クラウドの物理学について詳しく解説

導入

ビルガのある高積雲

雲物理学は、雲の形成とそれに伴う降水の物理的および動的プロセスの研究です。暖かい雲は微小な水滴でできており、冷たい雲は氷の結晶、または両方のタイプでできています。それらの形成は、空気中の水蒸気の利用可能性とその中の垂直方向の動きによって制御されます。

垂直方向の動きは、共視的低気圧の場合のように大規模な揚力によって引き起こされることもあれば、雷雨の場合のように中規模な場合もあります。これらのプロセスを制御する物理現象は、微視的なスケールで発生します。これは、流体力学の法則と、凝縮核の周囲の蒸気圧を支配するラウールの法則によって支配されます。雲の物理学は今でも研究テーマであり、1960 年代以降の多くの新しい機器、特に気象レーダー、気象衛星、ディスドロメーターの恩恵を受けています。

歴史

雲物理学の研究は実際に19^世紀に始まりましたが、オットー フォン ゲーリッケは17^世紀にはすでに雲は水の泡で構成されているという仮説を立てていました。しかし、雪の結晶の測定はさらに古く、紀元前 1358 年の中国の著作に記載されており、1846 年にアグスタス ウォーラーが霧の中でこれらの泡を捕らえるためにクモの巣を使用しましたが、それらが接触しても爆発しないことを発見しました。代わりにキャンバスにドロップを形成します。この研究は 1880 年にウィリアム・ヘンリー・ダインズによって継続され、1884 年にはリチャード・アスマンによって顕微鏡下で滴を研究されました。

その後、Dines らは、これらの液滴のサイズ分布、つまり粒子サイズを研究し始めました。たとえば、1895 年に物理学者のワイズナーは、水溶性染料で覆われた濾紙を雨の中に置きました。染料の上に落ちる液滴から、その直径が測定されました。 17^世紀に航空宇宙装置が開発されたにもかかわらず、大気の最初の科学的測定は温度、圧力、水蒸気含有量に焦点を当てていましたが、雲は無視されていました。雲の構造に関する最初のデータが現場で作成されたのは、 19^世紀の終わりになってからでした。

初歩的な高圧室での最初の実験室実験は、1875 年にクーリエによって行われました。彼は、圧力が低下して温度が低下すると、室内に塵が存在すると水蒸気がよりよく凝縮することを示しました。彼の実験はエイトケンによって取り上げられ、ウィルソンは、凝縮が起こるには特定の過飽和に達する必要があることを示しました。研究者らは、最も優れた特性を備えた凝縮核の種類に焦点を当て、塩化ナトリウム、海塩が雲や雨滴中に最もよく見られるものの 1 つであることを発見しました。

凝結は雲液滴の形成における唯一の要因ではなく、2 番目の要因はこれらの液滴間の衝突です。ひょう石の観察により、ひょう石は多くの場合ひょう石が集まった形をしているため、部分的に衝突によって形成されたと推測することができました。デカルトは 1637 年には、風によって雹が衝突してより大きな雹が形成される可能性があると示唆していました。雨滴についても同じ考え方が提案されました。 1904年、レナードによって実験が行われ、この方法で水滴の体積は確かに増加するが、すべての衝突が成功するわけではなく、水滴の電荷と水滴に含まれる空気に依存することが実証されました。彼は、このようにして得られた液滴の形状が、液滴の動きに影響を与える気流に対して非常に不安定になるため、直径約6 mm を超えることはできないと予測した、以前に提唱された仮説を確認しました。しかし、中緯度地域におけるほとんどの研究が氷の結晶の形成とベルジェロン効果に焦点を当てていたため、このプロセスは長い間過小評価されてきました。

20^世紀の航空の発達により、より多くの観測が可能になりました。科学者がその場で実験を行うだけでなく、民間、軍事、娯楽用のパイロットも航空機が雲の中を通過した場合の影響を報告できます。 1940 年以降、大気圏上層部での飛行がますます増え、その数も増加しました。同時にレーダーを導入したことで、雲のさまざまな層をより適切に調査できるようになりました。それ以来、実験と新しい機器により理論を洗練することが可能になりました。彼らはまた、気象変動の研究にもつながりました。