雪 雪のメカニズム

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/08/14 08:24 UTC 版)

雪のメカニズム

氷晶の生成

発達中の雲の中では、空気が上昇に伴い冷却され、空気に含まれる水蒸気が大気中の微粒子(エアロゾル粒子。一般的には10nm - 10μm程度の大きさ。)を核にして凝結し、水滴を生成している。雪ができるまでのプロセスは、気象学で一般に「冷たい雨」のプロセスと呼ばれる氷を経て融解して生成されるタイプのと途中まで共通している。

物理学の理論的には、気温が0 以下となり、空気に含まれる水蒸気の量が氷に対して過飽和となれば、雲の中に氷の結晶(氷晶)が生成されると考えるが、実際には分子レベルで分子が集まって氷になろうとしても、ある程度の大きさにまとまらなければ不安定のため分裂してしまう。

実験により、微粒子を含まない清浄な空気では、空気を過飽和にして0 ℃以下に冷やしても凍結せず過冷却の水滴のままであり、-33℃程度で凍結し始め、-41℃程度で完全に凍結することが知られている。実際の大気中では、巻雲ができるような高高度ではこれに近いようなことが起こっていると考えられるが、地上に降水をもたらす高度の大気には多くの微粒子が含まれるため、これほど低温まで過冷却が保たれることはない。観測によれば、雲の最頂部(雲頂)の気温が0 ℃から-4 ℃程度の雲の中はほとんどが過冷却の水滴で構成されていることが知られていて(こういった雲の中を通過する航空機は衝突した水滴が凍結して張り付く着氷の危険にさらされるという問題がある)、これより低温になるほど氷晶が多くなる。

氷晶の核となる微粒子(氷晶核という)は働く温度が異なる。土壌由来の鉱物粒子であるカオリナイトは-9 ℃、人工降雨によく用いられるヨウ化銀は-4 ℃で氷晶核として働き始めるとの報告がある。この性質の違いのため、一般的には1 m3中の氷晶核の数は、-10 ℃で10個程度、-20 ℃で1,000個程度である。しかし、氷晶には凍結の際に割れたりする増殖作用があるためそれよりもずっと数が多く、雲の中の氷晶の数は-5 ℃から-10 ℃で氷晶核の1,000-10,000倍、-20 ℃から-30 ℃で10-100倍である。

なお、氷晶は気体の水蒸気が昇華して直接固体になるものもあれば、一度凝結して水滴となったあと凍結して固体となるものもある。これは氷晶核の吸湿性の有無といった物理的性質に左右される(氷晶核を参照)。

こうしてできた氷晶は、主に昇華凝結過程、凝集(併合過程)、ライミングの3つにより成長する。

氷晶から雪片への成長

雪の結晶(ウィルソン・ベントレー撮影)

雲の中で水滴が凝結して成長する速度に比べ、水滴が昇華して成長する速度は数倍から数十倍速い。これは、過冷却水の表面よりも氷の表面のほうが飽和水蒸気圧が低いことが原因である。例えば-10 ℃での飽和水蒸気圧は、過冷却水の表面ので2.86 hPa、氷の表面で2.60 hPaである[15]。よって、-10 ℃で水蒸気圧が2.60 hPaを僅かに超えると、氷晶の周りの水蒸気が氷晶表面へと昇華し始め、氷晶が大きくなる。氷晶が大きくなるに従い、その近くにある過冷却水滴は不安定となって蒸発し、さらに氷晶表面へと昇華していく。このようにして氷晶への昇華が進む(昇華凝結過程という)。昇華凝結過程による成長速度は、氷晶が小さい時に速く、大きくなるにつれて遅くなる。

ある程度成長して昇華が遅くなった氷晶は、重さも増してくる。上昇気流の速度に対して落下の速度が打ち勝つと落下を始める。氷晶はその大きさと形状により落下速度が違う。例えば、針状の長さ1mmの氷晶は0.5 m/s2、粒状の直径1mmの氷晶は1 m/s2加速度である。速度が違うと落下途中で衝突し、跳ね返し合ったり、こわれたり、くっついたりする(凝集または併合過程という)。氷晶同士がくっついて大きくなったものは雪片という。凝集による成長速度は、雪片が小さい時に遅く、大きくなるにつれて速くなる。-12 から-15 ℃で水蒸気圧の高いときにできる「樹枝状」の氷晶はくっつきやすく、この気温のところでは大きな雪片がよくみられる。また、気温が高くなるとくっつきやすく、-5 ℃以上のところでは多くの氷晶同士がくっつきあい「牡丹雪」のような大きな雪片がよくみられる。

雲の中でできはじめた頃の氷晶は非常に小さく、直径0.01mm以下である。成長した雪は直径0.5mm - 10mm(1cm)くらいだが、大きな雪片では3cm前後にもなる。

こうしたプロセスを経て雲の底を抜け、地上に達して雪となる。成長した雪が落下する間に、周囲の高温により融解することなく地上に到達すると、雪として観測される。

霰や雹への成長

一方、上昇気流の強い雲の中では、大きな氷晶や雪片が長く浮遊を続ける場合がある。すると、氷晶や雪片は過冷却水滴と衝突し、氷の表面に張り付くように凍結して成長する(ライミング)。付着形態は凍結速度により異なり、大きく凍結の遅いようなものは薄く球形に広がるように付着するが、小さく凍結の速いようなものは粒の形状を残したままいびつな形に付着する。このようにして氷の粒ができると、霰(氷あられ)やとして降ることになる。また関連して、氷の粒同士の衝突が雲の中で繰り返されると、氷や水滴が帯電して電位差が蓄積され、しばしばが発生する。

雪片が、気温が0 ℃より高い層と気温が0 ℃より低い層を交互に通過すると、雪片のまわりの水分が再凍結して雪の結晶が混じった白色不透明の霰(氷あられ)が降ることがある。また、雪片が完全に融解して水滴になったあと気温が0 ℃より低い層を通過すると、透明な氷の粒である凍雨が降ったり、過冷却の水滴である着氷性の雨が降って地面や屋外の物体表面に雨氷と呼ばれる硬い付着氷の層ができることがある。こうした降水は逆転層の発生が関与しており、発生のしやすさは地形の影響がある。

雪・霙・雨の境目、雪の目安

松本市のデータに基づく雨雪判別図。縦軸が湿度(%)、横軸が気温(℃)、でsnow(雪)/sleet(霙)/rain(雨)の3状態が区分されている。

気温が0 ℃より高いと雪は解け始め、完全に解けるとになる。地上付近の高度で雪が解け始めているならば、天気としては雨と雪が交じったとなる。

ただし、気温が0 ℃以上であっても、空気が乾燥している場合には、昇華や蒸発によってが奪われるため、すぐには雨にはならず雪のまま地上に到達する。一方、空気が湿っている場合には、昇華や蒸発が鈍いためすぐ雨になる。一般的な経験式(後述)によれば、湿度50%では地上気温5℃でも雪になる一方、湿度90%では地上気温3℃でも雨になる[16]

雪が解け始める湿度は、地上気温にほぼ比例している。気温T℃のとき、湿度が(%)以上で雪が解け始めるといった線形の経験式が成り立つ。つまり、これ以下の湿度であれば完全に雪である。また、気温約4℃以下では、この湿度以上でもある程度の幅で融解層(霙)が存在し、もっと湿度が高くなければ完全な雨にはならない。この範囲では、湿度が(%)以上で完全に雪が溶けるといった二次式での経験式が成立する。これ以上の気温では、融解層が存在しないため、線形の経験式における湿度が高い側で完全に雨となる。融解層の幅や約4℃という境界点温度は、雪片の大きさや密度に依存し、切片が大きいほど解けにくいので幅が大きく、境界点温度は高くなる[* 2]

標高の低い平地、特に冬の太平洋側平野部で雪が降る目安として、上空1500 m(高層天気図の850 hPa相当)で-6 ℃未満、または上空5500 m(同500 hPa相当)で-30 ℃未満とされている。また、上空1500mで-12℃未満、または上空5500 mで-36 ℃未満だと大雪の可能性がある。これを高地の場合で考えるには、気温減率に沿い標高が100 m高くなるごとに約0.6 ℃ずつ上げればよい。例えば、標高2,000 mで雪が降る目安は1500 mで 6℃未満、5500 mで-18 ℃未満と考えられる。なお、南岸低気圧による本州南岸の雪は東京圏の交通への影響などのリスクが高いにもかかわらず、わずかな風向や気温の差異が雨雪判別に影響し、予報が外れる場合が多いため比較的難しいとされている[17]


注釈

  1. ^ 例えば、イヌクティトゥット語版ウィキペディアでは「雪」の項目は「ᐊᐳᑦ/aput」=「雪(一般的用法)」というタイトルが付けられている。
  2. ^ 大気中における雪片の融解現象に関する研究 気象研究所技術報告第8号、1984年3月。2章p.19-p.20に輪島、松本、日光各地のデータに基づく相対湿度と地上気温を軸にとった雨雪判別図が、同章p.15に回帰分析によって得られた近似式が掲載されている。上に挙げた二式はともに松本のもの。
  3. ^ 雪祭りは、現代では北海道の札幌市および旭川市長野県飯山市新潟県十日町市などで開催される。日本以外の地域の場合、「冬祭り」「氷祭り」「雪祭り」はあまり区別されていない。
  4. ^ 経済産業省北海道経済産業局『平成26年度北海道電力需給実績(確報)』「【表-1】総需要電力量(用途別・月別) (PDF) 」「【表-3】総発電電力量(事業用+自家用)実績 (PDF) 」(2016年6月14日)によれば、北海道の総需要電力量は、2014年(平成26年)8月は2,906,419千 kWhであるのに対して、2015年(平成27年)1月は3,776,733千 kWhであり、夏より冬のほうが電力需要が多いことが分かる。また、2014年8月の北海道の水力発電電力量は641,890千 kWhであるのに対し、2015年1月は319,457千 kWhであり、夏より冬のほうが水力発電電力量が少ないことが分かる。
  5. ^ ある主要な季語について別表現と位置付けされる季語を、親子の関係になぞらえて、親季語に対する「子季語」という。「傍題」ともいうが、傍題は本来「季題」の対義語である。なお、子季語の季節と分類は親季語に準ずる。

出典

  1. ^ a b 雪の研究室 - 北海道雪たんけん館”. 北海道雪たんけん館. 2014年2月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年2月6日閲覧。
  2. ^ a b 気象庁(1998年)『気象観測の手引き]』
  3. ^ 天気記号表”. 過去の気象データ検索 利用される方へ. 気象庁. 2012年12月2日閲覧。
  4. ^ 天気図の記号って何種類あるのですか? それと、どんなのがあるのですか?”. はれるんライブラリー 質問一覧. 気象庁. 2012年12月2日閲覧。 天気図記号の例 (PDF)”. 2012年12月2日閲覧。
  5. ^ snow grains AMS Glossaly
  6. ^ a b c d e f 気象庁 予報用語 降水
  7. ^ アスピリンスノーとは”. 北海道方言辞書. Weblio 辞書. 2017年7月11日閲覧。
  8. ^ 王子製紙 (1938年). “紙業提要”. Google Books. 2013年9月23日閲覧。 [要ページ番号]
  9. ^ アメリカ・ニューヨーク州で観測された雪結晶 (PDF)”. 菊地 勝弘. 2019年2月9日閲覧。
  10. ^ 菊地 勝弘, 亀田 貴雄, 樋口 敬二, 山下 晃「中緯度と極域での観測に基づいた新しい雪結晶の分類 -グローバル分類-」『雪氷』第74巻第3号、2012年5月、 223-241頁。
  11. ^ 小倉 2016, pp. 96–97.
  12. ^ 藤原滋水、青木輝夫「氷の色・雪の色 (PDF) 」 『天気』第40巻第3号、日本気象学会、1993年3月、 1-2頁、2012年12月3日閲覧。
  13. ^ 黄砂問題検討会中間報告書”. 大気環境・自動車対策 黄砂問題検討会報告書集. 環境省 (2004年9月). 2012年12月3日閲覧。 [要文献特定詳細情報]
  14. ^ Russia probes smelly orange snow』BBC News, 2007年2月2日
  15. ^ 第二部大気と海の科学 3-6 空気中の水蒸気 山賀進
  16. ^ 〜こんにちは!気象庁です!平成21年1月号〜[リンク切れ] 気象庁
  17. ^ 最新気象学のキホンがよ〜くわかる本[要ページ番号]
  18. ^ 雨や雪について”. よくある質問集. 気象庁. 2016年2月23日閲覧。
  19. ^ 播磨屋敏生、松尾敬世、永田雅、藤吉康志「1992年度日本気象学会秋季大会スペシャル・セッション「雪」の報告 (PDF) 」 『天気』第40巻第6号、日本気象学会、1993年6月、 pp.417-420、2012年12月3日閲覧。
  20. ^ Buffalo Lake Effect Page”. National Weather Service(アメリカ国立気象局 (2012年3月2日). 2012年12月24日時点のオリジナル[リンク切れ]よりアーカイブ。2012年12月3日閲覧。
  21. ^ Jeff Haby. “Lake effect forecasting”. theweatherprediction.com. 2012年12月3日閲覧。
  22. ^ “(風のまにまに 南会津雑記:4)只見のブナ原生林 自然首都の誇り 岡村健/福島県”. 朝日新聞デジタル(asahi.com) (朝日新聞社). (2008年5月23日). http://www.asahi.com/shimbun/nie/tenkai/kankyo4d.html 2012年5月26日閲覧。 
  23. ^ 岩槻邦男 (2003年5月26日). “世界自然遺産候補地に関する検討会について (PDF)”. (公式ウェブサイト). 世界自然遺産候補地に関する検討会. 2012年5月26日閲覧。
  24. ^ “(4)地域の暮らしと環境を活かした事例 新潟県安塚町 ~雪の活用と田舎体験~”. 平成15年度国土交通白書 (国土交通省総合政策局). (2004年7月). https://www.mlit.go.jp/hakusyo/mlit/h15/hakusho/h16/html/F1012140.html 2019年2月6日閲覧。 
  25. ^ 『近畿農政局』の『農村振興』の『農業・農村の整備』の『管内国営事業(務)所のご案内』の『国営新湖北農業水利事業』の『湖北平野の自然』”. 2010年12月7日閲覧。
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  33. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q 大辞泉
  34. ^ 大辞林 第三版 2481頁。
  35. ^ 大辞林 第三版 2726頁。
  36. ^ 鈴木牧之 編 『北越雪譜』〈岩波文庫〉1996年。  [要文献特定詳細情報]
  37. ^ 火星では夜に激しい雪が降る、研究成果”. ナショナル ジオグラフィック 日本語版. 2020年12月13日閲覧。






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