3-2 降水のしくみ：雲粒から雨粒への成長

空に浮かぶ雲は、小さな水滴や氷の粒（雲粒）の集まりです。しかし、雲粒があるだけでは雨は降りません。雲粒が地上に落ちてこられるほどの大きさ（雨粒）に成長して初めて「降水」となります。

1. 雲粒と雨粒の違い

まずは、雲の粒と雨の粒の大きさを比較してみましょう。

雲粒:
- 半径：約 0.01mm (10μm)
- 特徴：非常に小さく軽いため、わずかな上昇気流でも浮遊し続け、なかなか落ちてきません。
雨粒:
- 半径：約 1.0mm (1000μm) 〜
- 特徴：雲粒の100倍の半径を持ちます。
- 体積比: 半径が100倍なので、体積（重さ）は $100^3$ で 100万倍 になります。

ポイント:

降水が起こるためには、微細な雲粒を 100万個集めて、1つの雨粒に合体させる必要があります。この巨大化のプロセスが「拡散過程」と「併合過程」です。

そもそも、水蒸気から最初の「雲粒」ができるときにも、物理的な壁があります。

通常、相対湿度が100%（飽和）を超えると、水蒸気は水（液滴）に変わろうとします（凝結）。

しかし、純粋な水蒸気だけで水滴を作ろうとすると、表面張力の影響により、理論上は100%以上の湿度（極端な過飽和）が必要になります。

現実の大気中では、そこまでの過飽和にはなりません。

現実の大気で、湿度100%付近でスムーズに雲ができるのは、大気中に漂う微粒子（エーロゾル）のおかげです。

凝結核: エーロゾルの中でも、特に水を吸い寄せやすい（吸湿性のある）粒子。
- 例: 海塩粒子（海の波しぶき）、硫酸塩粒子など。
役割:
- 凝結核が水に溶けることで、「水蒸気を引き寄せる力」が強まり、低い湿度でも水滴が安定して存在できるようになります。
- これにより、わずかな過飽和で雲粒が誕生します。

主に中緯度以北や高い空で起こる、「冷たい雨」（0℃以下の層を通る雨）の成長プロセスです。ここでは「氷と水の飽和水蒸気圧の差」が原動力になります。

0℃以下の雲の中では、凍っていない水（過冷却水滴）と、氷の粒（氷晶）が共存していることがあります。

性質の違い: 同じ温度でも、氷の表面よりも水の表面の方が、水分子が飛び出しやすい（蒸発しやすい）性質があります。
- つまり、「水に対する飽和水蒸気圧＞氷に対する飽和水蒸気圧」 となります。
水蒸気の移動（拡散）:
- 過冷却水滴にとっては「乾燥している」状態になり、どんどん蒸発します。
- その水蒸気が、氷晶にとっては「湿りすぎている（過飽和）」状態となり、氷晶の表面に昇華してくっつきます。
結果:
- 水滴が小さくなり、氷晶が急速に大きく成長します。

主に熱帯地方の「暖かい雨」（一度も凍らない雨）や、拡散過程で成長した後の雪片が雨になるときのプロセスです。

粒の大きさによる落下速度の違いを利用した、物理的な衝突・合体です。

雨粒が地上に落ちてくるときの速度は、粒の大きさによって決まります。

重力による加速と、空気抵抗による減速が釣り合ったときの速度を最終落下速度（終端速度）と呼びます。

限界: 雨粒は大きくなりすぎると（半径3mm程度〜）、空気抵抗を受けて形が扁平になり、最終的には分裂してしまいます。そのため、ある程度（半径7mm程度）以上の大きさの雨粒は存在しません。