雲は、水蒸気が集まったものなの？

1見える水と、見えない水

空に浮かぶ白い雲を見て、「水蒸気が集まったもの」と説明したくなるかもしれないね。でも科学の言葉でいう水蒸気は、水が気体になった状態で、目には見えないんだ。白く見える雲の中には、液体の小さなしずくや氷のつぶがたくさんあるよ。

一つの水分子と、一つの雲のしずくも違うものなんだ。しずくは、とても多くの水分子が集まったもの。一個ずつの小さなしずくを地上から見分けられなくても、たくさん集まって光を散らすと、空に白いかたまりとして見えるんだね。

晴れた空にも水蒸気は含まれているよ。雲が見えないから水が全くない、とは限らない。見える姿だけで決めずに、水が気体なのか、液体なのか、氷なのかを分けることが、雲の生まれ方を理解する第一歩になるよ。

2空気は上がると、冷えることがある

太陽に暖められた地面は、近くの空気を暖める。その空気が周囲より軽くなって上がると、雲を作るきっかけになるよ。空気が上がる理由はこれだけではなく、風が山の斜面に沿って持ち上げられたり、別の空気に押し上げられたりする場合もあるんだ。

上空では、地上近くより気圧が低くなる。上がった空気のかたまりは、まわりから押さえる力が小さくなって膨らむ。この膨張によって温度が下がるんだ。冷たいものに直接触らなくても、空気の温度が変わることがあるのが面白いね。

ただし「上がれば必ず雲ができる」とは言えないよ。もともとの水蒸気の量や、どれくらい冷えるかが関わる。乾いた空気を少し持ち上げただけなら、見えるしずくができる条件まで届かないこともあるんだ。

3水蒸気から、しずくへ

ある温度で、気体の水と液体の水の出入りが釣り合う状態を「飽和」と呼ぶよ。空気を冷やしていくと、含まれる水蒸気の量との関係で、その状態に近づく。水蒸気が液体に変わることは「凝結」。雲ができるときに大切な変化なんだ。

「空気はバケツで、冷えると容量が小さくなる」というたとえもあるけれど、本当に空気の中に水をしまう箱があるわけではない。温度によって、水が気体へ出ていくことと液体へ戻ることの釣り合いが変わる、と考えるほうが仕組みに近いよ。

大気中では、海の塩や細かなちりなどの小さな粒が、しずくの足場になる。この粒を「凝結核」というよ。水蒸気がそこで液体になり、しずくが育つんだ。足場としずくは大きさも役割も違うので、雲そのものが大きな砂のかたまりという意味ではないよ。

4雲のつぶが、すぐ雨にならない理由

しずくにも重力は働く。でも雲のしずくはとても小さく、空気の抵抗を受けるため落ちる速さが遅い。上向きに動く空気にも運ばれるので、雲全体を見ると空にとどまっているように見えるんだ。重力が届かない場所に浮かんでいるわけではないよ。

しずくどうしがぶつかって一つになり、大きく育つと、落ち方が変わってくる。雲の中には大きさの違うしずくがあり、落ちる速さにも違いがある。この違いが出会いを生むこともあるんだ。こうした成長は、雨ができる道すじの一つだよ。

冷たい雲では氷のつぶが育つ仕組みも重要になる。氷が落ちながらとけて雨になることもあるよ。雨の作り方は一つではないんだ。また、落ち始めたしずくが途中の乾いた空気で蒸発すると、地面まで届かない場合もある。雲があることと、地上で雨が降ることは同じではないね。

5雲は、できたり消えたりし続ける

雲の輪郭をしばらく眺めると、形が変わるのが分かるね。風で運ばれているだけでなく、場所ごとにしずくが生まれたり蒸発したりしているんだ。同じ雲に見えても、中のつぶがずっと同じ顔ぶれとは限らないよ。

雲の空気に、まわりの乾いた空気が混ざると、しずくが蒸発しやすくなる。逆に、冷えたり水蒸気が供給されたりして凝結が進めば、雲が育つ。凝結と蒸発はどちらか一方だけのスイッチではなく、同時にも起きているんだ。

たとえば窓の外の雲の端が薄くなったとき、「白い物体が削られた」と考えるより、「見えるしずくが気体へ戻ったのかな」と問い直せるね。雲は綿のような固定した物体ではなく、水の状態が変化し続ける場所でもあるんだ。

6雲を調べるには、何を測る？

見た目の写真だけで、雲の高さやしずくの大きさ、空気中の水蒸気の量まで全て分かるわけではない。研究者や気象を調べる人は、地上の観測、空に上げる測定器、人工衛星など、違う場所から得た情報を組み合わせて考えるよ。

人工衛星は広い範囲を続けて見られる。地上の観測は、その場所の温度や雨などを詳しく調べる助けになる。それぞれ見えるものと見えないものがあるから、一種類の観測だけで決めないことが大切なんだ。

雲は地球へ入る太陽の光や、地球から出ていく熱にも関わっている。種類や高さ、つぶの性質によって働き方が違うので、雲が増えれば必ず同じ効果になる、と単純には言えない。小さなしずくを調べることが、地球全体を理解する研究につながっているんだね。

天気の記録を比べるときには、観測した時刻と場所もそろえよう。雲は絶えず変わるので、朝の地上写真と夕方の衛星画像が違っても不思議ではないんだ。いつ、どこを、何の道具で見たかが、科学の記録には欠かせないよ。

7どっとと考えよう：同じ場所に見える雲は同じつぶ？

安全な屋内から、窓の外の雲を時間をおいて描いてみよう。太陽を直接見ないようにして、雲の輪郭や位置を記録するんだ。「動いた部分」と「薄くなった部分」を分けてメモすると、運ばれることと、状態が変わることの両方に目を向けられるよ。

ただし、絵の変化だけで凝結や蒸発を確定できるわけではない。遠くの別の雲が重なって見える場合もあるね。観察した事実は「輪郭が変わった」、考えた説明は「しずくが蒸発したのかも」と書き分けると、次に何を調べたいかが分かりやすいよ。

最後に、見えない水蒸気、見える雲のしずく、地面へ届く雨を三つ描いて、間に矢印を付けよう。最初の矢印には凝結、次にはしずくの成長と書けるかな。白い雲を見たとき、小さな水の旅を一段ずつ説明できれば、空の見え方が少し変わるはずだよ。