雲は何でできているの? え!空気の中の水蒸気と関係があるの?

雲とは何でしょうか、雲は手で掴めませんがどのように考えたらいいのでしょうか。

雲は空気中の水蒸気がまとまった小さい水の粒の集まりです。

いくら小さな粒でも、空気よりは重たいので、通常は空に浮いていることはできません。しかし、上昇気流と呼ばれる空気の流れ(風が上に向かって吹く)がある場合は、小さな水の粒が落下することなく空気中に浮かぶことができます。つまり、上に向かって吹く風により浮いていることになります。当然、水滴が大きくなれば、上昇気流では浮かんでいられなくなり、雨となって地上に降ってきます。
飛行機雲は、上空の温度の低く湿度の高い空気中にジェット機などの温度の高いはい気ガスが放出されたときに、排気ガス中の水蒸気などが小さな水てきとなって雲ができる現象で、冬の寒い日に人間がはく息が白く見えるのと同じことです。
当然、上空の温度や湿度、ジェット機のはい気ガスの温度などにより、飛行機雲ができるときとできないときがあります。

雲は小さな水の粒がたくさん集まってできている

まず、最初に、雲は、小さな水の粒がたくさん集まってできているものであるということを、頭に入れておいてください。それでは、どうしてそのような小さな水の粒ができるのでしょう。
雲をつくっている水は、もともとは海や川、湖などにあった水です。この水は蒸発して空気の中に入りこみ、空の上に運ばれます。蒸発するというのは、水が形を変えて空気中に隠れてしまうことなのです。したがって、空気中には、このように海などから蒸発した水がたくさん隠れているのです。
ところが、この隠れている水は、空の高いところに運ばれて冷やされると、水の粒となってあらわれます。この水の粒がたくさん集まってできたものが雲というわけです。
また、雲をつくっているのは、この水の粒だけではありません。中には、氷の粒がまじることも多く、これは、気温や、雲ができる高さによっていろいろと変化するのです。
雲ができるところが高ければ高いほど、上空で冷やされる温度が低く、水が氷の粒になるというわけです。晴れた日に空の高いところにうっすらとできている雲は、ほとんどが細かい氷の粒でできています。また、これら、水や氷の粒は非常に小さく、 ほとんどが0.02mmほどの大きさしかないのです。

雲って、何でできていると思う?

遠くから雲を見ると、綿菓子のように見えるし、フワフワのふとんみたいで、寝転がったら気持ち良さそうだよね。でも、実際には手でさわったり、食べたり、雲の上に乗ったりはできないんだ。雲っていったい何でできているのか不思議だと思わない?
フワフワに見える雲のなぞを探ってみよう!

雲は、水や氷の粒でできているよ!

雲は、小さな水や氷の粒の集まりなんだ。大きさはだいたい1ミリの100分の1くらい。ひとつひとつは目に見えないくらい小さいけれど、たくさん集まると雲として見えるんだ。
氷水で冷やされたコップの周りの水蒸気が水の粒となり、グラスの表面にくっつくよね。これが雲になるしくみと同じなんだ。

雲ができるしくみ

海や地面の水が太陽の光で温められると、水が蒸発して水蒸気になり、空気中のちりとまざるよ。水蒸気は温かい空気の上昇気流で、塵と一緒に上空へ運ばれるんだ。
上空で空気が冷えるえるとちりに水蒸気がついて、水や氷の粒ができる。この小さな水や氷の粒がたくさん集まったものが雲なんだね。

雲の形、できる高さ、いろいろです

空に浮ぶ雲はどれも同じ形じゃないよ。雲の種類は形だけでなく、雲のできる高さで分けられているんだ。おおまかに分けると10種類の雲があるよ。さあ、どんな雲があるか見てみよう!

雲は、大気中にかたまって浮かぶ水滴または氷の粒(氷晶)のことを言う。地球に限らず、また高度に限らず、惑星表面の大気中に浮かぶ水滴や氷晶はと呼ばれる。雲を作る水滴や氷晶の1つ1つの粒を雲粒と言う。また地上が雲に覆われていると、となる。
また、雨や雪などの降水現象の発生源となる現象であり、雲の生成から降水までの物理学的な現象を研究する雲物理学というものもある。

物理化学的特徴

成分
地球上においては、雲の成分は水であり、その相は液体か固体である。
微量ながら水以外の成分、例えば土壌成分や火山噴出物、塵埃などからなる微粒子(エアロゾル)が混ざっているほか、空気の成分(窒素、酸素、二酸化炭素など)が溶解している。その成分も、雲が発生・成長する際に存在した場所に左右されるが、比率からしても水がほとんどを占める。
一方、極地や高緯度地方の高度20 – 30km(成層圏)では、水のほか硫酸塩や硝酸塩から成る真珠母雲(極成層圏雲)が発生する。他方、高緯度地方の高度約80km(中間圏)で見られる夜光雲(極中間圏雲)は主に水から成るという報告がある。

形状
1つ1つの雲粒(水滴や氷晶)の大きさは、半径にして0.001mm – 0.01mm(1μm – 10μm)程度のものが多くを占める。このオーダーでは落下速度は約1cm/秒だが、大気中ではこれを上回る上昇気流がありふれて存在するので落下することはほとんどなく、いわば「空に浮かんだ」状態となる。雲の中での雲粒の数(密度)は、1m3あたり1000万 – 数百億くらいである。
また、雨粒の成長の計算はメイスンの方程式(Mason equation)などにまとめられている。
氷晶は、六角柱、六角板、針状、樹枝状などの独特な結晶を形成する。氷晶がくっ付いて重なり成長したものが雪の粒子(雪片)である。

光学的特徴
たいていの場合、雲は白色や灰色に見えることが多い。白色に見えるのは雲粒が太陽光を散乱するからだが、雲粒の大きさの粒子は可視光線領域のいずれの波長の光(色)も同じように散乱するミー散乱が起こっているので無彩色の白色となる。そして、厚みのある雲は灰色、特に雲の底の部分は黒色に近い暗い色に見えるが、これは濃度の高い雲粒により雲内で何度も太陽光が散乱・吸収された結果、光が弱まるためである。

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日光が水滴で回折し、雲が虹色に輝いて見えることがあり、これを彩雲という。

電気的性質
上昇気流が強い場合は、上昇や落下を繰り返すうち、雨粒や雪の結晶同士が衝突してさらに大きな粒となって落下する。これが雨・ひょう・雪。また、上昇や落下を繰り返すと霰や雹などの大きな氷粒になり、氷粒同士の衝突で静電気が発生し、それが蓄積されて雷の原因になる。

雲の形成
空気中の水蒸気が凝結(凝縮)されて液体(水)になるか、凍結(凝固)または昇華されて固体(氷)になることで雲が作られる。

水蒸気量(湿度)の観点から

大気中に含まれる水蒸気の量は環境により異なるが、一定量の大気中に存在できる水蒸気の最大量を(湿度(相対湿度)100%のとき=飽和のときの水蒸気の量にあたるが)、飽和水蒸気量と呼び、物理的に定まっている。また、飽和水蒸気量は気温により変化し、冷たい大気ほどその量は少なくなる。例えば、20℃では17.2g/m3、0℃では4.85g/m3である。
水蒸気を含む湿った大気が冷やされると、湿度100%に達した(気温が露点温度に達した)ところで、その気温における飽和水蒸気量を超えた水蒸気が凝結し(低温下では昇華し)、雲粒が形成される(雲ができる)。
なお、水蒸気の凝結・昇華、また水滴の凍結には、微粒子(エアロゾル)の存在が不可欠である。雲粒(水滴や氷晶)は微粒子を「芯」にして形成され、このプロセスを核形成(雲核形成・氷晶核形成)という。
物理学の領域になるが、見かけ上凝結や蒸発が起こっていない気液平衡の状態にあっても、分子レベルでは、水分子が一時的に寄り集まって凝結したり、逆に離れて蒸発したりといった運動は起こっている。言い換えると、水滴が大きく成長できない状態である。水滴が自発的に成長できる大きさ(臨界半径)より大きくなるためには、不純物を含まない清浄な大気(純水)では気温0℃で相対湿度430%、-23℃で630%、17℃で350%とそれぞれ非常に大きな過飽和度が必要であることが、実験で確かめられている。実際の大気では200%を超える湿度が観測されることはないため、微粒子なしで水滴が形成(均質核形成)されるのは不可能と考えられる。
実際の大気には核となる微粒子が存在するので、相対湿度100%をわずかに超え、過飽和度1%(相対湿度101%)以下のレベルで雲粒が生成される。なお、微粒子によって水滴の核形成に作用し始める(活性化する)過飽和度や温度は異なり、作用が高い微粒子が存在する場合は、過飽和度0.1%でも雲粒が生成される。微粒子(エアロゾル)の種類は、海塩粒子、硫酸塩(硫酸アンモニウムなど)、土壌粒子や鉱物粒子(火山灰や黄砂を含む)、有機成分(バクテリアなど)を含むバイオエアロゾルなど。

熱力学の観点から

大気の冷却は、主に大気の上昇(上昇流)によって起こる。大気が何らかの力を受けて上昇するとき、その気圧は減少して膨張する(断熱膨張)とともに、外部からではなく自ら温度を下げる(断熱冷却)。
このように断熱的に気温が下がる割合を断熱減率というが、飽和の有無により値が異なる。飽和していない大気の乾燥断熱減率は上昇100mにつき約1℃、飽和している大気の湿潤断熱減率は上昇100mにつき約0.6℃(温帯の地表付近における値で、気温や気圧により異なる)である。この差は、飽和した湿潤大気中では、上昇とともに凝結が進んで潜熱が放出され温められることで生じる。
一方、特に霧(地表に達した層雲)のなかには違う原因で生じるものもある。夜間の放射冷却により平野や盆地で見られる放射霧は、地表付近の大気が冷やされて生じる。冷たい海に暖かく湿った気流が入ったとき見られる移流霧(混合霧、海霧)は、海面で冷やされた大気と暖かく湿った大気が混ざり合い、冷却・加湿され生じる。暖かい川に冷たい気流が入ったとき見られる蒸気霧(川霧)は、移流霧の逆で、水面から暖かく湿った大気が上昇し冷たい大気と混ざり合い、冷却され生じる。また逆転層に覆われた低い層雲の下では、冷たい下降流と雨粒の蒸発による冷却・加湿により、雲底が次第に低下、地表に近づいて霧になることがある。

大局的気象の観点から

大気中において、上昇流により断熱冷却を引き起こすメカニズムはいくつかあるが、主なものを挙げる。
対流性: 日差し(太陽放射)による加熱は、地形の起伏や雲による遮蔽の有無などによりムラがあり、周囲よりも暖かい地表に接する空気は浮力を得て、上昇する。特に、加熱に起因し山岳の尾根から湧き上がるような上昇流を熱上昇気流(サーマル)と呼ぶ。
収束性: 低気圧の中心や収束線(シアーライン)でみられる。地表に接する大気の下層では、集まった大気がぶつかり、行き場を失って上空へ向かう。
地形性
o 滑昇風: 風の穏やかな朝、谷間に安定成層が発達しているとき、斜面に接する大気は朝日に温められるが鉛直には上昇できず、尾根に向かって斜面に沿いゆるやかに上昇する。
o 山岳波: 山などの起伏のある地形に沿って強い水平風(山越え気流)が吹くと、強制的に大気が持ち上げられる。尾根を越えると冷やされているため下降するが、再び温められ上昇、その後も上下に振動を繰り返すことでパターンが風下の上空、山から離れたところに伝播する。山に掛かるレンズ雲、笠雲、吊るし雲や、上空に見える波状雲、放射状雲をつくる。

前線性: 暖気と寒気がぶつかる前線では、暖気が寒気の上に乗り上げ、前線面に沿って上昇する。
o 温暖前線の上昇流は比較的弱い。典型的には前線面に沿い、地上の前線に近い順に層雲、乱層雲、高層雲、高積雲、巻層雲、巻積雲、巻雲がみられる。
o 寒冷前線の上昇流は比較的強い。典型的には地上の前線の真上に積乱雲、その後面に層積雲や積雲、前面に積雲や層積雲、高積雲がみられる。
o 発達した積乱雲のそばでは、下降流が地表にぶつかって水平に流れ局地前線(ガストフロント)が形成され、これに沿ってアーチ雲がみられることがある。

雲っておもしろいですね。雲は水分の影響を大きく受けます。自然現象は不思議なことばかりです。

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