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雲ができ雨が降る理由→水の相変化

相変化と水蒸気量

・地球上の水 → 気体(水蒸気)、液体(水)、固体(氷)

・水蒸気 : 水(氷) → 蒸発(昇華) → 雲 → 雨や雪 → 水

・水→水蒸気 : 蒸発(熱を吸収 約600 cal)
・水←水蒸気 : 凝結(熱を放出 約600 cal)

・氷→水蒸気 : 昇華(熱を吸収 約680 cal)
・氷←水蒸気 : 昇華(熱を放出 約680 cal)

・氷→水 : 融解(熱を吸収  約80 cal)
・氷←水 : 凝固(熱を放出  約80 cal)

・「熱の出入り」: 水が相変化する際に、熱を放出したり、吸収したりする。
→ この熱は、氷や水の温度を上げたり下げたりしないため、隠れた熱という意味で、潜熱という。
例: 水が凝固するときの潜熱は、1 gあたり約80 calだが、これは、水1 gを0 ℃から80 ℃まであげることができる熱量である。なお、潜熱は、1 kgあたりのJで表すので注意。

・水蒸気量とは、空気中に存在している水蒸気密度のこと。気象分野では、水蒸気圧がよく用いられる。
→ 「飽和」: ある温度で単位体積中に含むことのできる水蒸気の量には、限界がある。
→ 「飽和水蒸気量」: 飽和している空気1m^3中に含まれている最大水蒸気量[g]。温度が高くなるにつれ、多く含むことができる。

・水蒸気量が、露点温度における飽和水蒸気量より多くなると、水滴となる。少ないと飽和しておらず、空気はまだ水蒸気を含むことができる。

雲とは -上昇気流で作られる。

(a) 雲
雲粒(直径0.01 mmほどの小さな水滴や氷の結晶)が、浮かんでいるもの。重力と均衡したところにできる。
雲ができるためには、空気塊が上昇気流によって運ばれなければならない。

陽が当たる事で、上昇気流が発生し、雲ができるプロセスは、以下の通り。

(1) 日射により、地表付近の空気が暖まる。暖かい空気は、軽くなり上昇する。
(2) 大気中では、高度が高くなると気圧が下がる。気圧がさがると、空気塊は膨張する。同時に温度も下がる。
→ 断熱膨張が生じる。空気塊を膨張するために内部エネルギーを運動エネルギーに変換する。このため、内部エネルギーが低下し、温度が低下する。 =断熱膨張冷却
(3) 空気塊の温度が低下すると、露点温度になる。この時、空気中の塵、埃、塩の粒などが核(凝結核)となり、その周りに水蒸気の一部が凝結して水滴となる。=雲粒
(4) さらに空気塊が上昇し、温度が0度以下になると、氷の結晶もできる。

= このような水滴や氷の結晶が集まり、浮いているのが雲。

(b) 雲の分類

<上層>
巻雲(けんうん) → 6 km以上 = 白く細くすじ雲
巻積雲 → 6 km以上 = 白く小さくウロコ雲
巻層雲 → 6 km以上 = 白くベールのような雲

<中層>
高積雲 → 2~6 km = 羊の群れのようにみえる雲
高層雲 → 2~6 km = 空一面をねずみ色に覆う雲
乱層雲 → 0.6 km以下 = 暗い灰色で、雨や雪を降らせる雲

<下層>
層積雲 → 2 km以下 = 黒い塊の雲。きまった形はない。
層雲 → 0.6 km以下 = 灰色か乳白色で、霧雨を降らせる雲

<垂直型>
積雲 → 6 kmなることも = 青空に浮かぶ、シラク大きな塊の雲
積乱雲(せきらんうん) → 12 kmになることも = 空高くモクモクした雲。雷を伴う。

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