結論からいうと、雲と水滴が関係しているのは、雲の正体の多くが、空気中の水蒸気が冷えて凝結してできた非常に小さな水滴だからです。気温が低い高い雲では氷晶も含まれますが、中・下層の多くの雲は小さな液体の水滴でできています。
つまり、雲は「水蒸気そのものが白く見えている」のではありません。目に見えない水蒸気が冷やされ、空気中の小さな粒を核として液体の水滴や氷晶になり、それらが大量に集まることで白い雲として見えるようになります。
雲の正体は小さな水滴や氷晶
気象庁は、雲を気体の水蒸気をもとにしてできた小さな液体の水や固体の氷からできているものと説明しています。特に中・下層の雲には水滴が多く含まれ、上空の低温な雲では氷晶が多くなります。
私たちの目には雲が一つの白いかたまりのように見えますが、実際には非常に小さな水滴や氷晶が空気中に無数に浮かんでいます。
このため、雲と水滴は「雲の中に水滴が少し含まれている」という関係ではなく、水滴そのものが雲を形作る主要な材料という関係です。
水蒸気がそのまま雲に見えるわけではない
水蒸気は気体なので、通常は目に見えません。晴れた空気の中にも水蒸気は存在していますが、それだけでは白い雲には見えません。
空気が冷え、含みきれる水蒸気量が少なくなると、水蒸気の一部が液体の水へ変わります。これが凝結です。
NOAAは、空気が上昇すると気圧が低くなるため膨張して冷え、露点に達すると水蒸気が凝結して雲粒を作ると説明しています。
つまり、雲ができる重要な変化は、見えない水蒸気が、見える小さな水滴へ変わることです。
なぜ空気が上昇すると雲ができやすいのか
地表付近の空気が暖められたり、山や前線に押し上げられたりすると、空気は上空へ移動します。
上空ほど気圧が低いため、上昇した空気は膨張します。膨張すると空気の温度が下がり、やがて水蒸気が飽和に近づきます。
その状態でさらに冷えると、水蒸気が凝結して小さな水滴が生まれます。大量の水滴ができれば、雲として見えるようになります。
前線の近くに雲ができやすいのも、暖かい空気が冷たい空気の上へ持ち上げられ、冷却されるためです。
水滴ができるには「核」が必要
水蒸気は、何もない空間で簡単に大きな水滴になるわけではありません。
NOAAは、雲の形成には水と「雲凝結核」が必要だと説明しています。雲凝結核とは、大気中にある海塩粒子、ほこり、煙などの非常に小さな粒子です。
水蒸気はこれらの粒子の表面に凝結し、小さな雲粒を作ります。
つまり、雲の水滴は水だけでできているように見えても、その中心にはごく小さな粒子があることが多いのです。
小さな水滴が落ちずに空に浮かんでいられるのはなぜ？
水は空気より重いため、「水滴でできているなら、なぜ雲はすぐ落ちてこないのか」と疑問に思うかもしれません。
気象庁は、雲の小さな水滴は上昇気流によって空気中に浮かぶことができると説明しています。
雲粒は非常に小さいため、落下速度も小さく、弱い上昇気流でも支えられます。また、雲の中では水滴が常にできたり蒸発したりしており、雲全体が静止した水のかたまりとして浮いているわけではありません。
雲は、小さな水滴の生成・蒸発と空気の流れが釣り合っている動的な状態なのです。
雲の水滴はどのくらい小さいのか
雲を作る水滴は、地上に降る雨粒よりずっと小さい粒です。
NOAAは、雲凝結核が一般的な雲粒よりかなり小さく、その周囲に水蒸気が凝結して雲粒が形成されると説明しています。
雲粒が非常に小さいため、空中に長くとどまりやすくなります。反対に、雲の中で粒が成長すると落下しやすくなります。
この「小さな雲粒が成長して大きな降水粒子になる」という変化が、雲と雨をつないでいます。
水滴が大きくなると雨になる
気象庁は、雲の水滴が大きくなると上昇気流では浮かんでいられなくなり、雨として地上へ降ってくると説明しています。
NOAAも、雲の中で水滴が成長し、空中にとどまれないほど重くなると雨になると説明しています。
ただし、雲の水滴が一つずつ単純に大きくなるだけではありません。雲の中では、水滴どうしが衝突・併合したり、氷晶が成長したりすることで降水粒子が発達します。
このため、雲は水滴の集まりであり、雨はその水滴や氷晶がさらに成長した結果と考えると関係がわかりやすくなります。
雲があっても必ず雨が降るわけではない
雲が水滴でできているなら、雲があるだけですぐ雨になりそうに見えます。しかし、実際には晴れ間のある日に小さな雲が浮かんでいても雨は降りません。
理由は、雲粒がまだ小さく、空中に浮かんでいられるためです。
また、雲の中で水滴が十分に成長しなかったり、落下途中で蒸発したりすれば、地上まで雨が届かないこともあります。
そのため、「雲がある＝雨」という単純な関係ではありません。雲の厚さ、雲粒の成長、上昇気流、湿度などによって雨になるかどうかが決まります。
水滴と氷晶は雲の高さによって変わる
雲はすべて液体の水滴だけでできているわけではありません。
気象庁の気象衛星センターでは、中・下層の雲には水滴からなる雲が多く、高い上層雲では氷晶を含む雲が観測されることが示されています。
気温が十分に低い上空では、水は氷晶として存在しやすくなります。また、0℃未満でも液体のまま存在する過冷却水滴が含まれる場合もあります。
つまり、「雲と水滴は関係している」という説明は正しいものの、より正確には雲は水滴や氷晶からできていると理解する必要があります。
雲が白く見えるのも水滴が関係している
雲が白く見える理由にも、水滴が関係しています。
気象庁は、雲粒の大きさが可視光の波長と同程度で、特定の色だけではなくさまざまな波長の光を散乱するため、雲が白く見えると説明しています。
雲が厚い場合は、太陽光が雲の底まで届きにくくなり、下から見ると灰色や黒っぽく見えることがあります。
つまり、雲の見た目も、雲を構成する大量の小さな水滴や氷晶が光を散乱することによって生まれています。
霧と雲が似ているのも水滴が同じだから
霧と雲は、見た目も性質もよく似ています。
NOAAは、霧と雲はいずれも水蒸気が凝結または凍結して、小さな水滴や氷晶になったものだと説明しています。大きな違いは、霧が地表付近にできるのに対し、雲はさまざまな高度にできることです。
そのため、山の上で雲の中に入ると、周囲が霧のように白く見えます。
これは、どちらも小さな水滴や氷晶が空気中に浮かんでいる現象だからです。
雲が消えるときは水滴がどうなるのか
雲は一度できたらずっと残るわけではありません。
NOAAは、雲の中では凝結と蒸発が絶えず起きており、凝結が蒸発を上回ると雲が成長し、蒸発が凝結を上回ると雲が消えていくと説明しています。
空気が下降して暖まったり、乾いた空気が混ざったりすると、水滴が蒸発して水蒸気へ戻ります。
つまり、雲は水滴が固定的に集まったものではなく、水蒸気と水滴の間を水が行き来している状態です。
雲と水滴の関係は水循環の一部
海、川、湖、土壌などの水は蒸発して水蒸気になり、大気へ入ります。
その水蒸気が上空で冷えると水滴や氷晶になって雲を作ります。さらに粒が成長すれば雨や雪として地上へ戻ります。
地上へ戻った水は川や地下水を通って再び海へ向かい、また蒸発します。
雲と水滴の関係は、この水循環の中で「大気中の水蒸気が液体や固体に変わる段階」を表しているのです。
雲と水滴の関係を理解するポイント
- 雲の主な材料は、非常に小さな水滴や氷晶である
- 水蒸気そのものは通常見えず、凝結して水滴になると雲として見える
- 空気が上昇して冷えると、露点に達して水滴ができやすくなる
- 水滴は雲凝結核と呼ばれる微粒子の周囲にできる
- 雲粒は非常に小さいため、上昇気流の中で空中に浮かびやすい
- 水滴が成長して空中にとどまれなくなると雨として落下する
- 雲があっても、水滴が十分に成長しなければ雨は降らない
- 高い雲では水滴だけでなく氷晶も重要になる
- 雲の成長と消散は、凝結と蒸発のバランスで変化する
つまり、雲と水滴が関係している最大の理由は、雲そのものが、水蒸気から変化した小さな水滴や氷晶の集まりだからです。水蒸気が冷えて凝結し、雲粒になり、それが成長すれば雨になります。雲を見ることは、大気中の水が気体から液体・固体へ変化し、やがて地上へ戻っていく水循環の途中を見ることでもあります。
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