の表面で見られる条件と正確に一致する、非常に特殊な温度と圧力条件によって可能になります。この現象は、水循環、気候、地質学、生物学、さらには陸地の温度調節においても極めて重要です。

なぜ水は独特なのでしょうか？

水の分子 (H₂O) は極性があり、分子間に水素結合を形成します。これらの結合は弱い (共有結合より 5 ～ 10 倍弱い) ものの、幅広い温度 (大気圧で 0°C ～ 100°C) にわたって液相を安定化します。さらに、水は高い融解および蒸発の潜熱を持っており、温度を即座に変化させることなく大量のエネルギーを吸収または放出することによって状態変化を促進します。

水相図

水の状態図は、1 気圧 (海面での平均大気圧) において、0°C (融解) と 100°C (沸騰) の間で 3 つの状態が共存することを示しています。

トリプルポイント

三重点 (0.01 °C、611.657 Pa) は、3 つの相が熱力学的平衡で共存する正確な条件です。惑星の表面条件下でそのような挙動を示す物質はほとんどありません。

重要な点

水の臨界点は基本的な熱力学的限界であり、それを超えると、たとえ圧力や温度を変更したとしても、液体の水とその蒸気を区別することができなくなります。これは、水相図における特異点であり、液体と気体の転移線が終わる場所です。

危ういバランス、宇宙的な偶然？

液体の水は 0°C から 100°C の間で安定していますが、この範囲は奇跡的に地球の平均温度 (約 15°C) と一致します。この「チャンス」は実際、長い宇宙進化の成果です。地球から太陽までの理想的な距離、調整された大気、安定した圧力、保護磁気圏、海洋を循環させるプレートテクトニクスなどです。金星や火星のような他の惑星は、これらの条件を満たしていません。

出典:NIST – 米国国立標準技術研究所、USGS – 水科学学校

44億年間ほぼ一定量の水

地球上にはどれくらいの水がありますか?

地球には推定総量の水が含まれています。13億8,600万km3。この量は残りました後期砲撃終了以来ほぼ一定44億年前。海洋では主に液体の形で分布していますが、氷床では固体の形で、大気中ではガスの形で分布しています。

貯水池の世界的な分布

大多数はおよそ97.5%、海に含まれる塩水です。淡水のみを表します2.5%全体のうち、70％近くが氷河または極地の氷床（南極大陸とグリーンランド）に閉じ込められています。大気中の水は、体積は小さいですが、気候の調節において熱力学的に主要な役割を果たしています。

出典:USGS – 水科学学校、ユネスコ – 世界水の日。

氷から雲へ、水分子の旅

永久運動をする水分子

地球上の水分子は決して凍ったままではありません。太陽放射の影響により、昇華または融解によって氷冠を離れ、海洋に到達し、蒸発して蒸気になり、凝結によって雲を形成することがあります。風に運ばれ、雨や雪となって降り、再び循環を始めます。これ水の循環熱力学的バランスとエネルギー保存によって支配される物理的状態の変化 (融合、蒸発、凝縮、沈殿、凝固) に基づいています。

相転移とエネルギーバランス

各状態遷移には特定のエネルギー交換が伴います。蒸発によりエネルギー (潜熱) が消費され、凝縮によりエネルギーが放出されます。したがって、水は質量を運ぶだけでなく、潜在熱エネルギー大規模に地球の温度調節に参加しています。これらのプロセスは、大気力学と地球規模の気候バランスにおいて中心的な役割を果たします。

地球のための水文学エンジン

水の循環は、降水量を供給し、地下水を涵養し、土壌を灌漑し、栄養分を循環させ、川に水を供給します。陸地地理（侵食、土砂輸送）を形成し、陸地および水生生物圏をサポートすることにより、それは実際の惑星水文学機械。このように、水は海洋、大気、雪氷圏、岩石圏、生物圏を一貫したエネルギー ループで結び付けます。