■anond:20180702232651

その疑問の答えは、季節によって空気の密度や酸素の量が変化することはない、ということだ。その根拠を挙げてみる。

1. あなたの指摘のとおり、理想気体の状態方程式に従って、温度により空気の密度が変化する。冬は密度が高く、夏は密度が低い。状態方程式PV=nRTに代入して計算すると、真冬のセ氏－30度の日と真夏の30度の日の空気の密度は1.25倍ほど異なる。光合成で要求される二酸化炭素の濃度（分圧という）も冬は2割増ということになる。しかしこの値は計算上の空気の特性に過ぎない。
2. ついでに空気の密度は標高により変化する。高いところは空気が薄い。標高2500メートルの地点の気圧がほぼ地上の75％になるから、空気の密度が夏と冬で標高2500メートル分違うということになる。
3. ところが天気予報を思い出してみると、冬と夏で気圧は25％も違わない。だいたい1013ヘクトパスカルで安定していて、±3％くらいしか変化しない。理由は知らないが、北半球が冬のときは南半球は夏だから、風が吹いて地球全体で均一になってしまうと考えてみた。あるいは、現実には大気中の水蒸気分圧が大きく変化する。それで調節されて均一になるのかもしれない。あるいは大気には天井がないからだろうか。完全に想像です。余談ながらこのあたり、理論値計算が通用しないのが楽しいところ。理論値は風船の中の空気の動態を記述しているに過ぎないのだ。
4. ところで温度が変化すると化学反応速度が変化する。室温付近では一般に10度違えばあらゆる化学反応速度は2倍違う。光合成は複数の化学反応を経由するということと、酵素的化学反応であることを考慮すると、そんなに簡単に計算できなそうであるが、原則的には夏の方が楽勝で光合成できるということになる。
5. 季節で言うと日射量も冬と夏では差がある。日射量は太陽の南中高度のコサインで与えられる。夏は冬の1.3倍くらい光が強いのだったと思う。光合成では光量と反応効率がエクスポネンシャルな関係にあると仮定すると、光の強さが1.3倍違うと反応効率が1.7倍になる。
6. ときに光合成はヒトの好気呼吸の逆反応であるが、大気中の気体を取り入れて体内で化学反応をおこなうという点で完全に一致している。このことを基に植物の感覚を語ることが許されるならば、光合成しやすい日というのは、あなたが呼吸しやすい日なのかもしれない。あるいはその反対だろうか。いずれにしても、空気の密度が理由で呼吸や光合成しやすさに差はないという結論である。もっとも、おれの故郷では真冬には鼻毛が凍りついて呼吸しづらいのだが。

疑問に対するお答えになっていますでしょうか。

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