結論からいうと、雲と氷晶が関係しているのは、気温の低い雲では、雲を構成する粒の一部または多くが氷晶になり、その氷晶が成長することで雪や雨などの降水につながるからです。雲は水滴だけでできているわけではなく、低温の上空では氷の結晶が重要な役割を持ちます。
つまり、氷晶は「雲の中にたまたま混じっている氷」ではありません。冷たい雲を形作る材料であり、降水粒子を成長させる中心的な存在の一つです。
氷晶とは何か
氷晶とは、大気中でできた非常に小さな氷の結晶です。
気象庁は、雪について、ちりやほこりなどを核として大気中の水蒸気が凍り、氷の結晶となって成長すると説明しています。この小さな氷の結晶がさらに成長して雪の結晶になります。
雲の中では、気温が低くなるほど氷晶が存在しやすくなります。特に上層の雲では、液体の水滴より氷晶が主要な粒子になることがあります。
雲は水滴だけでできているわけではない
雲の正体は、小さな水滴や氷晶の集まりです。
低い雲や比較的暖かい雲では液体の水滴が多く、高い雲や非常に冷たい雲では氷晶が多くなります。
気象庁の気象衛星センターでも、雲粒の相が水滴か氷晶かによって観測される放射特性が異なることを利用し、水雲と氷晶雲を判別しています。
つまり、「雲」という一つの見た目の中でも、実際には水滴が中心の雲と氷晶が中心の雲があるのです。
なぜ低温になると氷晶ができるのか
水は0℃以下になると凍りやすくなりますが、雲の中では事情が少し複雑です。
雲の小さな水滴は、0℃未満でもすぐには凍らず、液体のまま存在することがあります。これを過冷却水滴といいます。
一方、氷になりやすい微粒子がある場合や、さらに低温になる場合には、氷晶が形成されやすくなります。
そのため、冷たい雲の中には氷晶と過冷却水滴が同時に存在することがあります。この混合状態が、雪や雨の成長に重要です。
氷晶はどのように大きくなるのか
氷晶ができた後は、その表面に水蒸気が直接ついて成長します。
気象庁は、雪の結晶について、できた氷の結晶にさらに水蒸気が凍って付着し、成長すると説明しています。
冷たい雲の中では、水蒸気が液体の水滴より氷晶へ移りやすい条件になることがあり、氷晶が成長しやすくなります。
NOAAも、氷晶と水滴が共存する冷たい雲では、水蒸気が氷晶へ付着して氷晶が成長し、その粒が十分に重くなると降水として落下すると説明しています。
氷晶が成長すると雪になる
小さな氷晶が大きくなり、空中に浮かんでいられないほど重くなると落下を始めます。
氷晶どうしが集まったり、水蒸気がさらに付着したりすると、私たちが見る雪の結晶へ成長します。
地上付近まで気温が低ければ、そのまま雪として降ります。
つまり、雪は雲の中の氷晶が十分に成長した結果です。
氷晶から雨になることもある
雨は、必ず液体の水滴だけからできるわけではありません。
雲の中で氷晶や雪の結晶として成長した粒が、落下途中で0℃より暖かい空気の層を通ると融けます。
気象庁は、雪の結晶が地上へ落ちる途中で融けて水滴になったものが雨になると説明しています。
このため、地上では普通の雨が降っていても、その雨粒が上空では一度「氷」として成長していた場合があります。
氷晶と水滴が一緒にあると降水が育ちやすい
冷たい雲の中では、氷晶と過冷却水滴が共存することがあります。
この状態では、水蒸気が氷晶側へ移りやすくなり、氷晶が成長します。成長した氷晶は周囲の過冷却水滴を付着させたり、他の氷晶と集まったりしてさらに大きくなります。
NOAAは、このような氷晶過程を、冷たい雲で降水粒子が大きくなる主要な仕組みの一つとして説明しています。
つまり、氷晶は単なる雲の構成粒子ではなく、降水を大きく育てる核のような役割も持っています。
積乱雲の中でも氷晶は重要
積乱雲は非常に高くまで発達するため、上部は強い低温になります。
そのため、積乱雲の上部には氷晶やあられが多く存在します。
気象庁は、発達した積乱雲の中で、細かな氷晶とあられが衝突する際に電荷が生じ、雲の中でプラスとマイナスの電荷が分離するという説が有力だと説明しています。
この電荷の分離が大きくなると雷につながります。
つまり、氷晶は雪や雨だけでなく、雷が発生する雲内過程にも関係しています。
上層雲が氷晶でできている理由
上空ほど一般に気温が低いため、高い位置にできる雲は氷晶を含みやすくなります。
NOAAは、高層の巻雲・巻積雲・巻層雲などを高い高度に現れる雲として整理しており、特に巻雲は氷晶からできていると説明しています。
気象庁でも、上層雲中の氷晶が太陽光や月光を屈折させることで暈ができると説明しています。
このため、空に薄い巻層雲が広がったときに太陽や月の周りに光の輪が見えることがあります。
氷晶は雲の見え方にも影響する
水滴と氷晶では、形や大きさ、光の反射・屈折のしかたが異なります。
水滴はほぼ球形ですが、氷晶は柱状、板状などさまざまな形になります。
そのため、氷晶を多く含む上層雲では、暈や幻日など、水滴主体の雲では起こりにくい光学現象が見られることがあります。
雲の中の粒子が水か氷かという違いは、雲の見た目や光の現象にも表れているのです。
気象衛星は水滴雲と氷晶雲を見分けている
私たちが地上から見ると、白い雲の中身が水滴なのか氷晶なのかを直接見分けるのは難しいことがあります。
しかし、気象衛星では水滴と氷晶で赤外線や近赤外線の反射・放射特性が異なることを利用し、雲粒の相を判別できます。
気象庁の「Day microphysics RGB」などでは、氷晶雲と水雲を識別するために複数の観測バンドを組み合わせています。
このような観測は、積乱雲の発達や雲頂の状態を把握するためにも利用されます。
氷晶がある雲でも必ず雪が降るわけではない
雲に氷晶が含まれていても、必ず地上で雪になるわけではありません。
氷晶がまだ小さければ空中に浮かび続けます。また、落下しても途中で蒸発したり、暖かい空気の層で融けて雨になったりします。
つまり、地上の天気を決めるには、雲の中に氷晶があるかどうかだけでなく、氷晶がどこまで成長したか、地上までの気温がどう分布しているかを見る必要があります。
氷晶はどんな雲にも同じ量あるのか
氷晶の量は雲の種類や高度、温度によって異なります。
暖かい下層雲では液体の水滴が中心になりやすく、非常に冷たい上層雲では氷晶が多くなります。
また、同じ雲の中でも下部には水滴が多く、上部には氷晶が多いなど、高さによって状態が変わることがあります。
そのため、雲は一枚の均一な水や氷の層ではなく、温度と高度に応じて粒子の状態が変化する立体的な構造です。
氷晶と雲の関係は水循環にもつながる
海や地表から蒸発した水は水蒸気として大気へ入り、上空で冷やされると水滴や氷晶になります。
氷晶が成長して雪や雨として地上へ戻れば、その水は川や地下水などを通って再び海へ戻ります。
つまり、氷晶は大気中の水が気体から固体へ変化し、再び地上へ戻る水循環の重要な途中段階です。
雲と氷晶の関係を理解するポイント
- 雲は水滴だけでなく氷晶からもできている
- 低温の雲ほど氷晶が存在しやすい
- 0℃未満でも液体の過冷却水滴が存在することがある
- 氷晶は水蒸気が付着することで成長する
- 成長した氷晶は雪として落下する
- 途中で融ければ、氷晶を起源とする雨になる
- 氷晶と過冷却水滴が共存すると、降水粒子が成長しやすい
- 積乱雲では氷晶とあられの衝突が雷の電荷分離にも関係する
- 上層雲の氷晶は暈や幻日などの光学現象にも関係する
- 気象衛星では水雲と氷晶雲の違いを利用して雲を観測している
つまり、雲と氷晶が関係している最大の理由は、冷たい雲では氷晶そのものが雲を構成し、その氷晶が成長することで雪や雨などの降水へつながるからです。雲を見るときに「白い水滴の集まり」とだけ考えるのではなく、上空の温度によって水滴と氷晶が入り交じり、互いに変化しながら降水を作っていると考えると、雲と雨・雪の仕組みが理解しやすくなります。
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