対流

コンロの上に水を入れた鍋をのせると、炎が当たる底から熱くなっていきます。でも、スプーンでかき混ぜなくても、いつの間にか鍋全体の水がまんべんなく熱くなりますよね。温まった水が自分で動いて、熱を鍋全体に運んでいるからです。

底のほうの水が熱を受け取ると、水の分子の動きが活発になり、互いの距離が離れていきます。その結果、体積が大きくなり、まわりの冷たい水より軽くなります。軽くなった温かい水は自然と鍋の上のほうへ昇っていき、上にいた密度の高い冷たい水は下へ押し下げられます。

下りてきた冷たい水は、また底の炎から熱をもらって温まり、上へ昇ります。このように、物質そのものがまるで足をつけて動き回るように熱を運ぶ大きな回転の流れを、対流と呼びます。

対流は単に「熱が移動すること」ではなく、物質が実際に場所を入れ替える現象です。そのため、木や鉄のような硬い固体では対流は起こりません。原子ががっちり固定されていて、場所を入れ替えられないからです。対流が起こるのは、空気や水のように形が自由に変わって流れることのできる流体です。ただし、地球内部のマントルのように固体の岩石でも、非常に長い時間をかけて粘り気のある液体のようにゆっくり流れる場合には、対流が起こります。

また、鍋の中の水のように温度差だけで自然に生じる対流（自然対流）が起こるには、重力が必要です。温度が上がって体積が大きくなった流体は、密度が小さくなります。このとき重力のせいで、より重いまわりの冷たい流体が底のほうへもぐり込み、相対的に軽くなった温かい流体をぐいっと上へ押し上げます。これが、水遊びのときに感じる浮力という力の原理です。

では、重力のない宇宙ステーションでろうそくに火をつけたらどうなるでしょう？　上と下を区別してくれる重力がないので、密度の差があっても浮力は生まれません。結局、対流が起こらず新鮮な空気がすばやく入ってこられないため、ろうそくの炎は小さくて青い丸い球の形で燃えます。酸素が拡散だけでゆっくり供給されるので炎は弱く、環境によってはすぐに消えてしまうこともあります。宇宙ステーションの実験では、こうした炎が数十分間燃え続けたこともあります。

対流は、台所の小さな鍋だけでなく、私たちが暮らす地球全体を動かす巨大なエンジンでもあります。夏の強い日差しで熱くなった地表の空気が空高く昇り、立派な入道雲や夕立をつくります。海でも、赤道付近の温かい海水と極地方の冷たい海水が対流によって絶えず循環し、地球全体の気候を穏やかに保ってくれています。

暮らしの中でエアコンや暖房器具を置く場所にも、対流の原理が隠れています。冷たい風を出すエアコンは部屋の高いところに取り付けるのが基本で、そうすると重い冷気が下へ降りてきて部屋全体を涼しくします。反対に暖房器具は床の近くに置くと、温まった空気が上へ昇って、部屋の中全体をまんべんなく快適な温度に温めてくれます。

地球の深い地下でも、想像を超える対流が起きています。地殻の下にあるマントルという巨大な岩石の層が、何億年もかけてとてもゆっくり循環しているのです。このマントルの対流は、上にのっているプレートの動きとつながっていて、地震や巨大な山脈ができる背景になります。ただし、プレートを動かす力には、海の底へ沈み込むプレートが引っぱる力も大きく関わっています。対流は、小さな部屋の空気から巨大な惑星の地殻まで動かす、自然の大きな循環システムです。