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Reddit – askscience – 雲はなぜ底が平らなのですか、または平らに見えるのですか?

簡単に言うと、あなたが説明している特定の種類の雲は、下から上に形成されます。底部は特定の大気温度によって定義されるので、広い範囲にわたって均一であり、上部は空気塊の上昇運動とその中の対流によって定義されるので、膨らんでいるのです。

もう少し詳しく説明しましょうか。 空気は気体の状態で水分を含んでおり(「水蒸気」)、これを表す指標を「湿度」と呼びます。 空気が水蒸気を含む能力は温度に依存し、暖かい空気は冷たい空気よりはるかに多くの水を保持することができます。 空気ができるだけ多くの水を含んでいるとき、それは湿度100%であり、「飽和状態」と呼ばれます。 湿度を100%以上にしようと、水分を加えたり、温度を下げたりすると、余分な水分が気体の水から液体の水滴に凝縮され、雲を形成することになる。 寒い日に息を吐くと、熱い息は高温多湿で、かなり多くの水分を支えていますが、冷たい空気に当たると冷えて、余分な水分が強制的に凝縮されて小さな雲になる、ということです。

さて、もう少し物理学的な話です。 大気圏の高さに行くほど、圧力と温度が下がります。 圧力が下がるのは、上空の空気が少ないからで、温度が下がるのは、気体が圧力を下げるとそうなるからです。

さて、大気の断面を想像して、これを結びつけましょう。 水蒸気は、主に低くて暖かいところにあります。 高くなるにつれて温度と圧力が下がり、水蒸気がまだそこにある場合は必然的に湿度が高くなり、空気が飽和して余分な水蒸気が雲として凝縮されるようになります。 大気の断面が長距離にわたって一様であれば、雲も一様になります。 このため、雲の底は平らであることが多いのです。私たちが話しているスケール(地上から見える数キロメートルの空)では、温度と水分はかなり均一なので、空気が飽和して雲になる高度はかなり一定なのです。

ここで、私たちの断面において、空気が飽和する地点がないとしましょう。 晴れた日があるのです! しかし、晴れた日に雲を作るにはどうしたらよいのでしょうか。 もし、低いところに湿気があれば(地面、植物、湖などから発生することが多い)、その湿った空気を、雲を作るのに十分なほど冷たくなるまで持ち上げればよいのです。 晴れた日に空気を持ち上げるには、太陽で空気を加熱するのが効果的です。 すべての土地が同じ割合で加熱されるわけではないので、上空の空気には熱い場所と冷たい場所があり、熱い空気は冷たい隣人に対して上昇しようとし、熱を発生させることになるのです。

熱は、一様な断面積の空気の中を上昇するため、冷え始め、やがて飽和する高度を超えると、きれいな平らな雲の底になります。 しかし、熱はまだ上昇し続け、同じ高度で雲に凝縮されるのです。 気体の水蒸気が凝縮して液体になるとき、熱を放出することがあります。 その熱は、小さな熱源にもう少し動力を与えることができます。あちこちに対流を起こし、上昇と下降する空気の小さな泡を作り、「ポップコーン」の質感を与え、その中を飛ぶべき乱流を与えるために空気を十分に攪拌するのです。 (雷雨を発生させるには、このプロセスを11まで回します!)