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巻雲（雲の分類記号：Ci）は、氷の結晶でできた高層雲の一種です。巻雲は、通常、繊細で、白い糸状の雲のように見えます。地球の大気圏では、暖かく乾燥した空気が上昇し、高高度の鉱物の塵や金属粒子に水蒸気が付着することで巻雲が形成されます。世界的には、海抜4,000 ～ 20,000 メートル（13,000 ～ 66,000 フィート）の間で形成され、標高が高い地域は通常熱帯地方、標高が低い地域は極地で多く見られます。
巻雲は雷雨や熱帯低気圧の頂上から形成され、雨や嵐の到来を予兆することもあります。巻雲は雨や嵐が近づいている兆候ではありますが、巻雲自体が落とすのは氷の結晶の筋にすぎません。これらの結晶は、暖かく乾燥した空気の中を落下する間に消散し、溶けて蒸発し、地面に到達することはありません。巻雲は地球を温め、気候変動の一因となる可能性があります。地球温暖化により、より多くの巻雲が生成され、自己強化ループが発生する可能性があります。
サンドッグやハローなどの光学現象は、巻雲内の氷晶と光が相互作用することによって発生することがあります。巻雲に似た高層の雲には、他に巻層雲と巻積雲と呼ばれるものがあります。巻層雲は雲のシートのように見えますが、巻積雲は小さな雲の房の模様のように見えます。巻雲や巻層雲とは異なり、巻積雲には過冷却（氷点下）の水滴が含まれています。
巻雲は、火星、木星、土星、天王星、海王星の大気、および土星の大型衛星の 1 つであるタイタンで形成されます。これらの地球外巻雲の一部は、地球上の巻雲の水氷と同様に、アンモニアまたはメタンでできています。1 ミリメートルの 1000 分の 1 未満の塵の粒子でできた星間雲も巻雲と呼ばれます。
説明
巻雲の種類
巻雲は、長い氷の結晶の束でできた薄い雲で、羽毛のような、[1]髪の毛のような、または層状の外観を呈すると言われています。[2] 1803 年の論文でルーク・ハワードによって初めて科学的に定義され、 [3]その名前はラテン語のcirrusに由来し、「カール」または「フリンジ」を意味します。[4]巻雲は透明で、太陽が透けて見えます。雲の中の氷の結晶により、通常は白く見えますが、日の出や日の入りにより、黄色や赤のさまざまな色合いに染まることがあります。[2] [5]夕暮れ時には、灰色に見えることもあります。[5]
Cirrus には、視覚的に区別できる 5 つの種があります: Castellanus、fibratus、floccus、spissatus、およびuncinus : [2]
- Cirrus castellanusは、主雲体から上昇する高高度対流によって生じた積雲頂を持つ。[2] [6]
- Cirrus fibratusは縞模様の模様をしており、最も一般的な巻貝の一種である。[2] [6]
- Cirrus floccus種は房状の模様をしています。[7]
- Cirrus spissatusは、雷雨によって形成されることが多い、特に密度の高い巻雲の一種です。[8]
- 巻雲は鉤状で、通常「海馬の尾」と呼ばれる形状をしている。[6] [9]
それぞれの種は、最大で4つの変種、すなわち、 intortus、vertebratus、radiatus、duplicatusに分類されます。[10]
- イントルタス変種は非常にねじれた形をしており、ケルビン・ヘルムホルツ波は、異なる速度で吹く風の層によってループ状にねじれた巻雲の一種であり、風のせん断と呼ばれる現象が起こります。[6]
- ラジアトゥス型は、空を横切って広がる大きな放射状の巻雲の帯を持つ。[6]
- 巻雲が肋骨のように並んでいる場合、Vertebratus変種が発生します。[11]
- デュプリカトゥス変種は巻雲が層状に重なって発生する。[12]
巻雲は、雲から落ちる重い氷の結晶でできた、毛のような糸状のもの「落下条」をしばしば生成します。これは、液体の水の雲で生成される渦巻雲に似ています。落下条の大きさと形は、風のせん断によって決まります。[13]
巻雲の雲量は日によって変動します。日中は巻雲の雲量が減少し、夜間は増加します。[14] CALIPSO衛星データに基づくと、巻雲は地球の表面の平均31%から32%を覆っています。[15]巻雲の雲量は場所によって大きく異なり、熱帯地方の一部では巻雲の雲量が最大70%に達します。一方、極地では巻雲の雲量が大幅に少なく、年間平均でわずか10%程度の地域もあります。[14]これらのパーセンテージは、晴れた日と夜、および他の種類の雲がある日と夜を巻雲の雲がないものとして扱っています。[16]
形成
巻雲は通常、暖かく乾燥した空気が上昇することによって形成され、[2]高高度では水蒸気が粒子に沈着しますが、そのほとんどは鉱物ダストや金属粒子です[17] [18]。北米と中米の上空数か所で調査航空機によって巻雲から収集された粒子には、鉱物ダスト（アルミニウム、カリウム、カルシウム、鉄、シリコンを含む）、元素、硫酸塩、酸化物形態の金属粒子（ナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、スズ、銀、モリブデン、鉛を含む）、生物学的粒子（酸素、炭素、窒素、リンを含む）および元素炭素が含まれていました。著者らは、鉱物ダストが巻雲形成に最も多くの氷核を寄与していると結論付けました。[17]
巻雲の平均高度は緯度が下がるにつれて高くなりますが、高度は常に対流圏界面によって制限されます。[19]これらの条件は、温暖前線の先端でよく発生します。[20]このような高高度では絶対湿度が低いため、この属はかなり透明になる傾向があります。[21]巻雲は、降水溝（「キャブム」とも呼ばれる）内でも形成されることがあります。[22]
北緯65度または南緯65度の極地に近い地域では、巻雲は平均して海抜7,000メートル（23,000フィート）の高さでしか形成されません。温帯地域では、およそ北緯45度または南緯45度で、平均高度は海抜9,500メートル（31,200フィート）まで上昇します。熱帯地域では、およそ北緯5度または南緯5度で、巻雲は平均して海抜13,500メートル（44,300フィート）の高さで形成されます。地球上では、巻雲は海抜4,000〜20,000メートル（13,000〜66,000フィート）の高さのどこでも形成されます。[19]巻雲は幅広い厚さで形成されます。巻雲の厚さは、上から下まで100メートル（330フィート）ほどの薄い雲から、8,000メートル（26,000フィート）ほどの厚さの雲まであります。巻雲の厚さは通常、この2つの極端な雲の中間で、平均厚さは1,500メートル（4,900フィート）です。[23]
ジェット気流は高層の風帯で、巻雲を大陸を横断するほど長く引き伸ばすことができる。[24]ジェット気流中の高速で移動する空気の帯であるジェット気流の縞は、数百キロメートルに及ぶ巻雲の弧を作り出すことができる。[25]
巻雲の形成は、有機エアロゾル（植物によって生成される粒子）が氷結晶形成の追加の核形成点として作用することによって影響を受ける可能性がある。 [26] [27]しかし、研究によると、巻雲は有機粒子よりも鉱物の粉塵や金属粒子の上に形成されることが多いことが示唆されている。[18]
熱帯低気圧
熱帯低気圧の眼壁からは、通常、巻雲の層が扇状に広がります。 [28]（眼壁とは、熱帯低気圧の眼を取り囲む嵐の雲の輪のことです。[29]）巻雲と巻層雲の大きな盾は、熱帯低気圧の高高度からの流出風に伴って発生するのが一般的で、[28]これにより、衛星写真では、その下にある雨の帯、さらには眼さえも検出することが困難になることがあります。[30]
雷雨
雷雨は、その頂上に濃い巻雲を形成することがある。雷雨の積乱雲が垂直に成長すると、気温が氷点に達すると液体の水滴が凍結する。 [ 31]金床雲は、対流圏界面での温度逆転により、雷雨を形成する暖かく湿った空気がそれ以上上昇できず、頂上が平らになるため、その形をとる。 [32]熱帯地方では、これらの雷雨により、金床から大量の巻雲が発生することがある。[33]高高度の風により、この濃いマットが金床状に押し出されることが多く、風下方向に数キロメートルも広がる。[32]
個々の巻雲は、雷雨によって形成された金床雲の残骸である可能性があります。積乱雲の消散段階では、金床まで上昇する通常の柱が蒸発または消散すると、金床に巻雲のマットだけが残ります。[34]
飛行機雲
飛行機雲は、ジェットエンジンの排気からの水蒸気が周囲の空気または排気自体から来た粒子に凝結して凍結し、目に見える跡を残すことで形成される人工的な巻雲の一種です。排気は、大気中に自然に発生する氷核の供給が不十分な場合に、氷核を提供することで巻雲の形成を誘発する可能性があります。 [35]航空の環境への影響の1つは、持続的な飛行機雲が大きな巻雲のマットを形成する可能性があることであり、[36]航空交通量の増加は、地球の大気中の巻雲の頻度と量の増加の1つの原因として示唆されています。[36] [37]
予測での使用
ランダムで孤立した巻雲には、特に意味はない。[20]多数の巻雲は、前線や上空の擾乱が近づいている兆候である可能性がある。巻雲の出現は、近い将来に天候が変化すること（通常はより嵐になること）を知らせる。[38]その雲がcirrus castellanusである場合、高高度レベルで不安定化が生じる可能性がある。[20]雲が深く広がっている場合、特にcirrus radiatus種またはcirrus fibratus種の場合に、これは通常、気象前線の接近を示している。温暖前線の場合、巻雲は巻層雲に広がり、それが厚くなって低くなり、高積雲と高層雲になる。次の雲群は、雨を運ぶ乱層雲である。[1] [20] [39]巻雲が寒冷前線、スコールライン、多細胞雷雨に先行するのは、巻雲が金床から吹き飛ばされ、次に積乱雲が到達するからである。[39]ケルビン・ヘルムホルツ波は高高度での極端な風のせん断を示す。[20]ジェット気流が大きな巻雲の弧を作り出すと、気象条件が冬の嵐の発達に適している可能性がある。[25]
熱帯地方では、熱帯低気圧の中心を通過する36時間前に、白い巻雲のベールが低気圧の方向から近づいてきます。[40] 19世紀中期から後半にかけて、予報官はこれらの巻雲のベールを利用してハリケーンの到来を予報しました。1870年代初頭、ハバナのベレン大学の学長ベニート・ビニェス神父が最初のハリケーン予報システムを開発したが、彼は主にこれらの雲の動きを予報に利用した。[41]彼は午前4時から午後10時まで1時間ごとに雲を観察しました。十分な情報を蓄積した後、ビニェスはハリケーンの進路を正確に予報し始め、英語では「西インド諸島のハリケーンに関する実践的ヒント」として出版された著書「ラス・アンティル諸島のハリケーンの相対的予測」に観察結果をまとめました。[42]
気候への影響
巻雲は地球の最大25％（熱帯地方では夜間に最大70％）を覆い、正味の加熱効果があります。[44]雲が薄く半透明な場合、雲は放射される赤外線を効率的に吸収し、入射する太陽光をわずかに反射します。[45]巻雲の厚さが100メートル（330フィート）の場合、入射する太陽光の約9％しか反射しませんが、放射される赤外線のほぼ50％が逃げるのを防ぎ、その結果、雲の下の大気の温度が平均10℃（18℉）上昇します。 [46]このプロセスは温室効果として知られています。[47]世界平均では、雲の形成により地表で5℃（9℉）の温度低下が生じますが、これは主に層積雲によるものです。[48]
巻雲は気候変動によりより一般的になりつつあるようだ。その温室効果は太陽光の反射よりも強いため、自己強化的なフィードバックとして作用する。[49] 人間活動による金属粒子は追加の核形成種子として作用し、巻雲の覆いを増やし、気候変動にさらに寄与する可能性がある。[18]上層圏の航空機は、地元の気象条件が適切であれば、飛行機雲を形成する可能性がある。これらの飛行機雲は気候変動に寄与する。[50]
巻雲の薄化は、二酸化炭素による気候被害を軽減するための地球工学的アプローチとして提案されている。巻雲の薄化には、上層圏に粒子を注入して巻雲の量を減らすことが含まれる。2021年のIPCC評価報告書では、理解が限られているため、巻雲の薄化の冷却効果に対する信頼度は低いとされている。[51]
クラウドプロパティ
科学者たちは、いくつかの異なる方法を使用して巻雲の特性を研究してきました。ライダー（レーザーベースのレーダー）は、雲の高度、長さ、幅に関する非常に正確な情報を提供します。気球搭載型湿度計[a]は、巻雲の湿度を測定しますが、雲の深さを測定するほど正確ではありません。レーダー装置は、巻雲の高度と厚さに関する情報を提供します。[52]別のデータソースは、成層圏エアロゾルおよびガス実験プログラムによる衛星測定です。これらの衛星は、赤外線が大気中で吸収される場所を測定し、巻雲の高度で吸収される場合、その場所に巻雲があると想定されます。[53] NASAの中解像度イメージング分光放射計は、日中にさまざまな特定の周波数の反射赤外線を測定することにより、巻雲の覆いに関する情報を提供します。夜間は、地球の赤外線放射を検出して巻雲の覆いを決定します。雲はこの放射線を地上に反射し、衛星は雲が宇宙に投げかける「影」を見ることができる。[28]航空機や地上からの視覚観測は巻雲に関する追加情報を提供する。[53]レーザー質量分析法による粒子分析（PALMS）[b]は、巻雲内の氷晶を生成した核形成種子の種類を特定するのに用いられる。[18]
巻雲の氷結晶の平均濃度は、10立方メートルあたり30万個（10立方ヤードあたり27万個）である。濃度は10立方メートルあたり1個という低い値から10立方メートルあたり1億個（10立方ヤードあたり1個弱から10立方ヤードあたり7700万個）という高い値まで変動し、その差は8桁に及ぶ。各氷結晶の大きさは通常0.25ミリメートルであるが[23] 、 0.01ミリメートルという短いものから数ミリメートルまでの範囲である。[56]飛行機雲の氷結晶は、自然に発生する巻雲の氷結晶よりもはるかに小さく、長さは約0.001ミリメートルから0.1ミリメートルである。[35]
巻雲の氷晶は、様々な大きさで形成されるだけでなく、様々な形状に結晶化します。固体の柱、中空の柱、板、ロゼット、その他様々な種類の凝集体です。氷晶の形状は、気温、大気圧、氷の過飽和度（相対湿度が 100% を超える量）によって決まります。温帯地域の巻雲では、通常、種類ごとに異なる様々な形状の氷晶が形成されます。柱と板は雲の上部に集中し、ロゼットと凝集体は雲の底部に集中します。北極地域では、巻雲は柱、板、凝集体のみで構成される傾向があり、これらの結晶は最小サイズの 4 倍以上になる傾向があります。南極では、巻雲は通常、通常よりもはるかに長い柱のみで構成されています。[56]
巻雲は通常−20℃（−4℉）より低い。[56]気温が−68℃（−90℉）を超えると、ほとんどの巻雲の相対湿度はおよそ100％になる（つまり飽和している）。[57]巻雲は過飽和になることもあり、氷上の相対湿度は200％を超えることもある。[58] [57] −68℃（−90℉）以下では、飽和していない巻雲と過飽和の巻雲の両方が多くなる。[59]より過飽和の雲はおそらく若い巻雲である。[57]
光学現象
巻雲は、太陽や月の周りにハローのようないくつかの光学効果を生み出すことがあります。ハローは、雲の中にある六角形の氷の結晶と光の相互作用によって発生し、その形状と方向に応じて、空にサンドッグ、[56] 46 °ハロー、[60] 22 °ハロー、[60]環水平アーク[61] など、さまざまな白と色のリング、アーク、スポットを生み出します。[ 62]環水平アークは、太陽が地平線から58°より高く昇ったときにのみ見えるため、高緯度の観測者には見えません。[63]
より稀ではあるが、巻雲はグローリー（光輪）を形成することがある。グローリーは、層雲などの液体の水ベースの雲によく見られる現象である。グローリーとは、観測者の影の周りに現れる同心円状の淡い色の光るリングの集まりで、高い視点から、または飛行機から観察するのが最適です。 [64]巻雲は、構成する氷の結晶が非球形の場合にのみグローリーを形成する。研究者らは、グローリーが現れるには、氷の結晶の長さが0.009ミリメートルから0.015ミリメートルでなければならないと示唆している。[65]
他のクラウドとの関係
巻雲は、3つの異なる高層雲の属のうちの1つであり、すべて接頭辞「cirro-」が付けられています。他の2つの属は、巻積雲と巻層雲です。高層雲は通常、6,100メートル（20,000フィート）以上の高度で形成されます。[1] [66] [67]巻積雲と巻層雲は、巻雲とよく関連付けられるため、非公式に巻状雲と呼ばれることもあります。 [68]
中間範囲、高度2,000～6,100メートル（6,500～20,000フィート）には、[1] [66]中層雲があり、接頭辞「alto-」が付けられています。中層雲には、高層雲と高積雲の2つの属があります。これらの雲は、氷晶、過冷却水滴、または液体の水滴から形成されます。[1]
低層雲は通常、高度2,000メートル（6,500フィート）以下で形成され、接頭辞は付いていません。[1] [66]厳密に低層に属する2つの属は、層雲と層積雲です。これらの雲は水滴で構成されていますが、冬季は雲面の気温が氷点下の場合、過冷却水滴または氷晶で形成されます。さらに3つの属があり、通常は低高度で形成されますが、湿度が非常に低い条件下では高高度に形成されることもあります。これらは、積雲、積乱雲、乱層雲の属です。これらは、特に雲頂が過冷却水滴または氷晶で構成されているほど高い場合は、垂直に発達する雲として別々に分類されることがあります。[69] [1]
巻積雲
巻積雲は、シート状またはパッチ状に形成され[70]、影を落としません。通常、規則的な波打つパターン[67]または雲の列として現れ、その間に明るい領域があります。[1]巻積雲は、積雲カテゴリの他のメンバーと同様に、対流プロセスによって形成されます。[71]これらのパッチの顕著な成長は、高高度の不安定性を示し、悪天候の接近を示す可能性があります。[72] [73]巻積雲の底にある氷の結晶は、六角形の円筒形になる傾向があります。それらは固体ではなく、代わりに端から入ってくる階段状の漏斗を持つ傾向があります。雲の上部に向かって、これらの結晶は一緒に凝集する傾向があります。[74]これらの雲は長く持続せず、水蒸気が氷の結晶上に堆積し続けると、最終的に氷の結晶が落下し始め、上向きの対流を破壊するため、巻雲に変化する傾向があります。その後、雲は巻雲に消えていきます。[75]巻積雲には、層状雲、レンズ状雲、カステラヌス雲、および薄片雲の4種類があります。[72]構成する過冷却水滴がすべてほぼ同じ大きさの場合、それらは虹色に輝きます。 [73]
巻層雲
巻層雲は、空に乳白色の光沢を放つ雲[72]、または縞模様の雲として現れることがある[67] 。巻層雲は高層雲に似ていることもあるが、高層雲が不透明または半透明である傾向があるのに対し、太陽や月は常に透明な巻層雲を通してはっきりと見えるため、高層雲とは区別できる。[76]巻層雲には、フィブラタスとネビュロサスの2種類がある。[72]これらの雲の氷の結晶は、雲の高さによって異なる。底の方では、温度が約-35～-45℃（-31～-49℉）で、結晶は長くて硬い六角柱になる傾向がある。雲の上部では、気温が約−47〜−52℃（−53〜−62℉）で、厚い六角形の板と短い六角形の柱が主な結晶タイプです。[75] [77]これらの雲は一般的にハローを生み出し、時にはハローがそのような雲が存在する唯一の兆候です。[78]これらは、暖かく湿った空気がゆっくりと非常に高い高度まで持ち上げられることによって形成されます。[79]温暖前線が近づくと、巻層雲が厚くなり、下降して高層雲を形成します。[1]そして通常、12〜24時間後に雨が降り始めます。[78]
その他の惑星
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巻雲は他のいくつかの惑星でも観測されている。2008年、火星探査機フェニックスは、ライダーを使用して火星の空を移動する巻雲の群れのタイムラプス写真を撮影した。[80]ミッションの終わり近くに、フェニックス探査機は火星の北極近くにさらに薄い雲を検出した。数日の間に、雲は厚くなり、低く、最終的には雪が降り始めた。降水量はわずか数千分の1ミリメートルだった。ヨーク大学のジェームズ・ホワイトウェイは、「降水は[火星の]水循環の要素である」と結論付けた。[81]これらの雲は火星の夜間に2層に形成され、1つは地上約4,000メートル（13,000フィート）の高さ、もう1つは地表レベルであった。それらは早朝まで残り、その後太陽に焼かれて消えていった。これらの雲の結晶は−65℃（−85℉）の温度で形成され、長さ0.127ミリメートル、幅0.042ミリメートルの楕円形に近い形をしていた。[82]
木星では、巻雲はアンモニアでできている。木星の南赤道帯が消失したとき、グレン・オーテンが提唱した仮説の一つは、その上に大量のアンモニア巻雲が形成され、木星が視界から隠れたというものだった。[83] NASAの探査機カッシーニは土星でこれらの雲を検出した[84]。また、土星の衛星タイタンでは薄い水氷の巻雲を検出した。[85]天王星にはメタン氷でできた巻雲が存在する。[86]海王星では、大暗斑の上に巻雲である可能性のある薄い雲が検出されている。天王星と同様に、これらはおそらくメタンの結晶である。[87]
星間巻雲は、1マイクロメートル未満の小さな塵の粒子で構成されているため、凍った結晶で構成される真の巻雲ではありません。[88]幅は数光年から数十光年の範囲です。技術的には巻雲ではありませんが、塵の雲は地球上の雲に似ているため「巻雲」と呼ばれています。地球上の巻雲が宇宙に放射される熱を反射するのと同様に、塵の雲は赤外線を放射します。[89]
注記
- ^ 湿度計は湿度を測定するために使用される装置です。
- ^ PALMS装置は紫外線レーザーを利用して真空中でエアロゾル粒子を気化させる[54] 。イオン化された粒子は質量分析計で分析され、質量と組成が決定される。 [55]
参考文献
脚注
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