大気中の酸素濃度が低くなる理由

もし早朝に起きて車に乗り、山でスキーを楽しんだことがあるなら、ずっと息が上がっていたことでしょう。雪坡を滑り降りる興奮もあるでしょうが、ロッジでホットココアを買うために階段を上がるだけでも息切れしていたはずです。

よく聞く説明は「高所では空気が薄い」ですが、これは概ね正しいものの、実際にはどういうことかもう少し詳しく見てみましょう。

重力

地球上のすべてのものは、地球の質量による重力の引力で下向きに引かれています。物体の大きさに関係なく、同じ加速度で落下します。ボウリングの球、テニスボール、ピンポン球はもちろん、ブルーベリーや爪のかす、まつげさえも重力で引かれます。空気の分子も同様に地表へ引かれていますが、ほとんどの分子はそのまま地面に落ちません。別の力が重力に対抗しているからです。

静水圧平衡

空気分子が地面に落ちない唯一の理由は、重力に逆らう力、すなわち大気圧が働いているからです。空気の柱をばねに例えると、横に置いたときは一定の長さですが、縦に立てると重力で縮む。しかし、ばねが完全に潰れることはなく、ばね自身が反発して元の長さを保とうとします。大気圧はこの「反発」する力で、重力が空気を押し下げようとするのを支え、地表に薄い層として押しつぶされるのを防いでいます。

気圧と高度

ある地点で重力に対抗するために必要な圧力は、その上にある空気の量に依存します。海面では大気全体が重力に引かれているため、圧力は約1平方インチあたり15ポンド（約101 kPa）です。標高5,000フィート（約1,500メートル）では上にある空気が減少し、圧力は約12ポンド（約83 kPa）になります。したがって「高所では空気が薄い」と言うのは、圧力が低くなり、空気分子が広がり、同じ体積の空気中に含まれる分子数が減少することを意味します。

酸素

酸素は人間の生命を支える重要な成分で、大気の約21％を占めます。この割合は地表付近の数マイルの範囲ではほぼ一定で、数十キロメートル以上の高度になるまで大きく変化しません。したがって高所でも酸素は全体の21％ですが、全体の分子数が減るため、実際に吸い込む酸素分子の数は減ります。例えば標高5,000フィートでは大気圧が海面の約80％になるので、利用可能な酸素も約80％に減少します。