一般的な雲には数百トンの水が含まれている

晴天時の積雲の体積をおよそ1 km³とすると、液体の水を約500メートルトン含んでいる可能性があります。この推定は、1立方メートルあたり約0.5 gの液体の水があるとして、それを雲全体に当てはめたものです。米国地質調査所による雲の重さの推定 （新しいタブで開きます）でも、このような計算が使われています。

それだけの量と聞くと、今にも降ってきそうな水の塊を思い浮かべるかもしれません。しかし、この推定で数えているのは、液体の水が小さな水滴となって分散した量であり、水たまりや固体の塊ではありません。雲の体積の残りは空気で、その空気が水滴を浮かせている理由に関わっています。

まず、雲の体積を考える

雲の形は、上部がでこぼこして底面は比較的平らで、縁は晴れた空へと溶け込むように薄れていきます。計算しやすくするため、晴天時の積雲を幅1 km、奥行き1 km、高さ1 kmほどと考えてみましょう。立方体とみなせば、体積は約1 km³、つまり10億 m³です。米国立気象局の雲に関するガイド （新しいタブで開きます）では、湿った空気が上昇して雲になる仕組みが説明されています。

このモデルでは、雲の中の違いを単純化しています。水滴が多い部分もあれば、薄い縁が周囲の空気と溶け合っている部分もあります。体積全体に平均的な水分量を当てはめれば、雲のどの部分も同じ見た目、同じ水分量だと主張することなく、計算を扱いやすくできます。

目印となる建造物と比べると、1 kmという幅をイメージしやすくなります。ブルジュ・ハリファの高さは828 m (2,720 ft)です。この塔を推定した雲の幅と並べても、片側から反対側まで届くには少し足りません。雲の水平方向の広がりは、地面に立つ塔ではなく、頭上に広がる大きな領域です。

自然の地形も、規模をつかむ手がかりになります。ビッグ・ダディ砂丘の高さは325 m (1,070 ft)で、高さ116 m (380 ft)のセコイア、ハイペリオンのおよそ2.8倍です。輪郭の異なるこれらの地形と比べると、地面から測る高さと、雲の幅が1 kmに及ぶこととの違いがよりわかりやすくなります。

体積に含まれる水の量を掛ける

このモデルでは、1立方メートルあたり約0.5 gの液体の水 （新しいタブで開きます）があるとします。この量に雲の体積である10億 m³を掛けると、0.5 g/m³ × 1,000,000,000 m³ = 500,000,000 gとなります。これは500,000 kg、つまり液体の水で約500メートルトンです。

計算を追う別の方法として、雲を、辺の長さがそれぞれ1 mの立方体に分けて考えてみましょう。1つの立方体に含まれる水はわずか0.5 gですが、このモデルにはそうした立方メートルが10億個あります。わずかな量でも、非常に大きな体積全体に広がれば、合計は大きくなります。

これは、概算のコツで使われる基本的な方法と同じです。体積を決め、その単位あたりにどれだけ含まれるかを推定してから、掛け算します。ここで得られるのは液体の水だけの推定値です。同じ空間を満たす空気は含みません。

雲には膨大な量の空気も含まれている

海面近くでは、空気1立方メートルの質量は約1.2 kg （新しいタブで開きます）です。そのため、モデル上の10億 m³には、空気が約12億 kg、つまり120万メートルトン含まれることになります。これは、推定した液体の水の質量のおよそ2,400倍です。

水滴は空気に混ざっていて、空気に取って代わっているわけではありません。米国地質調査所の説明によると、湿った空気は周囲の乾いた空気より密度が低くなることもあります。水蒸気は、押しのける窒素や酸素の分子より軽く、温度の違いも空気が上昇するか下降するかに影響します。

つまり、雲は見えない殻に支えられているのではありません。水滴が動く空気とともに運ばれている、大気中の領域です。水の総質量が大きくても、雲の各部分は、はるかに大きな空気の体積に含まれる薄い霧のままです。

数百トンもの水が一度に落ちてこないのはなぜ？

一般的な雲粒の直径は約20 micrometres （新しいタブで開きます）です。人間の髪の幅は約70 µmなので、雲粒は見慣れた髪の毛よりはるかに小さいものです。重力は水滴を下へ引きますが、水滴は非常に小さいため、空気抵抗によって落下が遅くなります。上昇気流や乱流があれば、空気とともに動き続けることもあります。

湿った空気が上昇して冷えると、水が凝結して水滴になり、雲ができます。空気が動いたり乾燥したりすると、水滴は蒸発し、目に見える雲の縁は薄れていきます。積雲の明るくくっきりした頂部や、でこぼこした縁は、決まった輪郭ではなく、空気や水分が変化していることを示しています。

水滴や氷の粒が十分に大きくなると、雨などの降水となって落ちてくることがあります。この仕組みは、飛行船や気球が浮力を利用して浮かぶのとは異なります。飛行船や気球は外皮の内側の浮力に頼りますが、雲には外皮がありません。雲の水滴は周囲の空気とともに移動します。

地上から積雲を見上げると、白い頂部が青空に映え、でこぼこした縁は次第に薄くなり、霧のような姿が見えなくなっていきます。