雲と降水

地球大気には水蒸気が含まれていて、これが液体・固体に相変化する。 さらにそれが降水として落ちる。 水蒸気は海・陸の表面(地表面)からの蒸発によって補われ、水の循環が成り立っている。

【雲・降水の過程は気象学にとっては重要な主題なのだが、 わたしの授業では説明にあまり時間をかけられない。 教科書・参考書[2015年の授業で紹介した本]としてあげた 岩田ほか(2007)の第4章(この部分の著者は大滝英治氏)あるいは 小倉(1999)の第4章、浅井ほか(2000)の第4章を読み、 さらに勉強したい人はたとえば水野(2000)の本などを読むことをおすすめしたい。】

温度で決まる飽和水蒸気圧よりも多い水蒸気がある場合は、 ほぼ、その余った部分が凝結して液体の水または固体の氷の粒子となる。 (厳密には、飽和を越えても凝結しない「過飽和」という状態があるが、 これは大気中の不純物濃度を非常に小さくした場合に限って重要になる。)

水や氷の粒子の密度は空気の密度よりも大きいので、 粒子に働く重力とそのまわりの気圧傾度力の鉛直成分との差(「正味の重力」と呼ぶことにする)は 下向きになる。 しかし、空気の粘性(摩擦のようなもの)による抵抗力がこれをいくらか打ち消すことができる。 粘性抵抗力は基本的に粒子の表面積に比例する。 質量と表面積の比率の違いにより、正味の重力に対する抵抗力の割合は小さい粒子ほど大きい。 大まかに言って、小さい粒子は空気とともにあり、大きい粒子は空気に対して落ちる。 そこで、直径およそ100μm (0.1 mm)で分けて、 小さい粒子を雲粒、大きい粒子を雨粒(雨滴)・雪片(雪結晶)という。

雲粒の成長には次のようなプロセスが働く。

1. 雲粒にまわりの水蒸気が凝結すること。
2. 雲粒どうしが併合すること。 大きな粒子が落下する際にその下にある小さな粒子をとりこむことを含む。
3. 氷の結晶を経由するプロセス。 同じ温度での水に対する飽和水蒸気圧(気相と液相の平衡)は 氷に対する飽和水蒸気圧(気相と固相の平衡)よりも大きい。 したがって、水と氷の雲粒が共存するとき、水が蒸発し、氷の結晶が成長する。

このうち1のプロセスは遅いので、降水粒子の形成は2または3によっている。 熱帯で背の低い雲から雨が降る場合は、2のプロセスによっている。 しかし熱帯でも背の高い雲の場合は、対流圏上層は氷が存在できる温度にあるので、 3のプロセスでいったん雪が形成されてそれが融解して雨として降ってくることが多い。

大気中で雲は上昇流(上向きの大気の運動)があるところに形成される。 その理由は次の2つがある。

1. 空気の部分(「塊」)がほぼ断熱的に持ち上げられると温度が下がる。 これによって水蒸気で飽和していなかった空気塊が飽和に達することがある。
2. 雲粒は厳密に言えば空気に対して落下しているが、 多少の上昇流があれば地表面に対して落下せずにすむ。

文献 (2015年の教科書・参考書ページにあげたもの以外)

• 水野 量, 2000: 雲と雨の気象学。朝倉書店。