地学⑰：雨と雲
～断熱変化と降水のメカニズム～

この記事で探究すること

空にうかぶ、ふわふわの雲。その正体が、小さな水や氷のつぶの集まりであることは、中学で学んだね。でも、「なぜ、空気のかたまりがただ上昇するだけで、雲が生まれるのか？」その物理的なメカニズムは、まだ謎のままだ。この単元では、雲の発生の鍵をにぎる「断熱変化」と、大気の安定性、そして、小さな雲粒が、やがて大粒の雨や雪へと成長していく「降水のしくみ」を探究するよ。

1. 断熱変化：雲を生成する冷却エンジン

雲が生まれるためには、空気のかたまりが、その露点以下まで冷却される必要がある。その冷却の主なメカニズムが「断熱変化」だ。

空気のかたまりが上昇すると、まわりの気圧が低くなるため、空気は風船のように膨張する（断熱膨張）。このとき、空気は、まわりの空気を押し広げるという「仕事」をするために、自らの内部エネルギーを消費する。その結果、外部との熱のやりとりがなくても、空気自身の温度が下がっていく。これが、断熱変化による冷却の原理だ。

2. 断熱減率と大気の安定性

上昇する空気が、断熱膨張によって温度が下がっていく割合を「断熱減率」という。これには２種類ある。

• 乾燥断熱減率：湿度が100%未満の、雲が発生していない空気が上昇するときの温度減率。約1.0℃/100m。
• 湿潤断熱減率：湿度が100%に達し、水蒸気が凝結して雲粒ができ始めたあとの空気の温度減率。約0.5℃/100m。凝結の際に放出される熱（潜熱）が、冷却を妨げるため、乾燥断熱減率より小さい。

この断熱減率と、まわりの大気の実際の温度低下率（気温減率）を比較することで、大気が雲を発達させやすい状態（不安定）か、発達させにくい状態（安定）かが決まる。

コレクトの論理 de 解説：大気の安定・不安定

ある空気塊を強制的に持ち上げたとき、その後の挙動で大気の安定性が判断されます。

• 絶対安定：気温減率が、湿潤断熱減率よりも小さい場合（\( \Gamma < \Gamma_m \)）。持ち上げた空気塊は、常に周囲の空気より低温（＝重い）になるため、元の位置に戻ろうとします。層状雲ができやすい。
• 絶対不安定：気温減率が、乾燥断熱減率よりも大きい場合（\( \Gamma > \Gamma_d \)）。持ち上げた空気塊は、常に周囲の空気より高温（＝軽い）になるため、さらに上昇を続けます。対流が非常に活発になります。
• 条件付き不安定：気温減率が、湿潤断熱減率と乾燥断熱減率の間にある場合（\( \Gamma_m < \Gamma < \Gamma_d \)）。湿っていない空気は安定ですが、凝結高度以上に持ち上げられて湿潤になると、不安定に転じ、上昇を続けます。積雲や積乱雲が発達しやすい、最も一般的な大気の状態です。

3. フェーン現象：山を越える風の高温乾燥化

大気の安定性を理解する上で、最も典型的な応用例が「フェーン現象」だ。湿った空気が、山を越えて反対側のふもとに吹き降りる際に、高温で乾燥した風に変わる現象である。

【例題】フェーン現象の計算

海抜0mの地点A（気温20℃、湿度100%）から、湿った空気が、高さ2000mの山を越えて、海抜0mの地点Bに吹き降りる。山の風上側では、常に雲から雨が降っているものとする。地点Bの気温は何℃になるか？（乾燥断熱減率を1.0℃/100m、湿潤断熱減率を0.5℃/100mとする）

【解答プロセス】
① 山を登る（上昇）プロセス：地点Aの空気は、最初から湿っているので、湿潤断熱減率で冷却される。
山頂での気温 \( T_{top} = 20^\circ\text{C} - (0.5^\circ\text{C}/100\text{m} \times 2000\text{m}) = 20 - 10 = 10^\circ\text{C} \)
② 山を降りる（下降）プロセス：山頂を越えた空気は、雨を降らせた後なので、乾燥している。したがって、乾燥断熱減率で昇温する。
地点Bでの気温 \( T_B = 10^\circ\text{C} + (1.0^\circ\text{C}/100\text{m} \times 2000\text{m}) = 10 + 20 = 30^\circ\text{C} \)
答え：30℃（地点Aより10℃も高温で、乾燥した風となる）

4. 降水のしくみ

雲の中の、直径0.01mm程度の小さな雲粒が、雨粒（直径約2mm）へと成長するためには、約100万個も合体する必要がある。その成長プロセスには、雲の温度によって、主に２つの仕組みがある。

• 暖かい雨（熱帯地方）：雲の中がすべて0℃以上の水滴でできている場合。大きさの異なる雲粒が、衝突と併合をくり返すことで、大きく成長する。
• 冷たい雨（中・高緯度地方）：雲頂の温度が0℃以下になり、過冷却水滴と氷晶が共存する場合。氷晶の方が、過冷却水滴よりも水蒸気を引きつけやすい性質があるため（氷晶の飽和水蒸気圧が低い）、氷晶だけがまわりの水蒸気を吸収してどんどん成長する（昇華成長）。やがて重くなって落下し、途中でとければ雨、とけなければ雪となる。日本の降水の大部分は、この「冷たい雨」のプロセスで説明される。

【研究】雷の仕組み

積乱雲の中で発生する雷は、雲の中での電荷の分離によって引き起こされます。激しい上昇気流の中で、氷の粒（氷晶）と、あられが衝突をくり返すと、あられはマイナスに、氷晶はプラスに帯電します。軽い氷晶は上昇気流で雲の上部に運ばれ、重いあられは雲の下部にたまります。この結果、雲の上層がプラス、下層がマイナスに分離し、雲と地面との間に巨大な電位差が生まれます。この電位差が、空気の絶縁を破壊するほどの大きさになると、大規模な放電、すなわち落雷が発生するのです。

受験対策まとめ

雲物理は、計算と論述の力が試される、気象分野の最重要テーマだ！

1. 雲ができる原理を「断熱膨張」と結びつけて完璧に説明できるようにする。
   「上昇→（気圧低下）→膨張→（温度低下）→露点到達→凝結」という因果関係の連鎖は、論述問題の王道。
2. 「乾燥断熱減率」と「湿潤断熱減率」の違いを、物理的に説明できるようにする。
   キーワードは「凝結に伴う、潜熱の放出」。湿潤断熱減率の方が小さい理由を問われる。
3. 大気の「安定・不安定」を、気温減率と断熱減率の比較で判断できるようにする。
   持ち上げた空気塊が、まわりより「軽い（高温）か」「重い（低温）か」を考えるのが基本。
4. フェーン現象の計算問題を確実に解けるようにする。
   山を登るとき（湿潤断熱減率）と、降りるとき（乾燥断熱減率）で、適用する減率が異なる点を絶対に間違えないこと。
5. 「冷たい雨」のプロセス（氷晶成長過程）を説明できるようにする。
   キーワードは「氷晶と過冷却水滴の共存」と「飽和水蒸気圧の差」。

練習問題

【計算問題】
問１：地上の気温が25℃、露点が17℃の未飽和の空気塊がある。この空気塊が上昇して雲ができ始めるときの高度（凝結高度）は何mか。また、そのときの空気塊の温度は何℃か。（乾燥断熱減率を1.0℃/100mとする）

【論述問題】
問２：日本の冬に降る雪や雨の多くは、「冷たい雨」のプロセスで説明される。なぜ、雲の中で氷晶が、過冷却水滴よりも優先的に成長できるのか。その物理的な理由を、「飽和水蒸気圧」という語句を用いて、60字程度で説明しなさい。