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自由研究  ⇒  気象

雲から雨に

身近な自然と科学 Vol.133から

湿った空気が上昇気流に乗り、上空の気圧の低い部分に達すると、断熱膨張冷却によって冷やされ、空気中に含まれることが許されなくなった水蒸気が液体の水になって出てきます。
この水は直径0.002ミリメートル程度の水粒になり、この水粒の集まりが雲になる訳ですが、雲があっても雨が降らないことが多いのは、小さな水粒は大きな水粒になり難いからです。

どのような空気がきれいな空気かは議論があると思いますが、きれいな大気中の場合は、水蒸気から作られた水は蒸留水ですから純水で、水分子の結合力だけで水粒(雲粒)を作っています。
その為に、 水粒中には水分子が少ないときは水分子の塊が持つ吸引力が弱く、周囲の水分子を引寄せるどころか、空気中の湿度が低い環境では、元々あった水分子を空気中に逃がしてしま うこともあり、大きな水粒になりません。

ところが、大気中に水分子を吸着する化学物質、例えば、海水から空気中に飛散する 塩化ナトリウム、生物から出る硫酸などの親水性の科学物質が多くなると、空気中から追い出された水分子はこれらの化学物質に吸着されて、大きな水粒になっていきます。
それますが、靄は空気中の水蒸気が浮遊している化学物質に吸着して光を分散させてしまう現象だそうです。

このようにして水粒の一部が大きくなり、上昇気流による上方への圧力より重力が勝り始めるとこの大きな水粒は落下し始めますが、上方への圧力が勝っている小さな水粒(雲粒)は上昇していますから、大きな水粒は小さな水粒に衝突し大きくなり、更に衝突を繰り返し、より大きな水粒になり、地表に落ちるまで蒸発しなかった水粒が雨となります。

この衝突の割合は落ちる水粒の直径が0.04ミリメートル以上ないと高くなりません。
これは小さい水粒を上昇させている空気の流れが、落下する大きな水粒を避けてしまう割合が高くなり、空気の流れに乗っている小さな水粒との衝突する割合が低くなるためです。
簡単に言えば、大きい方が風当たりが強くなるので、風に乗ってくる小さな雲粒もより当たるということです。

雷雨などのように 大粒の雨が降るときは、雲の中に氷が出来ています。
雹が降れば雲の中に氷が出来ていると誰でも実感出来ますが、大粒の雨が降ってきた場合でも、大きな水粒は落下途中で大きな空気の抵抗を受ける為に小さな水粒に分かれてしまうので、或る程度の高さまでは空気抵抗を受けても千切れない、水分子同士の結合力の強い氷の塊である必要があります。
そして、地表に到達する直前に溶けて大粒の雨になるのです。

では、氷はどのように出来るのでしょう・・・
旅客機が飛ぶような上空ではマイナス30度、40度と言いますから雲を作る水粒は直ぐに凍ってしまうように思えますが、多くの場合は水粒は“ 過冷却 ”状態で漂っていて氷にはなり難いそうです。

この場合の過冷却というのは、摂氏ゼロ度以下でも液体の水の状態を言います。
不純物が含まれていない純水で、且つ、物に接していない水は過冷却になりやすいのです。
極寒地に住んだ経験が無いので信じられませんが、北海道などで、沸騰させて水中の空気などを追い出した水を洗面器などに入れて戸外に置くと過冷却の水が見られることがあり、この水は衝撃を加えると一瞬で凍るそうです。

雲中の過冷却状態の水粒の場合は、浮遊している鉱物質の微粒子などに過冷却状態の水が付くことにより、周囲の過冷却状態の水粒が連鎖的にくっ付き出すのだそうです。
このとき、核になる微粒子を 氷晶核 といいます。

今季の梅雨前半、何処かの長官が中国で人工的に雨を降らせていると進言したようですが、人工的に雨を降らせる試みは過冷却状態の水粒がある雲にヨウ化銀などの微粒子を氷晶核になるように祈ってばら撒くものです。
因みに、 人工降雨 の試みは、旧ソ連、中国などでは古くから、日本でも何十年も前から行われています。
隣国に雨を降らせるかもしれない雲を途中で奪ってしまう行為なので大きな声で言うもので無いようです。

雲中の氷の次は、雪です。
雪は空気中の水蒸気が水にならずに直接、氷になってしまうことにより作られます。
気体から直接固体に変わる、または固体から直接気体に変わる現象を“ 昇華 ”と言いますか ら、雪は昇華によって出来るのです。
雪の結晶の形の違いは周囲の水蒸気量と温度によります。
また、さらりとした雪と湿っぽい雪の違いは、雪の結晶がそのまま降るとさらりと、雪の結晶に過冷却状態の水粒がくっ付いて凍ると湿っぽくなります。

このような理由で太平洋側や海近くのように冬季でも比較的暖かい所ではせっかく作られた雪の結晶に水粒が付いて凍り、更に溶けるために湿っぽい雪になってしまうのです。





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