雲と降水の物理学

水蒸気が雲粒や氷晶を形成し、雨、雪、雹へと成長する微物理学的過程。

Definition

雲と降水の物理学は、個々の粒子スケールでの大気中の液体の水と氷のハイドロメテオの形成、成長、および降下を研究する学問です。

Scope

この分野は、エアロゾル粒子上での雲粒の核生成、凝結および衝突・併合による液滴の成長、氷晶の形成と成長、ライミングや凝集を含む混合相過程、雲凝結核および氷晶核の役割、そして雲粒子から降水への移行を対象としています。

Sub-topics

• 雲凝結核と氷晶核
• 雲粒形成
• 氷と混合相の微物理学
• 暖雨と衝突・併合

Core questions

• 雲粒はどのようにエアロゾル粒子上に形成されるのか？
• 液滴と氷晶はどのような過程で降水として落下するのに十分な大きさに成長するのか？
• 混合相雲では、氷と液体はどのように共存し、相互作用するのか？

Key theories

液滴活性化のケーラー理論

曲率効果（ケルビン効果）と溶質効果（ラウール効果）を組み合わせることで、ケーラー理論は、ヘイズ粒子が成長する雲粒に活性化する臨界過飽和度を予測します。

衝突・併合とベルジュロン過程

降水は、暖かい雲の中でより大きな液滴が衝突・併合するか、または冷たい雲の中で過冷却液滴を犠牲にして氷晶が成長することによって形成されます。

Mechanisms

水蒸気は、過飽和度がケーラー理論によって与えられる臨界値を超えると、雲凝結核上に凝結し、小さな液滴群を生成します。これらの液滴は、まず水蒸気の拡散によって成長し、その後、重力による衝突と併合によってより急速に成長します。より低温の雲では、氷晶は氷晶核上、または液滴の凍結によって核生成され、過冷却水の存在下での水蒸気沈着（ヴェーゲナー・ベルジュロン・フィンダイゼン過程）、ライミング、および凝集によって成長し、最終的に雪、あられ、または雹を形成します。

Clinical relevance

雲の微物理学は、降水効率、雲の放射特性、およびエアロゾルと雲の相互作用を支配しており、天気予報、気候感度推定、および人工降雨の評価において中心的な役割を担っています。

History

降水の氷晶説はヴェーゲナーによって提唱され、1930年代にベルジュロンとフィンダイゼンによって発展しました。一方、ケーラーの1936年の理論は液滴の活性化を説明しました。この分野は、1970年代以来の標準的な参考文献であるプルッパッハーとクレットの包括的なモノグラフで統合されました。

Key figures

• Tor Bergeron
• Hilding Kohler
• Hans Pruppacher

Seminal works

• pruppacher1997
• rogers1989

Frequently asked questions

中緯度におけるほとんどの雨粒が氷として始まるのはなぜですか？

冷たい雲の中では、ヴェーゲナー・ベルジュロン・フィンダイゼン過程により、氷晶が過冷却液滴を犠牲にして急速に成長します。これらの氷晶は落下し、融解して雨として地上に到達します。