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雲ってなんだ?

雲、雲、雲雲雲。空に白く浮かぶ雲。うっすらたなびく春の雲。高く立ち上る夏の雲。天高く浮かぶ秋の雲。寒空に雪をはらんだ冬の雲。

雲って何?考えてみよう。

雲が何からできている?雲は雲粒からできている。雲粒は、小さな小さな水の粒や、同じく小さな氷の粒。光を反射する雲粒が、見えているのが白い雲。黒い雲は分厚い雲。空の高くで雲粒が太陽の光を反射して、雲の底まで届かない。

雲って一体何してる?雲は雨を降らせてる。空気中の水蒸気、これを集めて雲粒に、雲粒を集めて雨粒に。大きくなった雨粒は地球に引かれて落ちてくる。とっても寒い冬の日は、凍って雪として落ちてくる。

そのほかに雲は何してる?光と関係している。
太陽からの可視光線。雲はこれを遮って宇宙の彼方に跳ね返す。地表からの赤外線。雲はこいつを受け止める。雲自体も赤外線で光っている。雲から出てきた赤外線、宇宙を照らし、地上を照らす。

それでは雲はどうやってできる?もちろん水蒸気が集まって、雲粒になってできている。今日の話のポイントはここ、考えていきましょう。

飽和水蒸気量と過飽和

どうして水蒸気が雲粒に?温度が下がった空気中、水蒸気が水蒸気であるための条件が満たされなくなったから。

空気中の水蒸気が水にならずにいられる量、これを飽和水蒸気量と申します。飽和とは、もうこれ以上水蒸気を抱えきれません、おなかいっぱい、ということです。

夏の日の、冷たい水の入ったコップ、びっしりとついた露、冬の日の、暖かい部屋の窓、白くくもらせる小さな水滴。どちらも元は水蒸気、空気中の水蒸気。暖かい空気の中で、気体でいられた水蒸気、窓やコップで冷やされます。温度が下がれば下がるほど、飽和水蒸気量は小さくなります。すると、空気中の水蒸気量、飽和水蒸気量を超えてしまい、水となって現れる。これを凝結と申します。

ちなみに、飽和水蒸気圧 (飽和水蒸気量を圧力に換算したもの) が 1 気圧になる温度、これを沸点と申します。水なら 100 ℃

温度が下がって空気中の水蒸気量が飽和水蒸気量をこえたら、あふれた分の水蒸気、すぐに水になるのかな?実はそうではありません。抱えきれないはずの水蒸気、それが空気の中にあっても水にならないことがあり、過飽和と呼ばれています。飽和を過ぎて水蒸気が空気中にある状況。

どうして過飽和なんてことに?これについてちょっとまじめに話しておきましょう。

空気中の水蒸気が飽和水蒸気量になっている状態は平衡状態です。いきなり「平衡状態」なんて言い出してごめん。

水と空気の境目では水の分子のやりとりが行われています。水と空気の間の水蒸気の行き来が同じというのが平衡状態。このとき、水が増えることも減ることも、逆に言えば、空気中の水蒸気が増えることも減ることもありません。

空気中の水蒸気量が増えると、空気から水の方に飛び込む分子の数がが増える。飽和水蒸気量を越えている場合、水から出てくる分子より水に飛び込む分子方が多い。差し引き、水蒸気が水になって (つまり、凝結) 空気中の水蒸気が減っていく。水蒸気量が飽和水蒸気量より少ない場合は逆。差し引き水から空気に分子が出て、水が減っていく。つまり蒸発するのです。

そしてこのやりとりがちょうど釣り合うところが飽和状態。ちなみに、平衡、っていうのは釣り合っている、っていう意味なのです。

表面張力

さてさてこの平衡状態、空気中の水蒸気量だけで決まるのか?そうではなくて、水の側の状態も関わります。空気と水の間の分子のやりとりだから。

水の温度が上がると、水中の分子の運動が活発に。すると、空気中に飛び出し分子も増える。どうやってこれと釣り合うか?空気中の水蒸気量が増えれば、水に飛び込む分子が増えて、平衡状態に。つまり、温度が上がると飽和水蒸気量が増える

水の側の状態は、温度だけ?そうじゃない。いろいろと大事な要素があって、そのひとつが表面張力。

表面張力って何か知ってる?コップに水を注いで、あふれる寸前、水面はコップから盛り上がる。本当は水面がコップの縁を、越えたときに漏れるはず。この不思議に盛り上がった水、それを支えている表面張力。

表面張力は、できるだけ表面積を小さく小さくしようとする力。盛り上がったコップの水がこぼれる瞬間、表面積が大きくなる。表面張力はそれをとどめている。

どうして表面張力が大事なの?表面張力を意識することはあんまりない。それは、人間が大きすぎるから。だけど小さい世界では、とても大事になってくる。

水の上をすいすい進む、小さな昆虫、ご存じアメンボ。水の上に浮いている小さな昆虫。水を弾く足を持っている。浮いてるところをよく見ると、アメンボの足の周りでは、水面がちょっとへこんでる、表面張力はこのへこみを平らにしようと働きます。これがアメンボの足を上に持ち上げる。

人間様が水の上に足を置いても、体重に比べて表面張力は小さすぎて、浮くことなんてできません。でも、アメンボぐらい小さくなると表面張力はとっても大事。もっと小さい世界ではもっともっと大事。

雨粒と表面張力

雨の出来方と表面張力の関係は?小さな水の粒を想像してみる。表面張力は粒を球形にしようとする。球は表面積がもっとも小さい形だから。それだけでなく、表面張力はその球をさらに小さくしようと働いている。とにかく、表面積を小さくしようと。

粒が小さければ小さいほど強く働くこの力。ゴム風船をふくらませるとき、ふくらませはじめが一番大変。それと似た感じだと思えばよい。水滴が小さければ小さいほど、表面張力が強く働く。一方で雨粒の半径が無限大なら、表面張力は働かない。無限大って、それは平らな水面のこと。

実は、いわゆる飽和水蒸気量っていうのは、平面である水面に対する飽和水蒸気量。小さな水滴に対する飽和水蒸気量は違う。

小さな水滴はより小さくなろうとして、空気に水分子をはき出しやすい。釣り合うために、つまり、より多くの分子を水滴に押し込むために必要なのは、空気中のたっぷりの水蒸気。だから、小さな水滴に対する飽和水蒸気量は大きくなる。

雨粒ぐらい大きければ表面張力の影響はあまりない。ちなみに、雨粒は0.1mm から 0.5 mm 程度。一方、雲粒は 0.003 mm から 0.01 mm くらい。表面張力の影響が。もっと小さな水滴についてはかなり表面張力が出しゃばってくる。そして、凝結したての水滴はとってもちいさい。

だから、 (普通の、平面に対する) 飽和水蒸気量を超えても、水滴はできない。できたとしても、その水滴に対する飽和水蒸気量は大きいから、蒸発してしまう。過飽和、つまり、 (普通の) 飽和水蒸気量よりたくさん水蒸気がある状態なのに、凝結が起きない。

どのくらいの水蒸気量まで過飽和になれる?実験によると、飽和水蒸気量の二倍とか三倍とかの水蒸気を含むことができるはず。

じゃあ、そんな過飽和の空気が空にいっぱいあるのかな?いや、そんなことはありません。地球上の空気では、飽和水蒸気量を超えると、すぐに凝結が起きて雲ができてしまう。だいたい飽和水蒸気量の 0.5 % 増しくらいになったら凝結する。

どうして凝結できるの?それをに考えてみよう。
タグ 記事:みんな大好きスベンスマルク はてなブックマーク - みんな大好きスベンスマルク (4) 雲も大事だスベンスマルク (上)
2009.09.15 Tue l 懐疑論(研究者アホアホ系) l COM(0) TB(0) | top ▲

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