真夏の午後、遠くの入道雲はまぶしいほど真っ白に見えます。ところが頭の上まで来ると、雲の底は墨を流したような灰色に見えます。
同じ雲なのに、どうしてこんなに色が違うのでしょうか。
答えは、雲の水の色ではなく、私たちの目に届く光にあります。
- 雲が白いのは、水滴や氷の粒が太陽の光をほぼ色を選ばずに散らし、いろいろな色が混ざったまま目に届くから
- 雨雲が黒いのは、分厚い雲で光が何度も散らされ、上や横へ出ていく分が増えて、底まで届く光が少なくなるから
雨雲の底は、いわば雲が自分でつくった「日陰」なのです。
透明な水と光がどのように雲の色をつくり出しているのか、その仕組みを見ていきましょう。
雲の正体は、水蒸気ではなく小さな水滴や氷
空に浮かぶ雲の正体は、小さな水滴や氷の粒です。一方、水蒸気は気体の水で、目には見えません。
やかんから出る白い湯気を思い浮かべてください。あの白い部分は、水蒸気が冷えてできた細かな水滴です。注ぎ口と白い湯気の間に透明な部分が見えることもあります。そこでは、水が目に見えない気体の状態で出ています。
透明な部分も高温なので、顔や手を近づけず、離れた場所から見るだけにしましょう。
雲もこれと同じです。海や地面、植物の葉から出た水蒸気が空気とともに上昇し、その空気が膨らんで冷えると、水滴や氷の粒に変わります。こうして目に見える姿になったものが雲です。
液体と気体の違いは、洗濯物が100℃にならなくても乾く理由と、蒸発・沸騰の違いで詳しく説明しています。
ただ、コップに入った水は透き通っているのに、なぜ雲のように小さな粒が集まると白く見えるのでしょうか。
透明な水が集まると、なぜ白く見える？
身の回りにある「透明なのに白いもの」
透明な氷も、細かく削ってかき氷にすると白く見えます。雪も、一つひとつは透明な氷の結晶ですが、降り積もると一面を白く覆います。
水や氷そのものが白く染まるわけではなく、光があちこちへ散らばることで白く見えているのです。この点は、かき氷も雲も同じです。
光は、粒にぶつかるたびに向きを変える
透明な粒も、光を素通りさせているわけではありません。光の一部は粒の表面で反射し、中に入った光も曲がって進みます。このように、光が粒にぶつかって向きを変えることを「散乱」といいます。
雲の中には、数えきれないほどの水滴があります。太陽の光は、水滴にぶつかって向きを変え、また別の水滴にぶつかって向きを変えます。ピンボールの玉のようにこの動きを繰り返しながら、さまざまな方向へ出ていきます。
私たちが雲の白さとして見ているのは水滴の色ではなく、水滴などによって散らされた太陽の光です。
太陽の光の色が、混ざったまま届く
太陽の光には、赤・オレンジ・黄・緑・青・紫と、虹のすべての色が含まれています。
例えば、雲の水滴の典型的な直径は約0.02ミリ。一方、目に見える光の波長は0.001ミリ未満です。目には小さすぎる水滴も、光の波に比べればずっと大きな粒なのです。
これくらい大きな粒は、どの色の光もほぼ同じように散らします。昼の太陽光に含まれる色が、混ざったまま大きく偏らずに届くため、雲は白く見えるのです。
青空との違いは、「何が光を散らしているか」で整理するとよく分かります。
| 見ているもの | 光を散らしているもの | 光の散らされ方 |
|---|---|---|
| 青空 | 窒素や酸素などの、ごく小さな分子 | 青い光を特に強く散らす |
| 白い雲 | 分子よりずっと大きな水滴や氷の粒 | すべての色をほぼ同じように散らす |
空が青い理由と夕日が赤い理由は、血管の青さと、空の青さ・夕日の赤さを比べる記事にまとめています。
雨雲が黒いのは、底まで届く光が少ないから
光は、雲に吸い込まれたわけではない
雨雲の底が暗く見えると、まるで雲が光を吸い込んでいるように思えます。けれど、雲をつくる水滴や氷の粒は、目に見える光をあまり吸収しません。
分厚い雲の中では、光が何度も散乱され、上や横へ出ていく分が多くなります。光が消えるのではなく、進む向きが変わるため、底まで届く分が少なくなるのです。
白い紙も、日なたでは白く見え、日陰では灰色に見えます。雨雲の底も、雲自身がつくった大きな日陰の中にあるため暗く見えるのです。
まわりが明るいほど、さらに暗く見える
雲の底のまわりには、明るい空や、日に照らされた雲の端が見えていることがよくあります。明るいものと並ぶと、暗い部分は対比によっていっそう暗く感じられます。
雨雲の底は、真っ黒というより濃い灰色です。それでも「黒い雲」に見えるのは、明るい景色との対比も手伝っています。
日差しの変化は、地面の影にも表れる
天気の穏やかな日には、安全な場所で地面の影を見てみましょう。雲が日差しを遮ると、影の輪郭にも変化が表れます。
| 地面まで届く光 | 影の見え方の目安 |
|---|---|
| 太陽からの光が直接届いている | 輪郭がはっきりしやすい |
| 雲で散らされた光の割合が増える | 輪郭がぼんやりしやすい |
| 直射日光がほとんど届かない | はっきりした影ができにくい |
影は日差しの変化を知る手がかりです。雲の種類や雨の強さを判定する表ではありません。暗い雨雲が近づくときは、観察より避難を優先しましょう。
光の通りにくさは、雲の厚みや、水滴・氷の粒の量と大きさで変わります。専門的には「光学的な厚さ」と呼びます。
なお、雲の暗さは太陽の位置や見る方向、ほかの雲の影によっても変わります。「黒さ＝雨の量」という目盛りにはならない点は、覚えておきましょう。
下から黒い雨雲も、太陽に照らされた上側は白い
飛行機の窓から外を見ると、眼下に真っ白な雲の海が広がっていることがあります。その雲の下では、地上の人が「どんよりした雨雲だな」と空を見上げているかもしれません。
雲の上側には太陽の光が直接当たり、その光がたくさん上へはね返されます。だから上から見ると、まぶしいほど白い。底まで届かなかった光の多くは、こうして上や横から外へ出ていたのです。
同じ雲でも、上からは白く、下からは暗い。この違いは、天気予報でおなじみの気象衛星の画像でも確かめられます。
衛星画像は「可視」と「赤外」を見分けよう
太陽の光を使って撮影する「可視画像」では、厚く発達した雲ほど光を強くはね返すので、白く写ります。地上から黒く見える雨雲が、衛星画像では真っ白。見ている側が違うだけで、矛盾はありません。
ただし、衛星画像にはもう一つ、よく使われる種類があります。
| 画像の種類 | 何を観測している？ | 白い部分の意味 |
|---|---|---|
| 可視画像 | 雲などがはね返した太陽の光 | 光を強くはね返している |
| 赤外画像 | 雲や地面などが出している赤外線 | 温度が低い（一般的な白黒表示の場合） |
赤外画像は夜でも撮影できるので、天気予報でもよく使われます。その白さは「冷たい」という意味で、人の目で見た雲の色とは別物です。高い雲は冷たいことが多いものの、薄い巻雲も白く写るため、赤外画像の白さだけで雨雲とは判断できません。画像の「可視」「赤外」という表示をチェックしてみてください。
夕焼け雲が赤いのは、照らす光が赤いから
昼間は白い雲が、夕方にはオレンジや赤に染まります。今度は雲ではなく、雲を照らしている光のほうに注目してみましょう。
朝や夕方の太陽の光は、大気の中を斜めに長い距離進んでくるため、その途中で青い光などが元の進行方向から散らされ、雲へまっすぐ届く分が減っていきます。雲に届くころには、赤やオレンジの光が多く残っています。
雲は届いた光をそのまま散らすので、赤い光に照らされれば赤く見えます。白い壁が、夕日の当たる時間だけオレンジ色に見えるのと同じです。
雲の色の違いは、次の3つで整理できます。
| 雲の色 | 理由 |
|---|---|
| 昼の白い雲 | すべての色の光が混ざって届く |
| 暗い雨雲の底 | 届く光の量が少ない |
| 赤い夕焼け雲 | 雲を照らす光が、すでに赤い |
よくある疑問
黒い雲なら、必ず雨が降る？
雲の色だけで雨が降るかどうかは決まりません。厚い雨雲は暗く見えやすい一方、太陽の向きや、ほかの雲の影でも暗くなるからです。
逆に、遠くで白く輝いている入道雲が、その真下では大雨を降らせていることもあります。横から日の光が当たっているため、白く見えているのです。
次のような変化があったら、雲の観察はやめて、すぐに頑丈な建物の中へ移動し、最新の気象情報を確認してください。
- 真っ黒な雲が近づいてくる
- 雷の音が聞こえる、稲光が見える
- 急に冷たい風が吹いてくる
- 大粒の雨やひょうが降りはじめる
霧や湯気が白いのも、同じ理由？
はい、同じ理由です。空気中に浮かぶ細かな水滴が光を散らすため、白く見えます。霧は、地面に接してできた雲のようなものです。
水蒸気が水滴に変わる身近な例は、冷たいコップの外側に水滴がつく仕組みでも確かめられます。
曇りの夜は、晴れた夜より冷え込まないのはなぜ？
雲からも地面に向かって赤外線が届き、地面が失う熱を少なくするからです。
地面は、目に見えない赤外線のかたちで、宇宙へ向けて熱を出しています。雲はこの赤外線を吸収し、自分でも赤外線を出して地面に返します。そのため、雲がある夜は晴れた夜に比べて地面が冷えにくくなります。
日差しを遮って日陰をつくる雲には、布団のように地面の冷え込みを和らげる働きもあるのです。
晴れた夜に冷え込む仕組みは、気温がプラスでも霜がつく理由と、放射冷却の仕組みで詳しく説明しています。
次に雲を見るときは「どこが明るいか」に注目
天気の穏やかな日に、ひとつの雲をじっくり眺めてみてください。
日の当たっている側はまぶしく白く、厚い真ん中や底のほうは灰色。薄い端が明るく縁どられて見えることもあります。たった一つの雲の中にも、光がたくさん届く場所と、あまり届かない場所があります。
観察するときは、太陽を直接見ないようにしましょう。
白い雲も、黒い雨雲も、赤い夕焼け雲も、つくっているのは透明な水滴や氷の粒です。見た目の色を変えているのは、どんな光が入り、どちらへ出ていくかという違いです。この仕組みを意識してみると、いつもの空が少し違って見えてきます。
参考資料
気象庁「雲・大気現象・大気光象について」。雲・霧の白さ、厚い雲の底が暗く見える理由。
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/faq/faq13.html
Met Office「Why are clouds white?」。水滴による光の散乱、雲の上・横・底の明るさ、夕方の雲の色。
https://weather.metoffice.gov.uk/learn-about/weather/types-of-weather/clouds/why-are-clouds-white
福岡管区気象台「はれるんマガジン」第8号（2019年10月29日）。雨雲の暗さと、同じ雲を遠方・下・上から見たときの違い。
https://www.data.jma.go.jp/fukuoka/chosa/files/harerun0071.pdf
仙台管区気象台「雲ができる仕組み」。雲をつくる水滴・氷の粒と、水蒸気との違い。
https://www.data.jma.go.jp/sendai/knowledge/kyouiku/yoho/kumo.pdf
Valdar Oinas「Atmospheric radiation」（2016年、NASA GISS／NTRS掲載）。雲の粒の大きさと散乱、可視光と赤外線に対する性質。
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190004950/downloads/20190004950.pdf
NASA SVS「Monthly Cloud Optical Thickness (Aqua/MODIS)」。雲の光学的な厚さと、可視光の散乱・反射。
https://svs.gsfc.nasa.gov/30398/
気象庁「衛星観測画像の見方」。可視画像と赤外画像で白さが表すものの違い。
https://www.data.jma.go.jp/sat_info/himawari/satobs.html
気象庁「積乱雲が近づくサインを見逃さない」「積乱雲が近づいてきたら…」。積乱雲の見え方と、空模様の急変時の行動。
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/tenki_chuui/tenki_chuui_p8.html
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/tenki_chuui/tenki_chuui_p9.html
NASA JPL「NASA Solves a Drizzle Riddle」（2017年7月25日）。雲の水滴の典型的な直径。
https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-solves-a-drizzle-riddle/
Met Office「What are clouds?」。薄い雲の下での地面の影など、雲と日差しの見え方。
https://weather.metoffice.gov.uk/learn-about/met-office-for-schools/other-content/other-resources/what-are-clouds
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