凝結と雲のでき方

上昇する空気は、飽和するまで1 kmにつき9.8 °C冷えます。雲底が平らなのはこのためです。

暑い日の冷たいグラス

湿気の多い日に、冷蔵庫から冷たい飲み物の缶を出すと、1分もしないうちに外側が濡れます。水は缶から漏れたのではありません。空気中から来たのです。冷たい金属に触れた空気が冷え、暖かい空気ほど水蒸気を含めなくなるため、余分な水蒸気が液体になります。これが凝結で、蒸発の逆です。雲もまさに同じ仕組みでできます。

NOAAは、気温と露点という2つの温度で説明しています。露点は空気が飽和する温度です。空気を露点より低く冷やすと、水蒸気が凝結し始めます。地面近くで気温と露点が等しくなると、霧が発生することがよくあります。

上昇する空気は自ら冷える

空気を露点まで冷やす最も一般的な方法は、持ち上げることです。高くなるほど気圧が下がるので、上昇する空気の塊は膨張します。膨張に必要なエネルギーを空気の塊自身から使うため、熱が外へ出ていなくても冷えます。気象学では断熱冷却といいます。乾いた空気では、1 km上がるごとに9.8 °C冷えます。これが乾燥断熱減率です。

例えば、地表の気温は30 °C、露点は18 °Cです。上昇すると、気温は1 kmにつき約9.8 °C、露点は約1.8 °C下がります。12 °Cの差は1 kmにつき8 °Cずつ縮まるため、持ち上げ凝結高度は出発点の約12 ÷ 8 = 1.5 km上です。そこで最初の水滴が現れます。同じ地域の空気は温度と水分量がほぼ同じなので、ほぼ同じ高さで飽和します。夏の午後に積雲が並ぶとき、平らにそろって見える雲底は、この共通の高さです。

どの雲粒も中心に微粒子をもつ

雲粒は通常、雲凝結核と呼ばれるエアロゾル粒子に水蒸気が凝結してできます。海塩、ちり、煙、火山灰がこうした粒子を供給します。雲粒として成長し始める条件は、一律の最小半径ではなく、粒子の大きさと組成、空気の過飽和の程度によって決まります。成長する水滴は核よりはるかに大きくなり、ほぼ純粋な水のままです。

凝結は、蒸発で吸収したエネルギーも返します。水蒸気が液体になると、周囲の空気に熱を放出します。その熱で雲の中の空気の浮力が増し、さらに上昇して凝結し、もっと熱を放出します。NOAAによると、この熱の放出がハリケーンの発達を助けます。雲が完成することはありません。端では水滴が蒸発し続け、内部では新しい水滴ができ続けるため、見ている間にも形が変わるのです。