身近な科学 ASL-004 · 第3版
雲はなぜ落ちないのか～粒の運動から、衛星で測る気候の不確実性へ
まず、短い答え
雲が空に残るのは、水が重力を受けなくなるからではありません。小さな水滴は空気に対してゆっくり落ち、空気そのものの上昇や、凝結と蒸発による粒の入れ替わりが雲の姿を作ります。この身近な疑問は、粒の大きさと抵抗の数学、雲を生む微粒子、地球の熱の出入りへつながります。2026年には、日欧の観測衛星EarthCARE（アースケア、愛称はくりゅう）のデータで雲内部の鉛直運動を検証する研究が紹介されました。『雲があるか』に加え、『中で何がどちらへ動くか』を調べる理由を考えます。
身近なたとえで考える
川に対して下流へ泳いでいる人でも、川の流れと組み合わせた岸からの動きは別に考えます。同じように、雲滴が空気に対して下へ落ちる速度と、その空気が地面に対して上昇する速度は別の量です。空気の上昇が粒の落下を上回る場所なら、粒は地面から見て上へ移動できます。
図で見る仕組み
見える雲の主成分は、気体の水蒸気ではなく、小さな液体の水滴や氷粒です。粒が空気に対して落下すると抵抗が働き、条件が一定なら重力などとつり合う速さへ近づきます。これが終端速度です。さらに空気自体が動くため、粒の地面に対する動きは、空気の運動と空気に対する粒の運動を合わせて決まります。雲の形には、同じ場所で新たな粒ができ、別の粒が蒸発する過程も関わります。（要約：NOAA『CLOUD DEVELOPMENT』『How Clouds Form』、2026年10月20日確認）
もう少し詳しく
ここでは液体の小さな球形の雲滴を使って基礎を説明します。大きな雨滴や形の複雑な氷晶、強い乱流を同じ式で精密に計算できるとは扱いません。天気や災害の予測、個別の雨雲の危険度判定ではなく、粒子の物理と、その測り方についての記事です。
落ちている粒が、地面からは上昇して見える
まず、落下という言葉の基準を決めます。空気が上向きに動いている場所で、粒がその空気に対して下へ落ちているとします。地面から見た粒の動きは、二つの速度を合わせたものです。上向きを正に取れば、空気の上昇速度から、粒の空気に対する下向きの速さを引いて求められます。粒と空気を別々に考えるだけで、『重いのに空にある』という見かけの矛盾がなくなります。
この関係で、粒の終端速度より空気の上昇が速ければ、粒は地面に対して上昇します。同じならその場にとどまり、上昇が弱ければ地面へ向かって下がります。これは重力が消えたり、粒が空気より軽くなったりした結果ではありません。下向きの力を受けることと、地面に対して必ず下へ動くことは別です。
ただし、どの雲にも同じ上昇流があるわけではありません。強い対流の雲、広い範囲へ層状に広がる雲、山の付近で生まれる雲などでは、空気の動きも粒の育ち方も違います。ある高さで雲が見え続けても、同じ水滴がずっとそこに止まっているとは限りません。粒ができる場所と蒸発する場所の配置によって、形が保たれる場合もあります。
NOAAの雲形成の解説は、上昇して冷えた空気で凝結が進む一方、周囲の乾いた空気との混合で蒸発も起こることを説明しています。雲を固定した白い物体として眺めるより、粒が作られ、運ばれ、消える過程として考えるほうが、実際の変化に対応できます。（要約：NOAA『How Clouds Form』、2026年10月20日確認）
w粒 = w空気 − vt
粒が小さくなると、落下はどれだけ遅くなるか
落下中の粒は、空気を押しのけながら動きます。周りの流れが穏やかな小さな球では、粘性による抵抗を使って速さを近似できます。粘性は、流体の隣り合う部分が違う速さで動くときに、その差をならす性質です。粒が速く動くほど抵抗は大きくなり、重力から浮力を差し引いた力とつり合うと、速さがほぼ一定になります。
ストークス則を使った下の式で注目するのは、半径rが2乗されていることです。ほかの条件を同じにして半径を2倍にすれば、模型での終端速度は4倍です。半径を半分にすれば4分の1になります。重さは粒の体積、つまり半径の3乗に比例するのに対し、この条件での抵抗には半径が1乗で入るため、つり合う速さに半径の2乗が残ります。
レイノルズ数は、流れの慣性と粘性のどちらが効くかを比べる無次元の数です。この近似には、粒の周りのレイノルズ数が十分に小さいこと、粒がほぼ球であること、空気を連続した流体として扱えることなどの条件があります。粒表面での空気のすべりを無視した抵抗を使うため、非常に小さな粒ではすべり補正が必要になります。小さいほど何にでも同じ式が使える、というわけではありません。
大きな雨滴では周囲の流れや形が変わり、氷晶では球からのずれが大きくなります。乱流や粒どうしの衝突も、この単純な計算には入っていません。NASAの雲微物理資料でも、雲粒と降水サイズの粒では落下の扱いを変えると説明しています。ここで示す半径1対2、速度1対4は、法則の比例関係を比べる自作の模型であり、雲や雨を実測した値ではありません。（参照：NASA ISCCP『Equations on Cloud Microphysics』、歴史資料として公開継続中）
vt = 2 (ρ水 − ρ空気) g r² / (9 η)
湿度100％だけでは、粒の誕生を説明しきれない
雲を生む水滴は、水蒸気が冷えればどこからでも同じように現れるわけではありません。海塩、土壌由来の粒子、燃焼などで生まれた微粒子の一部は、水を取り込み、雲凝結核として働きます。凝結核という名前は、粒の材料名ではなく、ある条件で雲滴へ成長できる働きを表します。粒が大きいか、水を取り込みやすい成分を含むかでも、その条件は変わります。
相対湿度は、その温度での基準となる飽和水蒸気圧に対して、水蒸気圧がどのくらいあるかを表します。100％を少し超える状態を過飽和と呼びます。雲の微物理では、その『少し』と、水滴表面の曲がり方、溶けている物質の効果を区別して考えます。気体の水分子が、液体の表面へ入りやすい条件と出やすい条件を比べる必要があるためです。
小さな水滴は表面の曲がりが強く、平らな水面とは平衡の条件が違います。一方、水に溶けた塩なども平衡の条件を変えます。この二つの効果を組み合わせる考え方がケーラー理論です。条件を満たして雲滴として育ち始める過程を活性化と呼びます。これは、核があればいつでも同じ大きさの水滴ができる、という単純な対応ではありません。（要約：Grabowski・Pawlowska『Atmospheric Chemistry and Physics』2025年論文の序論）
空気が上昇して冷える速さと、粒が水蒸気を取り込む速さも関係します。凝結できる粒が増えれば、水蒸気を取り合う条件も変わります。湿度や核の数のうち一つだけを固定して、現実の雲の粒径を言い当てることはできません。測定では粒の数や大きさ、組成、空気の動きを組み合わせます。下の式は過飽和の定義で、実在の雲の値を示したものではありません。
s = e / es(T) − 1
小さな粒の違いが、地球の熱の出入りに関わる
地球には太陽からエネルギーが届き、地球からも宇宙へエネルギーが出ていきます。光や赤外線によるこの出入りを考えるのが、放射収支です。雲と、大気中に浮遊する固体や液体の微粒子であるエアロゾルは、その収支に影響します。JAXAのEarthCAREミッション解説は、この効果に関する理解が気候予測の不確実性に関わると説明しています。（要約：JAXA『雲エアロゾル放射ミッションEarthCARE』、2026年10月20日本文確認）
そこで調べたいのは、空に白い部分が何割あるかという情報だけではありません。どの高さに雲粒やエアロゾルが分布し、雲の粒がどちらへ動くかも、雲の状態を理解するための情報です。同じ広さの雲が写っていても、内部の粒の分布や動きまで同じとは判断できません。地上からの見た目と、鉛直方向に調べた内部の構造を分けて考えます。
雲滴の形成を考える段階でも、凝結核の粒径や吸湿性と、空気の冷却速度などによって、核のうち雲滴へ成長する割合が変わります。粒子数だけから、その割合を一意に決めることはできません。さらに、この粒の成長の説明から、雲全体の寿命や地球の冷却効果を直接計算できるわけでもありません。（要約：Grabowski・Pawlowska『Atmospheric Chemistry and Physics』2025年論文の序論）
予測の不確実性を減らすには、計算が自然のどの過程を表しているかを確かめる必要があります。EarthCAREでは、雲やエアロゾルの分布、粒の上昇・下降、放射を組み合わせて観測することが、この目的につながっています。衛星で一つの値を測れば気候予測が完成するのではなく、異なる情報を組み合わせ、物理を使った計算と照らし合わせます。
衛星は粒の落下と空気の動きをどう見分けるか
EarthCAREは、雲やエアロゾル、放射を複数の観測機器で調べる日欧の衛星です。搭載された雲プロファイリングレーダは、雲粒などから戻る電波の変化を使って、衛星から見た粒の鉛直方向の動きを調べます。ドップラー効果は、動く対象によって信号の周波数などが変わる現象です。ただし、その速度を、そのまま空気の上昇速度と呼ぶことはできません。
粒は空気に対して落下しているため、観測した動きには空気の運動と粒の落下が重なります。冒頭の速度の式が、観測を読むときにも関係します。特に氷粒子は形や大きさの幅があり、どのくらいの速さで落ちるかを推定するには、粒の性質を考慮する必要があります。粒の落下を適切に扱わなければ、空気の鉛直運動の見積もりも変わります。
2026年1月20日にJAXA、東京大学、九州大学が紹介した研究では、EarthCAREのドップラー速度を、高解像度の全球雲解像モデルと組み合わせ、氷粒子の落下速度や大気の鉛直運動を検討しています。衛星の観測と、物理を使った計算を照合する研究であり、衛星が雲内部の空気速度をすべて直接測ったという意味ではありません。（要約：共同発表『EarthCARE衛星で雲内部の鉛直運動を検証する時代を拓く』）
計算と観測が合わなければ、粒の落下の表し方に問題があるのか、空気の動きが違うのか、観測の感度や補正が影響しているのかを検討します。逆に一致しても、その一例で全種類の雲が正しく表現できたとは限りません。粒の速さという小さな物理量を、地球規模の観測と結び付けて確かめることが、雲と気候を学ぶ現在の研究につながっています。
理解を深める問い
衛星から粒が下向きに動くのを観測したとき、それだけで空気も下降していると判断できますか。粒の落下速度が別に必要な理由と、その粒の大きさや形をどう確かめるかを考えてみてください。
根拠を確かめながら、自分の考えと照らし合わせてみてください。
理解の確認
小さな球の終端速度が半径の2乗に比例する模型で、半径だけを2倍にすると、速さは何倍になりますか。
答えと理由を読む
4倍になります。
2の2乗は4です。ただし、同じ密度・空気の粘度、低レイノルズ数などの仮定が保たれる範囲での比較です。大きな雨滴や氷晶へそのまま外挿することはできません。
出典と確認日
以下の一次資料を読み、独自の日本語で説明した記事です。資料の図や本文は転載していません。
- CLOUD DEVELOPMENT
NOAA / National Weather Service · 公的気象機関の専門教材
確認：2026年10月19日 · 発表日は資料から確定できず。Making Clouds and Rainの雲滴、小ささ・抵抗・上昇流を実読。記事内の代表粒径・速度・所要時間数値は採用せず、全雲に一般化しない。
- Precipitation
NOAA / JetStream · 公的機関の科学解説
確認：2026年10月19日 · 発表日は資料から確定できず。衝突・合体過程と氷晶過程を実読。災害予測には使用しない。
- How Clouds Form
NOAA / JetStream · 公的機関の科学解説
確認：2026年10月19日 · 発表日は資料から確定できず。Temperature's roleを実読。湿度の厳密な閾値や核の寸法には踏み込まない。
- Rain
Met Office · 公的機関の科学解説
確認：2026年10月19日 · 発表日は資料から確定できず。What is rain?を中心に、気体の水と液滴、水滴成長の区別を照合。
- 雨が降ったとき、雲はどうなっているの？
気象庁 はれるんランド · 気象庁の気象解説
確認：2026年10月20日 · 発表日は資料から確定できず。日本語HTML回答の上昇流、水滴の衝突・合体、成長した水滴の落下、蒸発の段落を実読。積雲の一例としての説明であり、すべての雲が常に上昇流だけで支えられるという一般化はしない。仮定の雲寿命は記事へ転用しない。
- 雨が降る仕組みと急な大雨
気象庁（仙台管区気象台サイト） · 気象庁の教材
確認：2026年10月20日 · 発表日は資料から確定できず。日本語PDF全7ページのテキストを取得し、PDF1ページ「説明 雨が降る仕組み」の小さな水・氷粒、成長と落下の説明を実読。災害時の行動助言には転用しない。水蒸気の凝結機構や氷晶過程の詳細まで本資料だけで検証したとは扱わない。
- Equations on Cloud Microphysics
NASA Goddard Institute for Space Studies / ISCCP · 公的機関の科学解説
確認：2026年10月20日 · 発表日は資料から確定できず。落下、凝結、衝突の節を実読。小球の落下で半径2乗が現れること、降水サイズで修正すること、過飽和0.001と相対湿度100.1%の対応を照合。冒頭に更新停止・歴史資料の注意があるため現在の衛星運用や最新成果の出典にはしない。
- Terminal Velocity: CloudMicrophysics.jl
Climate Modeling Alliance / CloudMicrophysics.jl 開発者 · 研究用ソフトウェアの公式文書
確認：2026年10月20日 · 発表日は資料から確定できず。Cloud liquid dropletsのストークス領域の式vt=(2/9)(ρwater−ρair)g r²/μairを照合。研究ソフトウェアの公式開発版資料であり、固定版の独立検証や全球観測値ではない。使用式はNASA資料とも比例関係を照合。
- Technical note: Phase space depiction of cloud condensation nuclei activation and cloud droplet diffusional growth
Wojciech W. Grabowski（NSF NCAR） / Hanna Pawlowska（ワルシャワ大学） / Atmospheric Chemistry and Physics · 査読済み研究論文
確認：2026年10月20日 · 発表：2025-05-26。HTML要旨、1 Introduction、2 The phase space diagramを実読。表面曲率と溶質、核のサイズ・吸湿性、周囲の過飽和と平衡過飽和の違い、凝結・蒸発、冷却速度との関係を照合。受理2025-03-10、公開2025-05-26を確認。研究の数値計算全体の再現は未実施。DOI 10.5194/acp-25-5273-2025。
- EarthCARE衛星で雲内部の鉛直運動を検証する時代を拓く
東京大学 / 宇宙航空研究開発機構（JAXA） / 九州大学 · 公的機関・大学の研究発表
確認：2026年10月20日 · 発表：2026-01-20。全6ページ抽出取得、1〜3ページの概要・手法・結果と5ページの用語説明を実読。ドップラー速度が粒の落下と空気の運動を含むこと、NICAM比較と衛星シミュレータ、推定誤差を確認。Scientific Reports論文DOI 10.1038/s41598-025-32256-8は書誌照合のみで論文本文全編の精読・データ再解析は未実施。JAXA HTML：https://www.jaxa.jp/press/2026/01/20260120-2_j.html 。
- Slip Correction Measurements of Certified PSL Nanoparticles Using a Nanometer Differential Mobillity Analyzer (Nano-DMA) for Knudsen Number From 0.5 to 83
NIST / Jae H. Kim, George W. Mulholland, S. R. Kukuck, D. Y. Pui · 公的機関による論文要旨
確認：2026年10月20日 · 発表：2005-03-01。NIST掲載の要旨を実読。ナノ粒子と低圧の条件で、すべり補正と不確かさが測定されていることを確認。雲滴の実測ではなく、模型の連続体・すべりなし条件を無制限に外挿しないための補助資料。論文全編を検証したとは扱わない。
- 雲エアロゾル放射ミッション「EarthCARE」
宇宙航空研究開発機構（JAXA） · 公的な宇宙観測計画の解説
確認：2026年10月20日 · 発表日は資料から確定できず。2026-10-20 JSTに公式URLを1回openしてHTML本文を取得。『気候変動予測の精度向上に貢献』の四つのセンサ、雲・エアロゾルの放射収支への効果と予測不確実性、鉛直分布や雲粒の上昇下降の観測目的を実読。ページ内の別の研究紹介や将来効果の数値は根拠にしない。V3-SCI-009の検索抜粋依存を避け、一般説明だけに限定して採用。
主張と出典の照合メモ
ASL-004-C1 雲は小さな水滴や氷粒であり、空気との相対運動と凝結・蒸発を含む入れ替わりを考える必要がある。対応する出典：SRC-007、SRC-009、SRC-015。水蒸気と見える雲を区別する。すべての雲が強い上昇流のみで支えられるという説明にしない。
ASL-004-C2 小さな球形粒子の低レイノルズ数近似では終端速度が半径の2乗に比例し、密度差と空気の粘度にも依存する。対応する出典：V3-SCI-006、V3-SCI-007、V3-SCI-011。浮力を含めたストークス近似を説明用に使用。すべり補正を省いた連続体・表面すべりなしの模型で、降水粒子・氷晶・極小粒子へ無制限に適用しない。比率計算は測定値ではない。
ASL-004-C3 凝結核の粒径や吸湿性、周囲の過飽和が、雲滴としての成長に関わる。対応する出典：SRC-009、V3-SCI-008。2025年の査読論文の要旨・序論・理論説明を照合。数値計算全体や個別観測値の再現はしていない。核の数だけで雲滴数が一意に決まるとは述べない。
ASL-004-C4 凝結核の粒径・吸湿性と空気の冷却速度などが、核のうち雲滴へ成長する割合に関わり、粒子の数だけでは決まらない。対応する出典：V3-SCI-008。2025年査読論文の序論・雲底での活性化の説明を参照。核の数から雲全体の寿命・降水量・全球冷却効果を推定しない。
ASL-004-C5 2026年1月に紹介された研究は、EarthCAREのドップラー速度と高解像度全球モデルを用い、氷粒子の落下と大気の鉛直運動を検討している。対応する出典：V3-SCI-010。直接観測したドップラー速度と、仮定・計算を使って分ける空気速度を区別。全球の上昇流が無誤差で観測できたとは扱わない。
ASL-004-C6 雲やエアロゾルの放射収支への効果は気候予測の不確実性に関わり、EarthCAREは鉛直分布や粒の運動などを観測して理解の改善を目指す。対応する出典：V3-SCI-012。JAXA公式ミッション本文で確認できる一般説明に限定。特定のエアロゾル変化による雲寿命・降水・気温変化を推定しない。
更新履歴：第3版（2026年10月20日改稿・初稿は10月19日）。訂正がある場合は、この欄に日付と変更点を記録します。
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