入道雲（積乱雲）は、なぜあんなに高く成長するの？
― 上昇気流という「エンジン」のしくみ
夏の午後、青空にぽつんと浮かんでいた小さな白い雲が、1時間もしないうちに、見上げるほど巨大な塔のような雲に育っていることがあります。この「入道雲」、気象の用語では「積乱雲」と呼ばれる雲は、ときに高さ10kmを超えるとされています。雲は、いったい何を燃料にして、これほどまで高く成長するのでしょうか。
真夏の暑い日、遠くの空にもくもくと盛り上がるような、真っ白な雲が見えたことはないでしょうか。しばらく目を離してからもう一度見ると、さっきよりもずっと大きく、上に向かって伸びているように感じることがあります。
ほかの雲、たとえば空一面に薄く広がる雲とは違い、入道雲はひとつの塊が、まるで生き物のように上へ上へと盛り上がっていくのが特徴です。この雲の中では、いったいどんな力がはたらいているのでしょうか。
実は入道雲の成長には、「あたたかい空気の上昇」だけでは説明しきれない、もうひとつの仕掛けがあるとされています。
太陽で熱せられた地面が空気をあたため、まわりより軽くなった空気のかたまりが上昇気流となって昇っていきます。
上昇した空気の中の水蒸気が冷えて水滴に変わるとき、熱が放出され、まわりの空気をさらにあたためて、上昇を加速させると考えられています。
この「上昇がさらなる上昇を呼ぶ」しくみを、順番に見ていきます。
なぜ、あたたかい空気は上に昇るのか
空気は、あたためられると膨張し、同じ体積あたりの重さ（密度）が軽くなるとされています。まわりの空気より軽くなった空気のかたまりは、水の中で気泡が浮き上がるのと同じように、上へ向かって昇っていくと考えられています。夏の強い日差しで地面が熱せられると、その上の空気も次々とあたためられ、勢いのよい上昇気流が生まれます。
雲ができる高さ：空気が冷えて水蒸気が水滴に変わる場所
上昇していく空気は、上空にいくほど気圧が下がるため、膨張しながら少しずつ温度が下がっていくとされています。空気の温度が、その中に含まれる水蒸気が水滴に変わり始める温度（露点）まで下がると、そこで水蒸気が目に見える小さな水滴に変わり、雲ができ始めます。この高さは、地表の気温と露点の差が大きいほど、より高い場所になるという関係が知られています。
雲の中で水蒸気が水滴に変わるたびに、成長を後押しする熱が生まれ続けているのです。
水蒸気が水滴に変わるとき、熱が放出される「エンジン」のしくみ
水蒸気が水滴に変わる（凝結する）とき、「凝結熱」と呼ばれる熱が周囲に放出されるとされています。この熱によって、雲の中の空気は、まわりの空気よりもさらにあたたかく、軽い状態が保たれます。あたたかいままの空気は、さらに上へ昇り続けようとするため、次々と上昇と凝結がくり返され、雲がどんどん高く伸びていく、というわけです。
この「上昇するほど熱が生まれ、その熱がさらなる上昇を後押しする」という自己加速的なしくみがあります。これこそが、入道雲がわずか数十分から1時間ほどで、巨大な塔のような姿にまで成長できる理由だと考えられています。
成長した積乱雲の頂上が、横に平らに広がった「かなとこ雲」という形になることがあります。これは、上空のある高さから先は、周囲の空気の温度がそれ以上下がりにくい、安定した層になっているためだとされています。上昇してきた雲の空気は、その層を越えられずに横方向へ広がっていくと考えられています。
自分で確かめられること
- 夏の晴れた日の午後、もくもくと盛り上がった雲を見つける
- 安全な場所から、10〜15分おきに、同じ方角の写真を撮る（スマートフォンでよい）
- 撮った写真を並べて、雲の高さや形がどう変化したかを見比べる
- 朝や午前中の雲と、気温が上がった午後の雲とで、成長の勢いに違いがないかも観察する
積乱雲が急速に発達しているときは、短時間の激しい雨や雷、突風をともなうことがあります。観察は、安全な屋内や、すぐに屋内へ避難できる場所から行ってください。
まとめ
入道雲（積乱雲）は、地表であたためられた空気が上昇気流となって昇り続けることで生まれます。上昇した空気の中の水蒸気が水滴に変わるとき、凝結熱と呼ばれる熱が放出されます。この熱がさらに上昇を後押しするという自己加速的なしくみによって、短時間のうちに巨大な高さまで成長すると考えられています。上空の安定した層に達すると、それ以上は上に伸びられず、頂上が横に広がっていきます。
入道雲のあの迫力は、風にただ流されているのではなく、雲自身が生み出す熱によって、内側から押し上げられている姿なのです。
もっと知りたい人へ ― 用語・数値・教科書とのつながり中学理科から研究中の話題まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「地学基礎」で習う範囲
- 高校＋高校の「地学」、または教科書の発展・コラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（大気力学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：入道雲をめぐる言葉
- 上昇気流：まわりより軽くなった空気が、上へ昇っていく流れ。
- 露点：空気中の水蒸気が、水滴に変わり始める温度。
- 凝結熱：水蒸気が水滴に変わるときに、周囲に放出される熱。
高校式で確かめる：雲ができ始める高さと、成長にかかる時間
気温と露点の差から雲ができ始める高さを、上昇気流の速さから雲の成長にかかる時間を、それぞれ目安として計算してみます。
雲ができ始める高さ（m）＝ 122 ×（気温 － 露点）
| 気温・露点 | どちらも地表での値（℃） |
| 122 | 気象で目安として使われる、経験的な係数 |
| 気温と露点の差（℃） | 30 − 18 ＝ 12 |
| 雲ができ始める高さ（m） | 122 × 12 ＝ 1464 |
| 結果 | 地表からおよそ1464m（約1.5km） |
※ この式は、気象の分野で目安として使われている経験的な近似式です。
| かかる時間（秒） | 9000 ÷ 15 ＝ 600 |
| 秒を分に直す | 600 ÷ 60 ＝ 10 |
| 結果 | 約10分 |
あくまで目安の計算ですが、高さ9000mもの巨大な雲が、わずか10分ほどで一気に上昇気流に押し上げられることになります。実際の入道雲の成長には、上昇気流の強さの変化なども関わるため、この時間どおりに一定の速さで進むわけではないとされています。
高校＋「浮力」を生み続ける、正のフィードバック
上昇する空気のかたまりが、まわりの空気より軽い状態を保ち続けることを、専門的には「正の浮力を持つ」と表現します。凝結熱の放出によってこの浮力が保たれ続けることが、積乱雲のような強い上昇気流が長く持続する理由だと考えられています。この上昇のしやすさの度合いは、気象の分野で「対流有効位置エネルギー（CAPE）」と呼ばれる指標で表されます。
大学積乱雲の内部を流れる、複雑な空気の動き
大気力学の分野では、積乱雲の内部に強い上昇気流だけでなく、雨粒の落下にともなう下降気流も同時に存在し、複雑に入り組んだ空気の流れをつくっていることが知られています。この上昇と下降の流れの関係が、雲の寿命や、局地的な激しい雨の降り方に影響していると考えられています。
研究まだ、はっきりしていないこと
- 積乱雲が、いつ・どこで急激に発達するかを、より正確に、より早く予測する技術は、気象学の分野で、いまも研究が続けられているテーマです（いわゆる「ゲリラ豪雨」の予測精度向上）。
- 地球全体の気温が上がることで、積乱雲の発達の勢いや頻度がどう変化していくかについても、気候学の分野で研究が進められています。
- 高解像度の気象レーダーやスーパーコンピュータを使った数値シミュレーションによる、短時間先の雲の発達予測技術の開発も進んでいます。
夏空にそびえる入道雲には、大気力学と気候学が交わる、いまも研究が続く豊かなテーマが詰まっています。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科・雲のでき方 | 上昇気流・露点・凝結熱の基本用語 |
| 高校 | 地学基礎・大気と雲 | 雲ができる高さと成長時間の計算 |
| 高校＋ | 地学・大気の安定度（発展） | 正の浮力とCAPEの考え方 |
| 大学 | 大気力学 | 積乱雲内部の上昇流と下降流の構造 |
| 研究 | 気象学・気候学（研究中） | 急発達の予測技術、気候変動下の変化傾向 |
- 気象学関連の教科書・資料における、積乱雲の発達過程に関する解説。
- 地学関連の教科書における、雲の発生高度の近似式に関する解説。
- 大気力学分野における、対流有効位置エネルギー（CAPE）と積乱雲の発達に関する研究レビュー。
- 気象学分野における、局地的大雨（いわゆるゲリラ豪雨）の予測技術に関する研究レビュー。
- 気候学分野における、気候変動と対流活動の変化傾向に関する研究レビュー。
※ 雲ができる高さの式や成長時間は、目安の近似計算です。実際の値は、その日の大気の状態によって大きく変わることがあるとされています。
※本記事は一般向けの科学解説です。積乱雲が急速に発達しているときは、落雷や突風、急な強い雨のおそれがあります。空の様子が急に変わってきたら、早めに頑丈な建物の中など安全な場所へ移動してください。