2008年06月21日
水の特徴、物性を探る。その５ 雨が降るのはなんで？（雲ができるのはなんで？）～水の凝縮（ぎょうしゅく）～
前回は、水の蒸発、液体から気体への変化を扱いました。
では、逆に、気体から液体に変化するのは、なんと言うでしょう？
ちょっと難しい漢字になりますが、凝縮（ぎょうしゅく）と言います。
凝縮というと難しいですが、実は、空の上で水が凝縮しているのが、雲と雨です。
ちょうど、梅雨の季節です。
今回は、雨が降るのはなんで？（雲ができるのはなんで？）を扱ってみます。
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雲は、空のどんなところに浮かんでいますか？
手の届きそうな低いところですか？高いところですか？
やはり空の高いところに浮かんでいますね。
この高いところというのがポイントです。
水蒸気（気体の水）を含んだ空気の塊が、どんどん空の上の方に昇って行きます。
（この絵は、 Hello School 中学理科（ハロ理科） からお借りしました。他にも動く絵があります。）
水蒸気を含んだ空気の塊が、空を昇って行くと、温度がずんずん下がります。
空気の塊の温度が下がると、空気中に細かい水滴ができはじめます。水滴は、空気中の小さなほこりやちりを核として、できます。水滴は０．０２ｍｍ～０．２ｍｍ程度で非常に小さく、空中に浮かんでいることができます。これが雲です。
この雲の中で、水滴がもっと大きく成長すると、空気中に浮かんでいられなくなり、落下をはじめます。
これが、雨ですね。
温度が下がると、なんで水滴ができるの？と思った人は、するどい 
温度が高いと、空気中の酸素分子、窒素分子、水分子（水蒸気）が、すごいスピードで飛び回っています。
分子が沢山飛び回りますので、分子同士がぶつかります。
正面衝突！ 斜め衝突！ 追突！ ニアミスも起こります。
しかし、飛び回るスピードが速いので、衝突しても、分子同士がくっ付きません。くっ付いてしまわないので、気体のままです。
温度が下がると、分子の飛び回るスピードが遅くなります。
遅いスピードで、正面衝突、追突、ニアミスをした時、水分子と酸素分子・窒素分子に違いが出ます。
水分子の間には、水素結合という強い力が働きます。
遅いスピードで衝突すると、衝突の瞬間に水素結合の力で二つの水分子がくっ付きます。衝突の度にくっ付く水分子の数が増えていき、水滴ができあがります。
これに対して、窒素分子や酸素分子では、水素結合のような強い力がありません。だから、遅いスピードで衝突しても、そのまま離れて行きます。気体のままです。
【まとめ】 雲ができ、雨が降るのは、なんで？
・水蒸気（水分子）を沢山含んだ空気が、高いところに昇って行き、温度が下がる。
・温度が下がると、水分子（気体）の飛び回るスピードが遅くなる。
・スピードが遅くなると、水分子が衝突する時、水素結合の力で、水分子がくっ付く。
・水分子が沢山くっ付き水滴に生長すると、雲ができあがる。
・もっと沢山くっ付くと水滴が大きくなり、雨になって降ってくる。
水は、地面や海面で、液体から蒸発して気体になります。（水の気化）
空の上では、逆に気体から液体に戻ります。（水の凝結）
次回は、地球上の水の気化と凝結の繰り返し、水の循環を扱ってみます。
- by leonrosa
- at 10:25
comments
雲が上昇して雨を降らすのは、結露の現象と同じで温度が下がると水蒸気が飽和量を超えるからだと理解していました。この飽和量を決めているのが、分子の速度と水素結合と理解していいのでしょうか？
水シリーズを通して読ませていただきました。地球上に存在する物質のなかでも、ひときわ特異な存在なのですね～。
それにしても何で地球にだけ存在するのか?それが不思議です。
前回の水の蒸発と、今回の凝縮による雨の話で、地球レベルのダイナミックな水の循環がよく分かりました。
梅雨の時期に多く雨が降ったり、場所によって雨の降る量が違っていたりとと、季節や地域によって、雨の降り方が違うのはなんでなのか、少し疑問が湧いてきました。
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雨が降る現象は、窓の結露水
窓に、霜がかかっている状態が、雲ですね。
しかしながら、
窒素分子や酸素分子では、水素結合のような強い力が無いのは、驚きでした。
hihi さんコメントありがとう。
「温度が下がると水蒸気の飽和量を超える」、『その超えた分が結露する』というのが、普通の説明ですね。
これは、現象を数値化して整理したにすぎないです。
温度って何？
そして、飽和量＝「空気中で窒素分子、酸素分子等と混在している水分子の状態」ってどんな？
という設問になりますね。
気体の温度は、気体の平均速度です。（正確には、気体の運動エネルギーの平均です。）
以下のサイトの図を参照してください。
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30305.html
温度＝水分子の平均速度
飽和量＝その温度の水分子速度（離れる力）と水素結合（くっ付く力）の大小関係
です。
finalcut さん コメントありがとう
このシリーズでは、「地球の誕生と水圏の安定化」も扱ってみる予定です。
N.Y.SALAD さん コメントありがとう
ちょっと踏み止まりましょう！
「地球レベルのダイナミックな水の循環」は、次回以降に扱う予定でーす（笑）
ダイナミックに扱うとは、より沢山の現象を同時に扱うことになります。
昼／太陽からのエネルギー放射、そのエネルギー放射を受けた地球の地表、海面、大気の状態変化
夜／地表、海面、大気からの熱放射と地表、海面、大気の状態変化
その状態変化の中で、水の大きな気化熱（吸収）、凝縮熱（放出）という特徴、物性がどんな働きをしているか
そのあたりが、次回以降です。
たっぴ さん コメントありがとう
そうなんです。
気体の水分子は、飛び回っているが、潜在的には水素結合の力をもっている。
それに対して、窒素分子や酸素分子は、水素結合という力をもたないのです。
今回のポイントに反応頂き、感謝でーす。
水蒸気が最大の温室効果ガスって聞いたことがあります。
温度＝水分子の平均速度
紹介のサイトで、水素の速度が1770で最大。
水の状態変化と、温暖化の関係が気になってきました。
parmalat さん コメントありがとう
水の状態変化と大気温度の関係は、これから扱っていこうと予定しています。
その中で、温室効果も登場します。