降水過程①凝結過程
今日は降水過程のお話をしたいと思います。
雲ができて、雨が降るまでの過程をお話します。
雲ができるまで
湿った空気塊が上昇すると、気圧が下がるので膨張し、温度が下がります。
すると、あるところで相対湿度が100％に達します。
その時に何か核になるようなものがあれば、それを中心にして雲粒や氷粒ができます。その核となるものをエーロゾルと言います。
英語で書くとaerosol
sol(ゾル)は、gelの対義語です。
ゾルとは・・・コロイド粒子が液体中に分散していて流動性のあるもの。
コロイドって・・・？っと思ったらこちらへ↓
家で氷を作る時、その氷は不純物を核とします。
不純物のない水をゆっくり冷却すると、０℃になっても氷にならず、この状態の水を過冷却水と言います。
その話に似ているのですが、大気中の原子や分子よりも大きい粒子が大気中で分散しているんですね。それがエーロゾルです。それを中心にして雲ができます。
エーロゾルには、
・陸地の地表から吹き上げられた土壌粒子
・海面のしぶきから形成された海塩粒子
・火山噴火により大気中に放出された粒子
そのほかいろんな粒子があります。
大きさも様々で、
・半径0.005~0.2μmのエイトケン核
・半径0.2~1μmの大核
・半径1μm以上の巨大核
があります。
大気中には色々な化学成分と大きさを持つ微粒子が存在しているんですね。
その中でも特に注目したいのは、海面のしぶきから形成された海塩の粒子です。
なぜなら他のエーロゾルに比べて半径が大きく、水に溶けやすいからです。
水に溶けやすい、吸湿性が高いということは、その表面は水の膜で覆われます。
水滴と、平面の水がどのような相対湿度で平衡になりうるかということを色々な大きさの水滴で調べたら、こういうグラフに書けるそうです。↓
【平面な水に対して平衡状態にある純粋な水の水滴の半径と相対湿度の関係（５℃の場合）】
簡単に言い換えてみると、
例えば、0.3μmの吸湿性の良いエーロゾルがあると、わずか0.4%の過飽和度で平衡状態になり、それ以上の過飽和度であればさらに水蒸気が凝結してより大きい水滴になります。
海塩粒子は海のしぶきが蒸発したあとに残ったものなので、だいたい塩（NaCl）ですよね。NaClは水によく溶けます。
一般に化学物質が溶けた水（溶液）に対する飽和水蒸気圧は純粋な水のそれより低いという性質があります。（ラウールの法則）
ちなみに、氷と比較しても水に対する飽和水蒸気圧は高いです。
湿った空気塊を上昇させて過飽和の状態に達した時、吸湿性の良いエーロゾルが空気中に浮遊していると、エーロゾルは水蒸気を凝結させるための核（凝結核）の役割をしてくれて、水滴ができます。（雲粒）
出来立ての雲の中の雲粒は半径が１〜20μm程度です。（赤血球と同じくらいの大きさとのこと ※Wikipedia調べ）
そのまま空気塊が上昇すると、空気は絶えず過飽和の状態になり、雲粒が凝結過程により成長します。
雲粒の凝結過程
雲粒の凝結過程によって時間とともにどう成長するか計算します。
降水過程の分野は、気象の教科書には結構簡単に書いてあるのですが、その土台には流体力学があって、これはちゃんと理解しようと思うとすごく難しいです。
あんまり深入りはせず、分かりそうなところは勉強していきたいと思います。
単位時間あたりの
①水滴の質量数Mの増大量＝②水蒸気が水滴に吸収された質量数
という質量保存を使って計算します。
①水滴の質量数Mの増大量
これは割と簡単に式にすることができます。
水滴には、液体の表面積を最小にしようとする力（表面張力）が働くので水滴を半径rの球として式を立てると、
②水蒸気が水滴に吸収された質量数
これを考えるには「拡散」についての勉強が必要です。
濃い方から薄い方へ流れるので、その流れはベクトルで表すとこのようになります。
勾配（gradient）が出てきて難しい感じがしますが、何となくイメージできるでしょうか。（この辺は大学で習う数学です・・・）
マイナスの意味は、拙い言葉で言うと、後ろ引く前をしたときのマイナスです（苦笑）
濃度の勾配は濃い方を向いていますが、濃い方から薄い方というベクトルは薄い方を向いていますからマイナスがついているんですね。
フィック の法則に基づいて水蒸気の拡散量を考えると、
①＝②なので、
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降水過程を１記事にまとめようと思ったけど、
長くなりすぎたので、ここら辺で一旦切りたいと思います。
次回は雨粒が併合して成長する過程から勉強します！
