親子で楽しもう、身の回りのサイエンス

私たちの生活の中には、「科学」で説明できることが多くあります。

見慣れている身の回りの自然を改めて科学的な視点で眺めてみると新しい発見や感動を知ることができます。毎日少しずつ変わる四季の変化から、いろんなサイエンスを親子で楽しんでみませんか。

１：空気の重さ「気圧（きあつ）」

地球は表面が大気で覆われていて、その厚みは約500㎞あると言われています。※１

この空気の層は「大気圏（たいきけん）」と呼ばれています。

図：地球大気の鉛直構造

空気には体積があり圧力（面を押す力）が生じます。※１
大気は積み重なって地表を押しています。

この力を「気圧」と言います。

飛行機が上空10,000mまで上昇するのは、上空ほど気圧が小さく空気抵抗が少ないため、少ない燃料で遠くまで飛ぶことが出来るためです。

標高が10m高くなると、理論的には気圧は1hPa（ヘクトパスカル）下がると言われています。

富士山は日本一高い山で標高3,776mあります。
単純に計算すると、標高0mの場所よりも377 hPaも気圧が低いことになります。
0m地点で1気圧（1013 hPa）だった場合、富士山頂では気圧は636 hPaになります。

富士山に登るときは、一気に頂上まで登ると高山病になる危険性が高くなります。
そのため、登山客は、途中の山小屋で何度も休憩を取り、低い気圧に体を慣らしながら徐々に登って行くのです。

世界一高いエベレストは標高8,848mです。
ネパールという国にエベレスト観光で有名な「エベレスト街道」というトレッキングコースがあります。
エベレストを麓から観たい人や、実際に登山に挑む人たちが集まって来る場所です。
エベレスト街道沿いには、ナムチェバザール（3,440m）やルクラ（2,840m）などの村がありますが、エベレストのベースキャンプは標高5,364mの高さにあります。

世界一の山に登ることがいかに大変か、気圧からも想像できますね。

２：水は何℃で沸騰する？

水は100℃で沸騰します。言いかえれば「水の沸点は100℃」ということになります。

ただしこれは1気圧（1013 hPa）の時の話です。
気圧が低くなると、水の沸点も低くなります。※２

標高0mが1013 hPaの時、富士山頂（3,776m）では水は87℃で沸騰することになります（気温5℃として）。
標高0mが1013 hPaの時、エベレスト山頂（8,848m）では水は71℃で沸騰することになります（気温－10℃として）。

これらは計算ツールによって簡単に計算することができます。

標高と水の沸点の関係

食中毒の原因となるサルモネラ、病原性大腸菌、カンピロバクターなどの食中毒菌は、75℃で1分程度煮沸することで死滅することがわかっています。ノロウイルス菌は85℃以上で1分程度煮沸すると死滅すると言われています。

エベレスト山頂で水を沸騰させても、これらの菌は死滅しないことになります。※３

３：1気圧ってどうやって決まる？

1643年にイタリアの物理学者かつ数学者であるトリチェリが大気圧に関する実験をしました。

トリチェリは、片方が閉じている細長いガラスの筒に水銀を入れて、水銀が入っている皿の上で空気が入らないようにひっくり返しました。

出典：ShutterStock

筒の中の水銀は少し低くなり、水銀面から約760㎜の高さで止まりました。
水銀が下がった筒の上部は真空になっています。

筒の中の760㎜分の高さの水銀柱は、筒の外の水銀表面を押している空気（大気）と同じ力だということが出来ます。言い換えると、この時の「空気が水銀面を押している力＝大気圧」は「760㎜の高さの水銀が押す力」と同じということです。

水銀（元素記号Hg）は室温（25℃）で液体という珍しい性質を持っています。
大変重たい金属で、1㎤で13.6gもあります（水銀の比重は13.6 kg/㎥）。
水（H₂O）の13.6倍も重たい液体です。

この時大気が水銀面を押している力（大気圧）は、760㎜（0.76m）の水銀柱の圧力と同じということになります。

「1㎡あたりの圧力は、＝面積×高さ×比重×地球の重力加速度」
で求めることが出来ます。※４

これを計算すると、

760 mmHg（水銀柱の高さ）＝760 Torr（トリチェリ）＝1013 hPa（ヘクトパスカル）＝1気圧

となるのです。

４：気圧計のしくみ

気圧計とは気圧を測る機器です。

さまざまなタイプの気圧計が販売されていますが、気圧を測る仕組みによって分類すると大きく３つのタイプがあります。

水銀気圧計

トリチェリの実検（3章参照）と同様に水銀を用い、真空状態と大気圧との差を計測することによって気圧を測る計測機器です。

正確な値が出せるため、気象観測によく用いられてきました。

水銀気圧計は広範囲の観測が可能ですが、用いている水銀は人体に有毒で装置も大きいものが多いので、一般家庭では使用されることはほとんどありません。

アネロイド式気圧計※５

「アネロイド」とは「液体を使用しない」という意味で、内部を真空にした金属容器が外部（大気圧）から押される力をバネの伸縮に変えて気圧を知る方法です。

気温により値が変化するので測定値がずれることがありますが、コンパクトで持ち運びしやすく価格も安いので、

登山や測量などの携帯用としての利用が高い気圧計です。

測定可能な気圧範囲が狭く、極端に気圧が低かったり高圧状態での測定は出来ませんが、高気圧や低気圧、台風など気象条件で起こりうる大抵の気圧変化を知ることができます。

写真のアネロイド式気圧計（筆者Yumi宅にあるもの）では930-1070 hPaの範囲を見ることが出来ます。

アネロイド式気圧計の例
筆者撮影

電気式気圧計　※６

真空にした金属容器やシリコンチップなどを利用し、外部との気圧差を電気信号に変えて計測する方法です。

小型で軽量化できるのが特徴で、高級腕時計に内臓されたり、気象庁での気象観測などに使用されています。

「ピエゾ抵抗式気圧計」「静電容量型気圧計」「振動式気圧計」などいくつかの方式があります。

５：気圧計を作ってみよう

自宅にあるものを使って簡単な気圧計を作ってみましょう。

簡易気圧計にはいくつかの方法があり、ネット検索でも見つけることが出来ます。

ここではペットボトルとストローを用いた方法を紹介します。

【準備するもの】

・500ｍL ペットボトル
・ストロー（長く細いものが良い）
・色素（食紅、墨汁、絵の具など）
・接着剤や粘土など容器を密閉できるもの
・油性マジック
・定規
・水

【作り方】

① ストローに5㎜間隔で線を書きます。上から数えて「５」や「１０」など数字を書いておきます。

② ペットボトルに4分の1程度まで水を入れます。食紅や絵の具など色がつくものを用いて、水を着色して見やすい色にします。

筆者撮影

③ ペットボトルのキャップにストローがギリギリ通るくらいの穴をあけます。

④ ストローの目盛りの小さい方が上に来るように、ストローをキャップに通します。

⑤ 粘土、接着剤、テープなど使用してストローとキャップの隙間を埋めて、ペットボトル内を密閉します。

⑥ ストローからほんの少し（少しずつ！）息を吹き込んで、ペットボトル内の色水がペットボトルのキャップより少し上（ストローの長さの真ん中くらい）で止まるように調整します。

息を吹き込むとペットボトル内部の圧力が高くなり、外気と同じ圧力になるためにストロー内に水を押し上げます。ストローの真ん中あたりに色水の水位を調整することによって、気圧の変化が観察しやすくなります。

筆者撮影

⑦ 現在の気圧を調べ、現在の目盛りと実際の気圧を記録します。

現在の気圧は、市販の気圧計やスマホのアプリから知ることが出来ます。

気象庁のページからも10分単位で気圧を知ることが出来ます。

例えば、以下は気象庁で公開されている2024年1月1日の気象データ（気圧、降水量、気温、相対湿度、風向、風速）です。

https://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/view/10min_s1.php?prec_no=44&block_no=47662&year=2024&month=01&day=01&view=p1

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観測地点によって少々気圧差があるかと思いますが、お手持ちの気圧計あるいは地域の気象観測データを基準にして気圧の変化を知ることが目的なので、正確な気圧が測定できるわけではないことをご理解ください。

⑧ ⑦と同様に、何回か簡易気圧計の目盛りを観察し、実際の気圧と比べます。
（これにより、ひと目盛りが何hPaくらいかを知ることができます）

６：気圧計を使って気圧の変化をしらべてみよう

簡易気圧計を使って、気圧の変化を調べてみましょう。

勢力の強い高気圧や低気圧が通過する時は、気圧が大きく変化するので簡易気圧計の目盛りが大きく変化するので観測しやすいです。

例として、2022年9月18～20日にかけて日本列島を通過した台風14号に伴う気圧の変化を調べてみました。

台風14号は九州西部（鹿児島、熊本、福岡）を通過して山口県から日本海へ出て、陸地沿いを北東へ進み、青森県の津軽半島、下北半島を横断して太平洋に抜けました。

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この時、Yumiが簡易気圧計で測定した目盛りと実際の気象庁観測データは次のようになりました。

気圧、気温、湿度のデータは、スマホのアプリ「EXA Tools」を起動して、簡易気圧計のすぐ横に置いて読み取った値です。

ダウンロードできる気圧計アプリはいくつかあります。また、数値として気圧が読み取れる市販の気圧計を使用して参考にしてもよいかと思います。

表：筆者作成
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簡易気圧計は気温による影響を大きく受けるので、室内で観測する場合は、できるだけ室温を外の気温と同じにする必要があります。

このデータは標高約31mの自宅の2階で窓を開けた部屋で観測しました。

9月19日18：30ごろはあまりにも蒸し暑かったので、窓を閉めて冷房をつけていたために簡易気圧計の目盛りが実際の気圧と一致しませんでした。

筆者のいる地域に台風14号が最も接近したのは9月19日の21時頃で、簡易気圧計の目盛りも実際の気圧も最も低くなっていることがわかります。

夜の間に台風は急速に北上し、気圧は急速に1気圧付近まで回復しています。

台風接近前の9月19日0時の気圧（999.5 hPa）と、台風通過後の9月20日6：00の気圧（999.7 hPa）では、気圧はほぼ同じなのに、簡易気圧計の目盛りが大きく異なるのは、気温差が9℃もあるためです。

このように簡易気圧計は、大体の気圧の変化を知るのに役に立ちますが、あまり正確なデータではありません。

アネロイド式気圧計や気象庁のページなども参考にしながら観察してみてはいかがでしょうか。

☆もっと知りたい方のために☆

※１
岩槻秀明著「気象学のキホンが分かる本　第３版」（秀和システム、2017年）

※２
気圧の変化による沸点の変化は「クラウジウス・クラペイロンの式」から計算することが出来ます。

P：気圧
H：エンタルピー
T：温度（K＝ケルビン）
R：8.314 J/mol・K（気体定数）

非常に複雑な計算式なので、ネットワーク上の計算ツール（例：https://keisan.casio.jp/exec/user/1338473093）などを利用すると便利です。

※３
株式会社　日本環境衛生研究所「細菌とウイルスの違いについて」
https://kankyoueisei.com/%E7%B4%B0%E8%8F%8C%E3%81%A8%E3%82%A6%E3%82%A4%E3%83%AB%E3%82%B9%E3%81%AE%E9%81%95%E3%81%84%E3%81%AB%E3%81%A4%E3%81%84%E3%81%A6/

標高の高い地域で殺菌するには、圧力鍋を使って煮沸したり、アルコールや殺菌効果のある薬品を使用して殺菌するという方法が考えられます。

※４
「1㎡あたりの圧力は、＝面積×高さ×比重×地球の重力加速度」
で求めることが出来ます。

すなわち、
大気圧＝1㎡×0.76m ×13600 (13.6×10³) kg/㎥×9.8 m/s²
=101300 (1013×10^２) kg・m/S²
となります。

kg・m/S²はN（ニュートン）という圧力の単位なので
1013×10^２kg・m/S²＝1,013×10^２N

1㎡あたりの水銀柱（すなわち大気）の圧力は
1013×10^２N/㎡

N/㎡はPa（パスカル）という単位に置き換えることができるので、
1013 Pa
となります。

h（ヘクト）という接頭語は10²のことを表すので、1㎡あたりの水銀柱（すなわち大気）の圧力は
1013 hPa（ヘクトパスカル）となります。

このように「1気圧」が定義されています。

なお、1気圧のことを760 mmHg や760 Torr（トリチェリ）と書くこともあります。

参考サイト）
1気圧（物理のかぎしっぽ）
水銀（日本インスツルメンツ株式会社）
（上記すべて参照：2026-1-30）

※５
アネロイド式気圧計
真空となった平たい金属容器が大気圧に押されると、その歪がばねに伝わり指針が動くことにより大気圧が計測される仕組みです。
温度による計測差が大きいため正確な計測は期待できませんが、おおよその値を知るのには適しています。
安価で管理しやすいので、携帯用気圧計としての需要も高く、一般家庭でも広く使われています。

※６
ピエゾ抵抗式気圧計
「金属に機械的なひずみが加わった時、その電気抵抗が変化する」、これを「ピエゾ抵抗効果」または「圧電効果」と言います。
電源が必要ですが非常に小型化でき、観測値の精度も高いため、気象データの計測や機能性腕時計などにも採用されています。