過冷却、過冷却水滴、雨粒の形成

　1731年12月15日のとても寒い日、ストックホルムでの出来事です。スウェーデンの学者、テリーワールド（M．Triewald）は不思議な現象をみることができました。彼がある貴族の宮殿で、溜められた水に触ったところ、その水は直ちに氷に変りました。彼は1772年にロンドンの王立科学院にその現象を報告しましたが、なぜそのようなことが起こったかは説明できませんでした。
　この不思議な現象が科学的に説明されたのは180年後のことです。ドイツの科学者ウェーゲナー（Alfred Wegener）は1911年に２つの重要な説を出しました。

● 水は融点（０℃）以下でも液体のままである（過冷却といっています）。
● 氷の粒（氷晶）が空気中にあると、その氷の粒は水蒸気を引き寄せる。それは氷の粒の周りの水蒸気圧が水滴の周りの水蒸気圧よりも低いからである。

ウェーゲナーはこの２つの説から、もし氷晶と水滴が同時に存在したら、水滴は蒸発し氷晶が成長すると考えました。

（図1）ベルシェロンの観察（０℃以下だと霧が
林の小道に入らないが、０℃以上だと霧が入っ
てくる）

　ところで、“ウェーゲナー”という名前、聞いたこと、何か本で読んだことありませんか。彼こそが大陸移動説を唱えた人です。
　ウェーゲナーの２つの説は10年後、スウェーデンの気象学者ベルシェロン（Tor Bergeron）の観測により確かめられました。それは1922年２月、ベルシェロンが休暇で滞在したオスロの郊外のモミの木の林に包まれた丘へと続く小道を歩いていたときのことです。その小道が丘の脇にあるあたりで、林はいつも過冷却水滴の霧（層雲）に包まれていました。しかし、気温が０℃以下の時には霧が林の中まで入っていないのですが、気温が０℃以上だと霧が林の中まで入っていました（図1）。
　ベルシェロンはウェーゲナーの説に基づいて次のように結論しました。氷点下だと流れてきた過冷却水滴の霧粒が木々に触れて氷となります。氷と水の飽和水蒸気の違いから、後から流れ込んできた霧粒が蒸発し、木々の氷が成長し、林の中に霧がないのだと。ベルシェロンは更に研究を続け、1933年に雲粒形成の説を出しました。ベルシェロンの雲粒形成の説はドイツの物理学者フィンデセン（Walter Findeisen）により練られ、雨粒形成の理論が出されました。これは、ベルシェロン－フィンデセンの説として知られています。教科書に出ている、“冷たい雨”の説です。

（図2）雨の降る仕組み（冷たい雨）

　“冷たい雨”ができる仕組みは（図2）を見ながら読んでください。
低気圧や前線のそばではゆっくりとした上昇気流で上空に空気が運ばれます。空気が上昇するにつれて気圧が下がって膨張し、上昇した空気の気温が下がります。すると、飽和水蒸気圧も下がり、水蒸気は凝結し始め小さな水滴（雲粒）に変ります。水滴が小さいと氷点下40度近くまで、凍らずにいることができます。過冷却水滴ですね。ところが上空には小さなチリが飛んでいて、それが過冷却水滴にぶつかると直ちに氷（氷晶）に変ります。雲の中では氷晶と過冷却水滴が混在した状態となりますが、飽和水蒸気圧が大きい水滴が蒸発し、飽和水蒸気圧が小さい氷晶の方が成長します。氷晶が上昇気流に打ち勝つほどの大きさに成長すると落下し始めます。落下中に他の雲粒とぶつかって更に大きくなります。それが融けずに地面に達すると雪になり、融ける最中に地面に達したのが霙（みぞれ）、融けて地面に達すると雨になります。

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