I9雲の生成と成長22問

①一般に、海洋上では陸上に比べて単位体積に含まれるエーロゾルの数が少なく、より大きな粒径の雲粒子が存在する。🟢

エーロゾルの数密度は、陸上（特に都市部）では約 1011 個/m³ と高いですが、海洋上では約 109 個/m3 と低いです。この差により、陸上では水蒸気が多くのエーロゾルに分散して凝結するため雲粒が小さく、海洋上では１粒に凝結する水蒸気量が多くなるため雲粒が大きくなります。
したがって、一般に、海洋上では陸上に比べて単位体積に含まれるエーロゾルの数が少なく、より大きな粒径の雲粒子が存在しますので、答えは正です。

②水溶性のエーロゾルの働きによって大気中に発生した水滴は、化学物質が溶解しているため、相対湿度が100%未満でも水滴として存在できる場合がある。

水溶性エーロゾルによって形成された水滴（溶液）は、純水の水滴よりも飽和水蒸気圧が低く、相対湿度が 100%未満でも安定して存在できることがありますので、答えは正です。

③一般に、大気中の氷晶核の数は凝結核の数に比べて少ない。

凝結核は水蒸気を凝結させる役割を持ち、海上では 109 個/m³ 程度、陸上では 1010 個/m³ 程度、都市部では 1011 個/m³ 程度と非常に多く存在します。
一方、氷晶核は氷晶の形成を助ける役割を持ちますが、その数は極めて少なく、例えば、気温が−20℃では 103 個/m³ 程度、−10℃の時は 10 個/m³ 程度しかありません。
したがって、一般に、大気中の氷晶核の数は凝結核の数に比べて少ないので、答えは正です。

④過冷却水滴を含む雲の中で、水滴よりも氷晶のほうが速く成長するのは、０℃未満では、氷面に対する飽和水蒸気圧が水面に対するものより高いからである。

過冷却水滴を含む雲の中で、水滴よりも氷晶のほうが速く成長するのは、０℃未満では、氷面に対する飽和水蒸気圧が水面に対するものより「高い」ではなく「低い」からですので、答えは誤です。

⑤氷晶の生成に重要な働きをする氷晶核は、エーロゾルの一種で、水蒸気を凝結させる働きをする凝結核よりも一般に数が少ない。

氷晶核はエーロゾルの一種であり、凝結核よりも数が少ないので、答えは正です。

⑥氷粒子と過冷却水滴が共存する雲の中では、氷面に対する飽和水蒸気圧が水面に対する飽和水蒸気圧よりも低いことにより、昇華による氷粒子の成長が進みやすい環境となっている。

氷粒子と過冷却水滴が共存する雲の中（＝つまり、同じ温度の時）では、氷面に対する飽和水蒸気圧は水面に対する飽和水蒸気圧より低くなります。
したがって、氷粒子と過冷却水滴が共存する雲の中では、氷面に対する飽和水蒸気圧は水面に対する飽和水蒸気圧よりも低く、昇華による氷粒子の成長が進みやすいので、答えは正です。

⑦異なる落下速度の氷粒子どうしが衝突して付着する割合は、氷粒子の形や大きさにより違うが、温度には依存しない。

異なる落下速度の氷粒子（＝氷晶）どうしが衝突して付着・成長したものを雪の結晶といいます。
下図のように、雪の結晶の種類には、柱状結晶や、角板状結晶、樹枝状結晶などがあります。
この雪の結晶の成長には、氷粒子の形や大きさだけでなく、温度（上図の横軸）や水蒸気量（上図の縦軸。過飽和度や氷過飽和水蒸気密度ともいう）も影響しています。
さらに、過飽和度が大きいということは、氷面から出ていく水分子よりも、氷面に入ってくる水分子の方が多いということなので、過飽和度が大きいほど雪の結晶は成長しやすくなります。
例えば、同じ気温でも、過飽和度が大きいときにできる樹枝状結晶の方が、過飽和度が小さいときにできる厚角板状結晶よりも成長しやすいということになります。
したがって、異なる落下速度の氷粒子どうしが衝突して付着する割合は、氷粒子の形や大きさにより違い、「温度には依存しない」わけではなく「温度と水蒸気量にも依存します」ので、答えは誤です。

⑧雪が落下するとき、空気が乾燥しているほど、雪は融解して雨になりやすい。

雪が落下するとき、空気が乾燥しているほど、雪は昇華によって質量が失われて、粒径が小さくなります。昇華には固体（雪）から気体（水蒸気）になるための大量の熱（＝昇華熱）が必要で、その熱は雪の結晶から奪われます。
その結果、雪の結晶自体は昇華により小さくなりますが、雪の結晶そのものが冷やされるので、雪が融解して雨になりやすくなるわけではありません。
雨か雪かの判別は気温と湿度で推定することができます。上図のように、同じ気温であっても、湿度が低い（＝乾燥している）ほど、雨ではなく雪として降ってきやすいという特徴があります。
これは、湿度が低いほど昇華が激しく起こり、雪の結晶の温度が大きく下がるためです。したがって、雪が落下するとき、空気が乾燥しているほど、雪は融解して雨になりやすいわけではないので、答えは誤です。

⑨雲内での水滴の併合過程では、単位体積に含まれる水滴の質量の合計が同じであれば、大きさの異なる水滴が多数存在している場合よりも、大きさが一様な水滴が多数存在している場合の方が、水滴が速く成長する。

単位体積に含まれる水滴の質量の合計が同じであれば、大きさが一様な水滴が多数存在している場合よりも、大きさの異なる水滴が多数存在している場合の方が、水滴が速く成長しますので、答えは誤です。

⑩過冷却水滴を含む雲内に生成された氷晶は、過冷却水滴と衝突・併合する過程がないと雪に成長して地上に降ってくることはできない。

氷晶の成長過程は「過冷却水滴との衝突による成長」の他に「水蒸気の昇華凝結による成長」と「氷晶同士の衝突による成長」があるため、答えは誤です。

⑪凝結核を持たずに形成された純水の微小水滴では、表面張力の作用により、水滴が小さいほど、より小さな過飽和度で水蒸気が凝結する。

凝結核を持たずに形成された純水の微小水滴では、水滴が小さいほど水蒸気が凝結するためにはより「小さな」過飽和度ではなく「大きな」過飽和度が必要であるため、答えは誤です。

⑫水溶性のエーロゾルを凝結核として形成された微小水滴は、同じ大きさの純水の微小水滴よりも、水滴の表面に対して平衡する水蒸気圧が低いため、凝結による成長が起こりやすい。

一般に化学物質が溶けた水（＝溶液）に対する飽和水蒸気圧は、純粋な水の飽和水蒸気圧より低いという性質があります。「塩の潮解性を考えると…水と仲が良いと考えるとよい。つまり成長しやすい。」

水溶性のエーロゾルを凝結核として形成された微小水滴は、同じ大きさの純水の微小水滴よりも、水滴の表面に対して平衡する水蒸気圧が低く、凝結による成長が起こりやすいため、答えは正です。

⑬上空では雪片だった降水粒子が、落下して周囲の気温が０℃となる高度を通過すると、融けて雨滴になる。雪片が融けて雨滴になる途中の状態は、雨滴よりも粒が大きく、固体(雪)の表面が液体で覆われている状態で、いわゆる「みぞれ」である。

雨粒の大きさは直径約１～２mm のものが多く、直径約０.５mm以下になると霧雨、雷雨の時は直径約３～５mmになることもあります。
（ちなみに、これまで観測された雨粒の最大の大きさは直径約７mm で、それ以上の大きさになると、空気抵抗などの影響により分裂し、小さくなってしまいます。）
一方、雪片は落下途中で衝突してくっついたりすることで成長し、大きな雪片では直径約３cm になることもあります。
みぞれは、融けかけの雪ですので、大きさは雪片とあまり変わらず直径約３cm になることもあります。
したがって、雪片が融けて雨滴になる途中の状態（＝みぞれ）は、雨滴よりも粒が大きく、固体（雪）の表面が液体で覆われていますので、答えは正です。

⑭凝結核となる微粒子を含まない過冷却水滴は、周囲の気温が−20℃まで低下すると自発的に氷晶となる。

水滴が凝結核となる微粒子を含まない場合、０℃以下になってもすぐに凍結せず、過冷却水滴として存在し続けます。
特に、不純物を全く含まない純水の水滴は、−40℃程度までは自発的に凍結することなく、過冷却水滴として存在することが分かっています。
したがって、凝結核となる微粒子を含まない過冷却水滴は、周囲の気温が「−20℃」ではなく「 −40℃以下」まで低下すると自発的に氷晶となりますので、答えは誤です。

⑮日本では、氷晶と過冷却水滴が共存している冷たい雲から冷たい雨が降ることはほぼない。

氷晶と過冷却水滴が同時に存在する雲を冷たい雲といい、冷たい雲から降る雨を冷たい雨といいます。
日本では、雲が形成される高度での気温が０℃以下である場合が多いため、冷たい雲ができやすく、冷たい雨も多く観測されています。
したがって、日本では、氷晶と過冷却水滴が共存している冷たい雲から冷たい雨が降ることは「ほぼない」ではなく「よくあります」ので、答えは誤です。

⑯暖かい雲の中では、凝結過程と併合過程により雲粒が生成されて成長する。

雲の温度が０℃以上で、雲の形成過程において氷晶を含まない雲を暖かい雲といい、暖かい雲から降る雨を暖かい雨といいます。
暖かい雲の中では、過飽和の状態になった水蒸気が凝結核の働きによって凝結し、異なる大きさの雲粒となります。この成長過程を凝結過程といいます。
さらに、大きい雲粒ほど落下速度が大きいので、雲粒が落下する過程で大きい雲粒が小さい雲粒にぶつかってくっつくことでより大きく成長します。
この成長過程を併合過程といいます。したがって、暖かい雲の中では、凝結過程と併合過程により雲粒が生成されて成長しますので、答えは正です。

⑰一般に、雲内の水滴が併合過程で成長する場合の水滴の半径の単位時間あたりの増加率は、水滴の成長に伴って大きくなる。

雲内に異なる大きさの水滴が存在する場合、半径が大きく、落下速度が大きな水滴は、衝突・併合過程によってさらに大きくなりますので、水滴が大きく成長するのに伴って、水滴の半径も加速度的に大きくなります。
したがって、一般に、雲内の水滴が併合過程で成長する場合の水滴の半径の単位時間あたりの増加率は、水滴の成長に伴って大きくなりますので、答えは正です。

⑱気温が同じ場合、大気が乾燥しているほど、氷晶は落下途中で融解しやすく、地上では雨になりやすい。

氷晶の融解速度は、氷晶が周囲の空気から熱伝導で受け取る熱（顕熱）と、氷晶の昇華の際に氷晶の表面から奪われる熱（潜熱）の大小関係で決まります。
気温が同じ場合、空気が乾燥しているほど、氷晶の表面からの昇華が多くなるので、氷晶が受け取る熱より氷晶の表面から奪われる熱のほうが多くなります。
したがって、気温が同じ場合、大気が乾燥しているほど、氷晶は落下途中で融解「しやすく」ではなく「しにくく」、地上では「雨」ではなく「雪」になりやすいので、答えは誤です。