氷と混合相の微物理学

氷晶がどのように形成・成長し、氷と過冷却された液体の水がどのように相互作用して、低温の雲の中で降水を生み出すのか。

Definition

氷と混合相の微物理学とは、凝固点よりも低い温度の雲における、氷粒子の核形成、成長、相互作用、および過冷却された液体の水との共存を研究する学問分野である。

Scope

氷核形成の様式、水蒸気堆積による氷晶の成長と多様な結晶の形状、過冷却液滴を犠牲にして氷が成長するヴェーゲナー・ベルジュロン・フィンダイゼン過程、着氷と霰および雹の形成、雪片への凝集、二次的な氷の生成について扱う。

Core questions

• 雲の中で氷はどのように核形成されるのか、また過冷却水はなぜ持続するのか。
• 過冷却液滴が存在する場合、氷晶はなぜ急速に成長するのか。
• 着氷と凝集はどのようにして霰、雹、雪片を形成するのか。

Key theories

ヴェーゲナー・ベルジュロン・フィンダイゼン過程

氷の飽和蒸気圧は過冷却水よりも低いため、氷晶は水蒸気堆積によって成長し、近くの液滴は蒸発する。これにより、効率的に降水サイズの氷が生成される。

Mechanisms

雲中の水は、氷核形成に氷核が必要であるか、または非常に低い温度で均質凍結が必要であるため、凝固点よりはるかに低い温度でも液体のままでいることがある。一度氷が形成されると、過冷却水よりも氷の飽和蒸気圧が低いことにより、液滴から結晶への正味の水蒸気移動が促進される。これがヴェーゲナー・ベルジュロン・フィンダイゼン過程である。結晶は温度と過飽和度によって形状を決定し、過冷却液滴と衝突して凍結すること（着氷）によってさらに成長し、霰や雹を形成する。また、凝集して雪片となり、落下して雨に融解することもある。

Clinical relevance

氷の過程は中緯度の降水を支配し、雲の寿命と放射特性に強く影響を与えるため、混合相の微物理学は気象モデルおよび気候モデルにおける主要な不確実性要因となっている。

History

ヴェーゲナーは氷と水の共存の不安定性を指摘し、ベルジュロンとフィンダイゼンは1930年代にこれを降水の氷晶説として発展させた。これは長らく中緯度における雨の主要な説明であった。

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

過冷却水とは何か？

過冷却水とは、有効な氷核がないために0℃以下でも凍結せずに液体のままである水のことである。これは雲の中で一般的であり、混合相降水の中心的な要素である。