「雲と雨の仕組み」それはどこから来てるのか？

雲の種類

わた雲。入道雲。積乱雲

　雲と聞いて、たいてい頭に浮かぶ綿（わた）のような雲を『わた雲』、あるいは『積雲（せきうん）（cumulus）』という。
発達して巨大になった積雲は、『入道雲（にゅうどうぐも）』、あるいは『雄大積雲（ゆうだいせきうん）（cumulus congestus cloud）』。
そして雷をともなう雨を降らせるようになった雄大積雲を『積乱雲（せきらんうん）（cumulonimbus）』という。

　特に季節的に夏によく見られる、それらの雲は水や氷の粒が集まって出来ている。
　
　雲を構成する粒の総量は、普通に数十トンとかいくが、粒ひとつひとつは大した落下速度を持たない。
なので雲はわずかな『上昇気流（Updraft）』で、あっさり上昇し、落ちてきたりはしない。

十種雲形

　他にもその形状などから、雲には様々な種類がある。

　空の多くを覆う薄いベールのような『巻層雲（けんそううん）（cirrostratus。うす雲）』。
破片が大量に集まったような、うろこや波みたいに見えるという『巻積雲（けんせきうん）（cirrocumulus。うろこ雲）』 。
筋状に見える『巻雲（けんうん）（Cirrus。巻き雲）』。
巻層雲のように空の広い範囲を覆うが、曇り気味の『高層雲（altostratus。おぼろ雲）』。
巻積雲よりも、よりはっきりと白かったり、灰色の塊の集合である『高積雲（altocumulus。羊雲）』
厚く広がる『乱層雲（nimbostratus。雨雲）』
地上近くに広がる、いわば上空の霧である『層雲（stratus。霧雲）』
畑のうねのように並ぶ『層積雲（stratocumulus。うね雲）』

　上記8つに、積雲と積乱雲を足して、『十種雲形（general of cloud-forms）』と言う。
これらはつまり、雲の基本形である。

上昇気流とは

気圧。ヘクトパスカル

　この地球上において、空気も含めたあらゆる物にかかる重力は、地球から離れるほど弱くなるとニュートンは示した。
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なので、地球上において、地球から離れた地点、つまり高い地点ほど、（空気が軽い為に）『気圧（atmospheric pressure）』は弱い。
この事に関しては、ニュートンよりさらに古い時代に示されている。
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　圧力の単位として『ヘクトパスカル（hPa）』というのがあるが、標高0m（海面の高さ）の平均的な気圧がだいたい1013.25hPaとされる。
気象学者は、この1013.25hPaという圧力を『1気圧』としている。

　1気圧はまた、『標準気圧（standard atmosphere）』とも言われる。

気圧傾度力。静力学平衡

　気圧は実際には、デタラメに暴れる気体分子の大群であり、あらゆる方向にその力をかける。
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地上に近いほど気圧は強い。
なので当然、気圧の中で、（これは妙な話かもしれないけど（注釈1））重力を無視すれば、気圧中の何かへの圧力は、上向きのが強い。

　そういうわけで、気圧というのは、基本的に上昇させる力であり、この地球からの位置関係により発生する上向きの力を、『気圧傾度力（pressure gradient）』という。

　また奇妙に思えるかもしれないが、気圧は、空気の塊にもかかる。
もちろん重力も。
そこで空気の塊は、それにかかる気圧傾度力と重力の差によって、上昇か下降するのだが、当然、それらが同じ力の時は、上昇も下降もしない。
そういう釣り合いの状態を『静水圧平衡（せいすいあつへいこう）（hydrostatic equilibrium）』、あるいは『静力学平衡』という。

気圧方程式

　気体分子の運動は温度が高いほどに激しさを増す。
するとどうなるか。
気体分子の勢いが増した分、それらの総合力である気圧は強くなる。

　つまり気圧傾度力も強くなり、空気の塊などは上昇する。
これが上昇気流と呼ばれる現象である。

　気圧の範囲（体積）や、温度の関係は、簡単な方程式、
PV=nRT
で表せられる、

　式のPが気圧。
Vが体積。
nが分子の数。
Rが気体定数という定数。
Tが温度である。

雲が出来る仕組み

水蒸気。乾燥した空気

　空気の中には『水蒸気（water vapor）』、つまり気体となった水が含まれてる場合がある。
水蒸気が含まれていない空気は、『乾燥した空気（Dry air）』である。

　アボガドロの法則というのによると、一定温度で、一定気圧の、一定体積の中に含まれる分子の数は一定である。
仮に気体が1気圧で0℃の時、22.4Lの気体に含まれる気体分子の（アボガドロ数と呼ばれる）数は、必ず6×10^23くらいなのである。

　乾燥した空気はほぼ酸素（Oxygen. N8）と窒素（Nitrogen. N7）で構成されている。
ここに水蒸気が入ると、アボガドロの法則より、その分、酸素と窒素の量が減る。
そして単体の水蒸気は、単体の酸素や窒素よりも軽い。
なので、水蒸気が含まれた空気は、乾燥した空気より軽くなる。

エアロゾル。雲の粒の核

　気体だけで構成された綺麗な空気もよいが、雲を作るには、余計な物を含んだ空気が欠かせない。
そういう余計な物。
気体中や液体中に漂う微粒子などを『コロイド粒子』という。
そして、空気中に含まれるコロイド粒子を『エアロゾル（aerosol）』という。

　エアロゾルとは、ようするにホコリとか砂とか灰とか、そういうのである。
大気には基本、1立法cmごとに1000～15000くらいの量のエアロゾルが、含まれているとされる。

　空気中の水蒸気が、エアロゾルを媒介として凝結する事がある。
そうして出来た水滴や氷晶（ひょうしょう）（氷の結晶）が、雲の粒である。
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　そのような雲の粒の核となるエアロゾルは、水滴の場合は『凝結核（ぎょうけつかく）（condensation nucleus）』。
氷晶の場合は『氷晶核（ice forming nucleus）』と呼ばれる。

なぜ空で出来るのか。雲生成のシナリオ

　雲が出来るシナリオはこういうものだ。
上昇気流により、水蒸気を含んだ空気の塊が、空高く昇っていく。
空高くの領域では気圧が弱いので、上昇した空気の塊は膨張する。
空気が膨張した事で、その温度は冷え、空気内部の水蒸気が、エアロゾルを利用して、雲の粒を作っていく。
そうした雲の粒がある程度以上の数、形成されたものが、我々が雲と呼んでいるものである。

　しかし晴天の日など、大気が乾燥していたり、雲や上昇気流の状態によって、粒がけっこう落ちてしまっていく場合には、雲は、未完成のまま、あるいは完成してもすぐに消滅する。
そもそも雲の寿命はそう長くないが、わりとしょっちゅう作られるので、たいてい空には雲がある。

雨が降る仕組み

　ただ雲が出来ただけでは雨は降らない。
雲の粒に比べ、雨の粒はかなりでかい。
しかし雲の寿命はそれほど長くないので、成長の猶予はあまりない。
雨には、ある程度の雲の粒が急成長する仕組みがいる。

暖かい雨

　例えば、水分子というのは、全体で中性であっても、部分的にはマイナス電荷、プラス電荷を有する極性分子である。
このような分子は、イオンに惹き付けられやすい。
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　大気中のエアロゾルにもイオンが含まれてる場合があり、それは水分子を惹き付ける為に逃がしにくく、他よりも成長が早い。

　また、海上などは、陸上よりも核となるようなエアロゾルが少ないとされるが、そういう状況は、少ない核が、水分子を独占出来るという事でもある。
しかも海上を飛ぶ塩の分子は、最初からわりと大きめ。
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　そして大きく雨の粒となったそれらは、大きさ故に速い落下速度で、下に降り注ぐ。
熱帯の海などでよく降るこのような雨は『暖かい雨』と言われ、雲の形成から、すぐに降る。

冷たい雨と雪

　雨は水、液体である。
暖かい雨は、形成段階から液体。
これに対して『冷たい雨』と呼ばれるものは、形成段階では氷（個体）であるが、地上へ落ちてくるまでに、とけて液体になったというもの。
このタイプの雨の仕組みの初期の提唱者には、大陸移動説で有名なアルフレッド・ウェーゲナー（Alfred Lothar Wegener。1880～1930）がいるらしい。
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　しかし、それを理論としてちゃんと確立したのは、スウェーデンのベルシェロン（Tor Bergeron。1891～1977）とドイツのフィンデセン（Theodor Robert Walter Findeisen。1909～1945）とされていて、それは「ベルシェロンとフィンデセンの氷晶説（Bergeron Findeisen process）」と言われるという。

　出来たばかりの小さな氷晶は、少しぶつかったりするだけで壊れる脆いものだが、偶然、衝突を避けて、ある程度以上の大きさになると、むしろ衝突は、その衝突してきた分子をさらに取り込む成長要素となる。
そしてある程度規律よく分子が配置された塊となった氷晶を『雪（snow）』と言う。

　もちろん、これが溶けずに地上へ降ってきたら、雨でなく雪と呼ばれる。
大きな雪なら『あられ（hail）』や『雹（ひょう）』と呼ばれ、大きな雪が溶けて出来た雨なら『大粒の雨』と呼ばれる。

　氷晶はかなり高い空で発生する。
より高い雲で発生した氷晶が、その下の雲にて、雪となり、地上には雨として降り注ぐというような事もある。
あまり空高くない雲から降る雨は、基本、そのような何重かの構造である。

雷について

　氷晶や雹が雲の中でぶつかり、摩擦により電圧を生じさせる場合がある。
その電圧が高まり過ぎて、雲から電流が放たれ、別の雲や、地上へと走る事がある。
それが雷と呼ばれる現象である。
　
　雷は、昔は、電気なのか、光なのか、全く未知の何かなのか、さっぱりわからない、とりあえず恐ろしい現象であった。
しかしフランクリン（Benjamin Franklin。1706～1790）が、それは電気だと証明し、マクスウェル（James Clerk Maxwell。1831～1879）が、電気は光だと証明した。
「電気の発見の歴史」電磁気学を築いた人たち 「マクスウェル」電磁気学の方程式、土星の輪、色彩、口下手な大物理学者の人生
　つまり雷は電気であり、光だったわけである。