数百万トンの重さの暗い雲がどうやって空に浮かぶのでしょうか?重力の法則が崩れたということでしょうか？

この記事は、ネットユーザーから寄せられた「雲の重さは数トンもあると聞いたが、どうやって空中に浮かぶのか？」という疑問に答えるものです。重力は失われないのでしょうか?

空に雲が浮かんでいるということは、雲が空中に浮かんでいるということです。これは重力と関係がありますが、それほど関係はありません。重力は地球の表面の重力として現れます。空気と雲の質量が同じであれば、重力は等しくなります。

万有引力の表現は、F=GMm/r^2 です。ここで G は万有引力定数、つまり 2 つの 1 kg の物体が 1 メートル離れているときの重力の値であり、およそ 6.67*10^−11N⋅m^2/kg^2 です。 M と m は、互いに重力の作用を受ける 2 つの物体の質量 (キログラム単位) を表します。 r は、互いに重力の作用を受ける 2 つの物体の質量中心間の距離です。

万有引力の公式から、重力は相互作用であり、2つ以上の物体間の相互作用の現れであることがわかります。重力の大きさは質量の大きさに比例し、相互作用する物体間の距離の二乗に反比例します。地球や他の天体では、重力は重力として現れます。

重力は重力と完全に同じではありません。天体なので質量は一定であり、重力も一定です。しかし、天体の自転により、緯度によって遠心力が異なり、重力にも違いが生じます。緯度が高くなるほど重力は大きくなり、緯度が低くなるほど重力は小さくなります。しかし、この差は小さく、地球表面の重力 g の値は通常 9.8N/kg と表されます。しかし、実際の状況は、地球の赤道の緯度 0 度では、重力は 9.79N/kg です。極の緯度90度では、重力は9.83N/kgです。

つまり、1kg の物体の場合、赤道の緯度 0 度では重力はわずか 9.78N です。しかし、極の緯度 90 度では、9.83N になります。

万有引力と重力についてですが、同じ質量の雲と空気の重力は等しいです。しかし、なぜ雲は空中に浮かぶことができるのでしょうか?これには浮力の理論が関係します。浮力は重力と反対方向の力です。これは、液体に浸された物体に働く垂直方向の上向きの力を指します。液体または気体内の物体の各表面にかかる流体圧力の差によって形成される合力です。

この理論は、2000年以上前に古代ギリシャの哲学者であり科学者であったアルキメデスによって発見され、創造されました。その定義式は Ffloat=Gdisplacement であり、導出式は Ffloat=Gdisplacement=ρliquidgVdisplacement... です。これらの式は説明するのが面倒です。では簡単に説明したいと思います。浮力の本質は、実際には重力条件下での物体の密度差によって引き起こされる現象です。

密度は、物体の質量と体積の関係を測定する指標です。記号はρで、単位は通常kg/m^3（キログラム/立方メートル）またはg/cm^3（グラム/立方センチメートル）です。地球や他の天体の重力条件下では、流体内の密度の高い物体は沈み、密度の低い物体は浮きます。

例えば、水中では水の密度は 1000kg/m^3 ですが、乾燥した木材の密度は通常 400 ～ 600kg/m^3 なので、水に浮きます。木材よりも軽い、つまり密度が低い物体は、水に浮きやすくなります。しかし、鋼鉄の密度は水の密度よりもはるかに大きいのに、なぜ 10,000 トンの船が水に浮くのかと疑問に思う人もいるかもしれません。

はい、炭素鋼の密度は約 7850kg/m^3 で、これは水の密度の 7.85 倍です。鋼鉄でできた船はなぜ浮くのでしょうか？念のため、密度は体積と質量の関係を指し、物体の特定の体積内の質量の尺度です。この原理に基づいて考えてみましょう。船は鋼鉄で作られていますが、人間が船を大きな中空の容積にすることで、全体の密度が大幅に減少します。

つまり、小型船であろうと1万トン級の船であろうと、鋼鉄製であろうと他の材質であろうと、その容積は非常に大きいのです。たとえば、容積 1,000 立方メートルの船を作るのに 100,000 kg の鋼鉄が使われた場合、そのような船の密度はどれくらいになるでしょうか。計算してみましょう：100000/1000=100、つまり密度は100kg/m^3、水の密度は1000kg/m^3です。この方法により、船は確実に浮くことができ、また大量の貨物を運ぶことも可能になります。

そうは言っても、雲がなぜ空中に浮かぶのかは誰もが理解できるはずですよね？

簡単に言えば、雲は地球表面の巨大な水循環システムによって引き起こされる現象です。太陽放射により、地球表面の水は蒸発して水蒸気になります。水蒸気が過飽和状態になると、空気中の塵の周りに水分子が集まり、水滴や氷の結晶が生成され、太陽光が四方八方に散乱し、色とりどりの雲が見えるようになります。

水蒸気はなぜ上昇するのでしょうか？飽和水蒸気の密度は0.6kg/m^3、空気の密度は約1.29kg/m^3なので、当然水蒸気は上昇します。これらの水蒸気が水滴や氷の結晶に凝縮すると、個々の密度は空気よりも大きくなりますが、水蒸気の膨大な量の中では全体の密度は非常に低く、0.5kg/m^3 を下回ることもあります。

さらに、熱膨張と収縮の影響により、地上の熱い空気は上昇し続け、これらの小さな水滴と氷の結晶を支えます。対流が強い天候では、これらの小さな水滴や氷の結晶は常に重力によって引き下げられ、熱い空気によって持ち上げられ、衝突しながら上下に移動します。ついには熱風が重さに耐えきれず、持ち上げることができなくなり、激しい雨や雹が降るのです。

雹を切り開くと、層状の構造が見えます。これは、重力と熱気によって「操作」され、空中で絶えず上下に回転した結果です。

雲の重さはその体積に基づいて測定されます。雲の重さが数トンあると言うのは、大げさな過小評価です。どの雲も大きさは数キロメートルあります。密度が 0.5kg/m^3 だとすると、1 キロメートル四方の雲でも重さは 50 万トンになります。同じ体積の空気の重さは129万トンです。このように、雲がどんなに重くても、空中に浮かぶことしかできず、空気は下に沈むことしかできません。

この答えにご満足いただけたでしょうか？議論を歓迎します。

これはSpace-Time Communicationからのオリジナル記事です。著者の著作権を尊重してください。ご理解とご協力をよろしくお願いいたします。