結論からいうと、雨粒は雲の中にある非常に小さな水滴や氷の粒が、衝突・合体したり、水蒸気を取り込んで成長したりして大きくなり、上昇気流で支えきれなくなると地上へ落ちてくることで成り立ちます。雲の温度によって主な成長の仕組みは異なり、暖かい雲では水滴どうしの衝突・併合、冷たい雲では氷晶の成長が重要になります。
つまり、雨粒は最初から大きな水滴として雲の中にあるわけではありません。目に見えない水蒸気がまず小さな雲粒になり、それが何段階もの成長を経て、はじめて地上まで届く雨粒になります。
雨粒ができる前に、まず雲粒ができる
雨粒の仕組みを理解するには、最初に雲がどうできるかを知る必要があります。地表付近の水は、海や川、湖、土壌などから蒸発して水蒸気となり、大気中に入ります。
その空気が上昇すると、周囲の気圧が低くなるため膨張して冷えます。十分に冷えると、水蒸気が空気中の微小な粒子などを核にして凝結し、小さな水滴や氷晶になります。こうした小さな粒が大量に集まったものが雲です。
気象庁は、雲の中の水や氷の粒が小さいうちは、上昇気流の中に浮かんでいて簡単には地上へ落ちてこないと説明しています。雨になるためには、これらの粒がさらに大きく成長する必要があります。
雨粒が成長する仕組みは大きく2つある
雲の中で小さな粒が雨粒へ成長する代表的な仕組みには、主に次の2つがあります。
- 水滴どうしが衝突して合体する「衝突・併合」
- 氷晶が水蒸気を取り込みながら成長する「氷晶過程」
NOAAは、雲から降水が生まれる主な過程として、暖かい雲で起こるcollision and coalescenceと、氷晶が存在する冷たい雲で起こるice crystal processを説明しています。
実際の雲では、この2つが完全に分かれているとは限りません。雲の高度や温度によって水滴と氷晶が同時に存在し、それぞれの成長過程が組み合わさることもあります。
暖かい雲では水滴どうしがぶつかって大きくなる
雲の中が主に液体の水滴でできている場合、小さな水滴が集まって雨粒へ成長します。これが衝突・併合の仕組みです。
雲粒はすべて同じ大きさではありません。比較的大きな水滴は小さな水滴より速く落下しやすいため、落ちながら途中にある小さな水滴へ追いつき、衝突します。そして衝突した水滴どうしがくっつくと、さらに大きな水滴になります。
大きくなった水滴は落下速度も増し、より多くの雲粒と衝突する機会が増えます。このように成長が繰り返され、やがて上昇気流で支えきれないほどの大きさ・重さになると、雨粒として雲から落下します。
気象庁の解説でも、雲の中で小さな水の粒どうしが上昇流などによってぶつかり、くっつきながら少しずつ大きくなり、空中にとどまれなくなると雨として落下すると説明されています。
冷たい雲では氷の粒が雨のもとになる
日本の雨では、雲の上部が氷点下になっていることも多く、雲の中に氷晶と過冷却の水滴が同時に存在することがあります。このような冷たい雲では、氷晶の成長が重要になります。
氷晶は周囲の水蒸気を取り込みながら成長し、さらにほかの氷晶や過冷却水滴と結びついて大きくなることがあります。十分に成長した氷の粒は重くなって落下し始めます。
その氷粒が地上へ向かう途中で気温0℃より高い空気の層を通ると、溶けて液体の水滴になります。こうして、雲の中では氷だった粒が、地上では雨として降ることがあります。
気象庁も、雪の結晶が地上へ落ちる途中で溶けて水滴になったものは雨になると説明しています。雨粒のすべてが最初から液体だったわけではない点が重要です。
なぜ小さな雲粒はすぐ雨にならないのか
雲を構成する水滴は非常に小さく、そのままでは落下速度が遅いため、上昇気流や空気の動きによって雲の中に浮かんでいられます。そのため、雲ができただけでは必ず雨になるわけではありません。
雨になるには、小さな水滴や氷晶が何度も衝突したり、水蒸気を取り込んだりして、地上へ落ちるのに十分な大きさまで成長する必要があります。
この違いを考えると、「雲があるのに雨が降らない」理由も理解できます。雲粒がまだ十分に成長していなければ、空に浮かんだままで降水にはなりません。
上昇気流は雨粒づくりにどんな役割を持つのか
上昇気流は、雲を作るだけでなく、雨粒の成長にも大きく関係します。湿った空気を上空へ運ぶことで新しい雲粒を作り、雲の中に水分を供給します。
また、上昇気流があると小さな水滴や氷粒が雲の中に長くとどまりやすくなり、その間にほかの粒と衝突・合体して成長する機会が増えます。
一方、粒が十分に大きく重くなると、落下する力が上昇気流による支えを上回り、地上へ向かって落ち始めます。発達した積乱雲では上昇気流が非常に強いため、粒が雲の中で長時間成長し、大きな雨粒やあられなどへ発達することもあります。
雨粒は落ちながらも変化する
雨粒は雲から出た瞬間に完成し、そのまま同じ姿で地上まで落ちるとは限りません。落下中にも周囲の空気やほかの粒の影響を受けます。
たとえば雲の下に乾いた空気があると、雨粒の一部が蒸発して小さくなります。乾燥した層が厚ければ、雨粒が地面へ届く前にすべて蒸発してしまう場合もあります。
反対に、雲の中を落下中にほかの小さな水滴と衝突すれば、さらに大きくなることがあります。気象庁も、落下中の水滴が雲の中の小さな水滴と衝突して大きくなることを説明しています。
そのため、私たちが地上で見る雨粒は、雲の内部だけでなく、雲から地面までの経路でも変化した結果です。
雨粒の大きさはなぜ全部同じではないのか
雨粒の大きさがばらばらなのは、成長した時間や衝突した回数、雲の中の上昇気流、水蒸気量などが粒ごとに異なるからです。
早い段階で大きくなった粒はほかの粒と多く衝突してさらに成長することがありますが、小さいまま雲から出る粒もあります。また、落下中に蒸発したり、大きな粒が空気抵抗で変形・分裂したりするため、地上に届くときの大きさには幅があります。
したがって、「強い雨は大きな雨粒だけでできている」というわけではありません。雨の強さには、雨粒の大きさだけでなく、単位時間に落ちてくる粒の数も関係します。
雨粒は涙の形をしているのか
イラストでは雨粒が涙のような先のとがった形で描かれることがありますが、実際の小さな雨粒は表面張力によってほぼ球形です。
粒が大きくなると、落下中に受ける空気抵抗によって下面が押され、やや扁平な形になります。さらに大きくなると形が不安定になり、分裂することがあります。
つまり、雨粒の形も「液体の水の表面張力」と「落下中の空気抵抗」のバランスによって決まります。雨粒の仕組みは、でき方だけでなく落下中の物理にも支えられています。
なぜ雲によって雨粒のでき方が違うのか
雲の温度や厚さ、上昇気流の強さ、水蒸気量は雲ごとに異なります。そのため、雨粒が成長する仕組みの比重も変わります。
暖かい地域の雲では、雲の大部分が0℃より高く、水滴どうしの衝突・併合が主役になることがあります。一方、中緯度の深い雲では上部が氷点下になり、氷晶が成長して落下途中で溶ける過程が重要になることがあります。
さらに積乱雲では強い上昇気流によって粒が雲内を上下しながら成長しやすく、層状の雲では比較的ゆっくりした成長が続く場合があります。雨の粒の成り立ちは、雲の種類や内部構造と密接に関係しています。
雨粒が地上に届くまでの流れ
- 海や地面などから水が蒸発し、水蒸気になる
- 湿った空気が上昇して冷える
- 水蒸気が凝結・昇華して、雲粒や氷晶ができる
- 水滴どうしの衝突・併合や、氷晶の成長によって粒が大きくなる
- 粒が上昇気流で支えきれないほど重くなる
- 雲から落下し、必要に応じて氷粒が途中で溶ける
- 蒸発や衝突などの変化を受けながら地上へ届き、雨となる
この一連の流れを見ると、雨粒は単純に「水蒸気がそのまま水滴になって落ちる」のではなく、雲の内部で何段階もの成長過程を経て作られていることがわかります。
雨粒の仕組みを理解するポイント
- 雨粒は最初から大きな水滴として存在するわけではない
- 水蒸気が冷えて雲粒や氷晶になることが出発点である
- 暖かい雲では水滴どうしの衝突・併合が重要である
- 冷たい雲では氷晶の成長が重要で、落下中に溶けると雨になる
- 上昇気流は水分を運び、粒の成長時間を長くする役割を持つ
- 雨粒は落下中にも蒸発・衝突・変形などで変化する
- 地上で見る雨は、雲の温度や水蒸気量、気流など多くの条件の結果である
つまり、雨粒の仕組みの中心は、雲の中の小さな水滴や氷の粒が成長して、空中に浮かんでいられなくなるまで大きくなることです。雨粒の一つ一つは、水蒸気の凝結、粒どうしの衝突、氷晶の成長、落下中の融解や蒸発といった複数の物理過程を経て地上へ届いています。
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