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積雲は、底が平らな雲で、ふっくらとした、綿のような、またはふわふわした外観と表現されることが多い。その名前は、ラテン語の「 cumulus」（「山」または「積み重ね」を意味する）に由来する。[ 1 ]積雲は、一般的に高度が2,000 m (6,600フィート)未満の低層雲であり、より垂直な積雲群の場合は例外である。積雲は、単独で、列状に、または群生して現れることがある。
積雲は、不安定性、湿度、温度勾配などの気象要因の影響を受けると、積乱雲などの他の種類の雲の前駆となることがよくあります。通常、積雲は降水をほとんど、または全く引き起こしませんが、降水をもたらす積雲や積乱雲に成長することもあります。積雲は、周囲の温度に応じて、水蒸気、過冷却水滴、または氷晶から形成されます。積雲には多くの異なる亜種があり、一般的に入射する太陽放射を反射することで地球を冷却します。
積雲は、積乱雲を含む自由対流性の積雲という大きなカテゴリーの一部です。後者のタイプは、巻雲や金床状の頂部を含むより複雑な構造のため、積乱雲として別々に分類されることもあります。[ 2 ]また、層積雲（低段階）、高積雲（中段階）、巻積雲（高段階）からなる、対流が限定された積雲もあります。 [ 3 ]これら最後の3つのタイプは、層積雲として別々に分類されることもあります。[ 2 ]
積雲は、地表で暖められた空気が上昇し始めると、大気対流によって形成されます。空気が上昇すると、気温は（気温減率に従って）低下し、相対湿度（RH）が上昇します。対流が一定のレベルに達すると、RHは100%に達し、「湿潤断熱」段階が始まります。この時点で正のフィードバックが生じます。RHが100%を超えているため、水蒸気が凝結し、潜熱を放出して空気を暖め、さらなる対流を促進します。
この段階では、空気中に存在するさまざまな核に水蒸気が凝結し、積雲が形成されます。これにより、積雲特有の平底のふっくらとした形が生まれます。[ 4 ] [ 5 ]雲の高さ（底から頂上まで）は、大気の温度プロファイルと逆転層の有無に依存します。[ 6 ]対流中、周囲の空気が熱と混ざり合い、上昇する空気の総質量が増加します。[ 7 ] 積雲の中で雨は、2 つの非離散的な段階を含むプロセスを経て形成されます。最初の段階は、さまざまな核に水滴が合体した後に起こります。ラングミュアは、水滴の表面張力によって水滴にわずかに高い圧力がかかり、蒸気圧がわずかに上昇すると書いています。圧力の上昇により、これらの水滴が蒸発し、結果として生じた水蒸気がより大きな水滴に凝結します。蒸発する水滴のサイズが非常に小さいため、このプロセスは、より大きな水滴が約 20 ～ 30マイクロメートルまで成長した後はほとんど意味をなさなくなり、第 2 段階が引き継がれます。[ 7 ]付着段階では、雨滴が落下し始め、他の水滴が衝突して雨滴と合体し、雨滴のサイズが大きくなります。ラングミュアは、離散的な時間内に水滴の半径が無限に成長すると予測する式を開発することができました[注 1 ] 。 [ 8 ]
積雲内の液体の水の密度は、雲全体でほぼ一定ではなく、雲底からの高さによって変化することがわかっています。ある研究では、雲底での濃度はゼロであることがわかりました。高度が上がると、濃度は急速に増加し、雲の中央付近で最大濃度に達しました。最大濃度は、 空気1キログラムあたり最大1.25グラムの水であることがわかりました。濃度は高度が上昇して雲の頂上の高さに達すると徐々に低下し、そこで再びゼロに低下しました。[ 9 ]
積雲は、雲列と呼ばれる長さ480キロメートル（300マイル）を超える線状に形成されることがあります。これらの雲列は広大な範囲を覆い、途切れている場合もあれば連続している場合もあります。これらは、風のシアによって大気中に水平循環が生じ、長い管状の雲列が形成されるときに形成されます。[ 10 ]これらは一般的に、寒冷前線の後などの高気圧システム中に形成されます。 [ 11 ]
雲が形成される高度は、雲を形成する上昇気流中の水分量によって決まります。一般的に、湿った空気は雲底を低くします。温帯地域では、積雲の雲底は通常、地上から550 メートル (1,800フィート)未満ですが、高度が2,400 メートル (7,900フィート)に達することもあります。乾燥地帯や山岳地帯では、雲底は6,100 メートル (20,000フィート)を超えることがあります。[ 12 ]
積雲は氷晶、水滴、過冷却水滴、またはそれらの混合物から構成されることがある。[ 1 ]
ある研究では、温帯地域では、調査対象となった雲底は地上から500 ～ 1,500 メートル (1,600 ～ 4,900フィート)の範囲であったことがわかった。これらの雲は通常25 °C (77 °F)を超え、液滴の濃度は1 立方センチメートルあたり 23 ～ 1,300 液滴 (1 立方インチあたり 380 ～ 21,300 液滴)の範囲であった。このデータは、降水のない成長中の孤立した積雲から得られたものである。[ 13 ]液滴は非常に小さく、直径が約 5マイクロメートルまでであった。より小さな液滴が存在した可能性はあるが、測定の感度が十分ではなかったため、それらを検出できなかった。[ 14 ]最小の液滴は雲の下部に見られ、大きな液滴 (約 20 ～ 30マイクロメートル)の割合は雲の上部で劇的に増加した。液滴サイズ分布はわずかに二峰性で、小液滴サイズと大液滴サイズにピークがあり、中間サイズ範囲にわずかな谷がありました。歪度はほぼ中立でした。[ 15 ]さらに、大きな液滴サイズは、空気の単位体積あたりの液滴濃度にほぼ反比例します。[ 16 ]
積雲の中には、水滴のない「穴」がある場所があります。これは、風が雲を引き裂いて周囲の空気を取り込んだり、強い下降気流が水を蒸発させたりするときに発生します。[ 17 ] [ 18 ]
積雲には、cumulus humilis、mediocris、congestus、およびfractus の4 つの異なる種があります。これらの種は、 cumulus radiatus という品種に分類され、最大 7 つの追加特徴、cumuluspileus、velum、virga、praecipitatio、arcus、pannus、およびtubaを伴う場合があります。[ 19 ] [ 20 ]
積雲フラクタス種は、外観がギザギザしており、晴天時に積雲フミリスやより大きな積雲種の前駆として形成されることもあれば、降水時に補助的な特徴であるパンヌス（スカッドとも呼ばれる）として形成されることもあり、悪天候の層状フラクタスも含まれることがある。[ 21 ] [ 22 ]積雲フミリス雲は、ふっくらとして平らな形に見える。積雲メディオクリス雲は似ているが、垂直方向に発達している。積雲コンジェスタス雲はカリフラワーのような構造をしており、大気圏に高くそびえ立つため、「そびえ立つ積雲」という別名がある。[ 23 ]変種積雲ラディアトゥスは、雲列と呼ばれる放射状の帯状に形成され、4 種の積雲のいずれかで構成されることがある。[ 24 ]
積雲の付加的な特徴は、congestus という種で最もよく見られます。積雲 virgaはvirga (上空で蒸発する降水)を生成する積雲であり、積雲 praecipitatio は地表に到達する降水を生成します。[ 25 ]積雲 pannus は、通常、降水中に親積雲の下に現れる、細かく裂かれた雲で構成されています。積雲 arcusは突風前線を持ち、[ 26 ]積雲 tubaは漏斗雲または竜巻を持ちます。[ 27 ]積雲 pileusは、雲の上部にpileusを形成させるほど急速に成長した積雲を指します。 [ 28 ]積雲 velumは、成長中の雲の上部に氷晶のベールがあります。[ 19 ] また、滝によって形成される積雲 cataractagenitus もあります。[ 29 ]
積雲は、通常、晴天を示します。[ 23 ]中積雲は、積雲と似ていますが、垂直方向に発達するため、積雲が重なり合った積雲や、大雨、雷、強風、雹、さらには竜巻を引き起こす積乱雲にまで成長する可能性があることを意味します。[ 4 ] [ 23 ] [ 30 ]塔のように見える積雲は、しばしば積乱雲に成長します。降水をもたらす可能性があります。 [ 23 ]グライダーのパイロットは、積雲に細心の注意を払うことがよくあります。積雲は、その下にある上昇気流や熱気流の兆候であり、飛行機を空高く吸い上げる可能性があるからです。これは、雲の吸引現象として知られています。[ 31 ]
雲は反射率によって地球を約12 °C (22 °F)冷却しますが、これは主に層積雲によるものです。しかし同時に、雲は放出された放射線を反射することで地球を約7 °C (13 °F)加熱しますが、これは主に巻雲によるものです。平均すると、正味の損失は5 °C (9.0 °F)になります。[ 32 ]一方、積雲は地球表面の加熱にさまざまな影響を与えます。[ 33 ]より垂直な積雲群と積乱雲群は、大気圏上層まで成長し、水分を運び、巻雲の形成につながる可能性があります。研究者らは、これが正のフィードバックを生み出す可能性さえあると推測しています。つまり、上層大気の水分が増加すると地球がさらに温暖化し、積雲群の数が増加してより多くの水分が上層大気に運ばれるというものです。[ 34 ]
積雲は、自由対流性の低層雲の一種で、関連する対流が制限された層積雲も含まれます。これらの雲は、あらゆる緯度で地表から2,000 メートル (6,600フィート)まで形成されます。層雲も低層です。中層には高層雲があり、これは対流が制限された層積雲である高積雲と層状雲である高層雲から構成されます。中層雲は、極地では2,000 メートル (6,600フィート)から7,000 メートル (23,000フィート)、温帯地域では7,000 メートル (23,000フィート)、熱帯地域では7,600 メートル (24,900フィート)まで形成されます。高層雲である巻積雲は、対流が制限された層積雲です。このレベルの他の雲は巻雲と巻層雲です。高層雲は、高緯度では3,000 ～ 7,600 メートル (9,800 ～ 24,900フィート) 、温帯では 5,000 ～ 12,000 メートル (16,000 ～ 39,000フィート)、低緯度熱帯では 6,100 ～ 18,000 メートル (20,000 ～ 59,100フィート)に形成されます。[ 12 ]積乱雲は、積雲群と同様に、1 つのレベルに留まるのではなく、垂直方向に広がります。[ 35 ]
巻積雲はパッチ状に形成され[ 36 ]、影を落とすことはありません。一般的に、規則的な波状のパターン[ 37 ]、または雲の列とその間に晴れた領域が見られます[ 38 ] 。巻積雲は、他の積雲や層積雲と同様に、対流過程によって形成されます[ 39 ] 。これらのパッチの著しい成長は、高高度の不安定性を示し、悪天候の接近を知らせる可能性があります[ 40 ] [ 41 ]。巻積雲の底にある氷晶は、六角形の円筒形になる傾向があります。これらは固体ではなく、端から階段状の漏斗が伸びている傾向があります。雲の上部に向かうにつれて、これらの結晶は塊になる傾向があります。[ 42 ]これらの雲は長くは続かず、氷晶に水蒸気が付着し続けると、やがて氷晶が落下し始め、上昇対流が破壊されるため、巻雲に変化する傾向があります。その後、雲は消散して巻雲になります。[ 43 ]巻積雲には、対流が限定的または層積雲の特徴を持つ 3 つの属タイプすべてに共通する 4 つの種があります。層状、レンズ状、カステラヌス、および綿状です。[ 40 ]構成要素である過冷却水滴がすべてほぼ同じ大きさの場合、虹色に輝きます。 [ 41 ]
高積雲は、極地では高度2,000メートル（6,600フィート）から4,000メートル（13,000フィート）、温帯地域では7,000メートル（23,000フィート）、熱帯地域では7,600メートル（24,900フィート）に形成される中層雲です。[ 12 ]降水を伴うことがあり、温帯緯度では氷晶、過冷却水滴、水滴の混合物で構成されているのが一般的です。しかし、液体の水の濃度はほぼ常に氷晶の濃度よりもかなり高く、液体の水の最大濃度は雲の上部にあり、氷は下部に集中する傾向があります。[ 44 ] [ 45 ]高積雲の底部と尾流雲の氷晶は樹枝状または樹枝状結晶の集合体であることが判明し、針状および板状のものは上部に多く存在していた。[ 45 ]高積雲は対流または温暖前線による強制上昇によって形成されることがある。[ 46 ]
層積雲は、層積雲の一種です。積雲と同様に、低高度で対流によって形成されます[ 38 ]。しかし、積雲とは異なり、強い逆転層によって成長がほぼ完全に抑制されます。その結果、層雲のように平らになり、層状の外観を呈します。これらの雲は非常に一般的で、平均して地球の海洋の約23%、大陸の約12%を覆っています。熱帯地域ではあまり一般的ではなく、寒冷前線の後によく形成されます。さらに、層積雲は入射する太陽光の大部分を反射し、正味の冷却効果を生み出します[ 47 ] 。層積雲は霧雨を発生させることがあり、霧雨は雲を温め、乱流混合を減らすことで雲を安定させます[ 48 ] 。
積乱雲は、成長中の積雲の最終形態です。積乱雲は、積雲が強い上昇気流を起こし、その頂部が高度18,000 メートル (59,000フィート)の対流圏界面に達するまで大気圏上空に上昇し続けることで形成されます。積乱雲は、一般的に雷雲と呼ばれ、強風、豪雨、雷、突風前線、水上竜巻、漏斗雲、竜巻を引き起こすことがあります。積乱雲には、一般的に金床雲が見られます。[ 23 ] [ 35 ] [ 49 ]
太陽系の他のほとんどの惑星で、積雲や層積雲が発見されている。火星では、バイキングオービターが、主に極冠付近で対流によって形成される巻積雲と層積雲を検出した。[ 51 ]ガリレオ探査機は、木星の大赤斑付近で巨大な積乱雲を検出した。[ 52 ]土星でも積雲が検出されている。2008年、カッシーニ探査機は、土星の南極付近の積雲が直径4,000キロメートル（2,500マイル）を超えるサイクロンの一部であることを突き止めた。 [ 53 ]ケック天文台は、天王星で白っぽい積雲を検出した。[ 54 ]天王星と同様に、海王星にもメタンの積雲がある。[ 55 ]しかし、金星には積雲は見られない。 [ 56 ]
