雲は何百トンもあるのになぜ落ちない？約500トンの水が空に浮かぶ理由
空に浮かぶ雲は、いかにも軽そうに見えます。
ところが、雲の中には想像以上に大量の水が含まれています。
たとえば、体積1立方キロメートルほどの積雲を想定すると、含まれる液体の水だけで約500トンになるという計算があります。
500トンもの水が頭上にある。
そう聞くと、「なぜそのまま落ちてこないのか」と不思議になるのも当然です。
答えを先に言うと、500トンの水が一つの巨大な塊になって空に浮いているわけではないからです。
雲の水は、肉眼では一粒ずつ見えないほど小さな水滴や氷の粒となって、広大な空間に分散しています。しかも、その水滴には普通に重力が働いています。
つまり、雲粒はまったく落ちていないのではありません。
実際には落ちています。ただし、驚くほどゆっくりです。
そもそも雲は「水蒸気」ではない
まず押さえておきたいのが、目に見えている白い雲そのものは水蒸気ではないということです。
水蒸気は気体なので、通常は目で見ることができません。
空気が上昇して冷えるなどして、水蒸気が小さな水滴や氷の粒になると、それらが光を散乱するため、私たちには白い雲として見えるようになります。
気象庁も、上昇した空気が冷やされ、空気中の水蒸気が水や氷の小さな粒になることで雲ができると説明しています。
以前紹介した「北海道の空が「真っ二つ」に見えたのはなぜ？青空と雲を分けた境界線の正体」でも、雲は空気そのものが白くなったものではなく、水滴や氷の粒が集まって見えていることに触れました。
今回の疑問を考えるときも、まず「雲＝巨大な白い物体」というイメージを外すことが重要です。
「雲は約500トン」という話は本当？
「雲には何百トンもの水がある」という話は、単なる大げさな雑学ではありません。
米国地質調査所（USGS）は、積雲の重さを考える例として、1立方メートル当たり約0.5グラムの液体水を含む、体積1立方キロメートルの雲を想定しています。
| 計算に使う条件 | 値 |
|---|---|
| 雲の体積 | 1km³＝10億m³ |
| 1m³に含まれる液体水 | 約0.5gと仮定 |
| 液体水の合計 | 約5億g＝50万kg |
| メートル法で換算 | 約500トン |
ここで注意したいのは、「すべての雲が500トン」ではないということです。
雲の大きさや種類、内部に含まれる水の量によって値は変わります。また、この約500トンという数字は、雲の中にある空気まで含めた「雲全体の総重量」ではなく、主に液体の水滴を合計した質量の計算例です。
それでも、小さな積雲に数百トン規模の水が含まれ得るという事実は変わりません。
では、その大量の水がどうして空にいられるのでしょうか。
最大のポイントは、500トンが「一つの塊」ではないこと
500トンと聞いて巨大な水槽を思い浮かべると、雲が浮いていることは理解しにくくなります。
実際の雲は正反対です。
雲を構成する液体の水は、無数の微小な水滴として空気中に分散しています。
米国立気象局（NWS）の気象教材では、典型的な雲粒の直径を約0.02mmとしています。
わずか0.02ミリです。
500トンという巨大な数字は、そのような極小の水滴を、体積1立方キロメートルという途方もなく大きな空間全体で足し合わせた結果なのです。
たとえるなら、大量の水を入れた巨大なタンクが空に浮いているのではありません。
目に見えないほど細かな水滴が、巨大な空間の中にばらばらに存在している。
ここまで分解して考えると、「500トンなのに浮いている」という印象はかなり変わってきます。
実は雲の水滴も、重力でちゃんと落ちている
小さな水滴なら重力が働かない、というわけでもありません。
水滴にも当然、地球の重力が働きます。
雲粒は実際に下へ落ちようとしています。
それでもすぐ地上まで落ちないのは、粒があまりにも小さく、空気抵抗の影響を強く受けるからです。
空気中を物体が落下すると、速度が上がるほど空気抵抗も大きくなります。やがて重力による力と空気抵抗が釣り合い、それ以上ほとんど加速しなくなります。
このときの落下速度が「終端速度」です。
NWSの教材では、平均的な雲粒が静止した空気中を落ちる終端速度を約1.3cm/秒としています。
秒速1.3センチ。
1分たっても約78センチです。
「落ちている」と言われても、私たちが想像する落下とはまるで違います。
500m下まで落ちるだけで10時間以上
NWSは、この遅さを実感できる例も示しています。
雲底が地上500mにあり、雲粒が静止した空気中を平均約1.3cm/秒で落ち続けると仮定すると、地上まで到達するには10時間以上かかります。
もちろん、本物の大気は静止していません。
途中で水滴が蒸発することもありますし、逆に成長することもあります。空気自体も上下左右に絶えず動いています。
それでも、この単純計算から一つの重要な事実が分かります。
雲は「水滴が落ちないから浮いている」のではなく、水滴があまりにもゆっくりしか落ちないのです。
しかも、雲の中では空気も上へ動いている
ここに上昇気流など、大気そのものの動きが加わります。
雲ができる代表的な過程では、湿った空気が上昇し、上空で冷やされます。その結果、水蒸気が小さな水滴や氷の粒へ変わります。
雲粒が下へ沈む速度が1秒に数センチ程度しかないなら、それを上回る上向きの空気の流れがあれば、水滴は空気と一緒に運ばれます。
特に積乱雲の内部では、強い上昇気流が発生することがあります。
ただし、ここでもイメージには注意が必要です。
上昇気流が500トンの雲をクレーンのように丸ごと持ち上げているわけではありません。
空気中には無数の微小な水滴があります。その一粒一粒の落下速度が非常に遅いため、周囲の空気の動きに強く影響されるのです。
雲は巨大な「一個の物体」でもない
もう一つ、雲を理解するうえで重要なのが、雲には風船のような外壁がないということです。
私たちには輪郭のある白い塊に見えますが、その境界に膜があるわけではありません。
雲の周囲では、水蒸気が水滴になる「凝結」と、水滴が再び水蒸気へ戻る「蒸発」が起きています。
空気が移動すれば、ある場所では水滴が消え、別の場所では新たな水滴が作られます。
そのため、同じような形の雲がしばらく空に浮かんで見えたとしても、最初にそこにあった水滴が、すべて同じ場所に残り続けているとは限りません。
雲は「500トンの白い物体」というより、水滴や氷の粒が存在できる条件がそろった大気中の領域と考える方が実態に近くなります。
では、なぜ雨になると地上まで落ちてくる？
ここまで来ると、新たな疑問が出てきます。
雲の水滴が小さいから落下が遅いのであれば、なぜ雨粒は普通に地上まで落ちてくるのでしょうか。
答えは、やはり粒の大きさです。
| 比較 | 代表的な直径 | 雲粒との比較 |
|---|---|---|
| 雲粒 | 約0.02mm | 基準 |
| 雨粒の一例 | 約2mm | 直径約100倍 |
直径では約100倍です。
しかし、球の体積は直径の3乗に比例します。
そのため、直径0.02mmと2mmの球を単純に比べると、体積の差は、
100 × 100 × 100＝約100万倍
になります。
NWSの教材でも、直径2mmの雨粒には、直径0.02mmの雲粒およそ100万個分に相当する水が含まれると説明されています。
「雲粒と雨粒は、同じ水滴が少し大きくなっただけ」と思うと、その差を見誤ります。
サイズがまったく違うのです。
雲粒が成長すると、空気では支えきれなくなる
雲の中では、小さな水滴が衝突して合体するなどして成長します。
暖かい雲では、大きさの異なる水滴が違う速度で落下し、衝突・合体する「衝突併合」の過程が降水の形成に関わります。
低温の雲では、氷晶が成長する過程も重要です。
NOAAは、雲粒や氷晶だけでは小さすぎて降水として地上まで落ちにくく、それらが十分に成長することで雨や雪などの降水になると説明しています。
粒が大きくなるにつれて落下速度も増していきます。
やがて周囲の上向きの空気運動によって空中にとどまっている状態から抜け出し、雨や雪として地上へ向かいます。
つまり、雨とは「雲そのものが落ちてきたもの」ではありません。
雲を作っていた小さな粒が成長し、地上まで落ちてこられる状態になったものと考えると分かりやすいでしょう。
それなら「霧」は雲が地上まで落ちてきたもの？
雲とよく似た存在が霧です。
霧も、空気中に浮かぶ非常に小さな水滴などによってできています。
山へ登ったとき、遠くから見ると山頂を覆っていた雲の中へ自分が入ってしまうことがあります。
中へ入れば、見えるのは霧のような景色です。
雲と霧は基本的な成分が大きく違うわけではなく、地表付近に存在して視程を悪くしているものを霧と呼びます。
ただし、これは「上空にあった500トンの雲が塊のまま地面まで落下した」という意味ではありません。
雲や霧が存在できる条件が地表付近にそろっている、と考える方が適切です。
「雲は軽いから浮いている」だけでは説明しきれない
雲について調べると、「雲を含む湿った空気は周囲の乾いた空気より密度が低いため浮く」という説明を目にすることがあります。
湿った空気の密度や浮力は、確かに大気の上昇や雲の形成を考えるうえで重要です。
一方で、液体の水滴そのものが空気より軽いわけではありません。
水滴には重力が働き、実際に下へ沈もうとしています。
今回の「なぜ何百トンもの雲が落ちてこないのか」という疑問を理解するなら、
大量の水が微小な粒へ分散していること
一粒の落下速度が非常に遅いこと
周囲の空気自体も常に動いていること
を一緒に考える必要があります。
「雲は軽いから」「上昇気流があるから」の一言だけでは、500トンという数字との関係が見えにくいのです。
雲は落ちないのではなく、「ものすごくゆっくり落ちている」
ここまでの話を一つにつなげると、最初の疑問への答えが見えてきます。
積雲に含まれる液体の水が数百トン規模になることはあります。
しかし、その水は巨大な塊ではありません。
直径約0.02mmという極小の雲粒などになり、巨大な空間へ分散しています。
その一粒一粒には重力が働いていますが、粒が小さいため空気抵抗の影響が大きく、静止した空気中でも平均約1.3cm/秒という非常に遅い速度でしか落ちません。
そこへ上向きの空気の流れや、凝結・蒸発による水滴の入れ替わりが加わります。
そして水滴や氷粒が成長し、落下速度が十分に大きくなれば、今度は雨や雪となって地上へ落ちてきます。
雲は何百トンもの物体が重力を無視して空中停止しているわけではありません。
私たちが見上げているのは、巨大な空間に広がった極小の粒と、それを運ぶ大気が作り出している景色です。
「約500トン」という途方もなく大きな話の答えが、「約0.02mm」という小さな世界に隠れている。
そう考えると、いつもの雲もちょっと違って見えてきます。