なぜ飛行機雲はできるのか——氷の雲が残るか消えるかを決めるもの

なぜ飛行機雲はできるのか——氷の雲が残るか消えるかを決めるもの 科学

晴れた日、空を見上げると、ジェット機のうしろに白い線がまっすぐ伸びていることがあります。煙のように見えるので、エンジンの排気ガスそのものだと思っている人も多いはずです。ところが、あの白い線は煙ではありません。氷の粒が集まってできた、れっきとした雲です。同じ飛行機雲でも、数秒で消えてしまうものと、空いっぱいに広がっていつまでも残るものがあります。その違いはどこから来るのでしょう。

排気は煙ではなく水

まず、ジェットエンジンから出てくるものを確かめておきます。燃料が燃えると、二酸化炭素と一緒に水（水蒸気）ができます。排気には、この水蒸気がたっぷり含まれています。しかも、かなりの高温です。

この熱くて湿った空気が、いきなり極寒の中へ吐き出されます。旅客機が飛ぶ高度1万メートル前後では、周囲の気温はおよそマイナス40度からマイナス60度。日本気象協会の記事では、300度から600度にもなる排ガスがこの低温で急に冷やされ、水蒸気が氷の粒になって細長い白い雲に見える、と説明されています。冬の寒い日に、吐く息が白くなるのと同じ理屈です。息に含まれる水蒸気が、冷えて小さな水や氷の粒に戻る。飛行機雲は、それを空の上で、桁違いの規模でやっているにすぎません。

もう一つ、細かい仕掛けがあります。水蒸気が粒になるには、芯になる小さなちりが要ります。ウェザーニュースの解説によれば、排気にはこの氷の芯となる粒子（すすなど）も含まれていて、雲づくりを後押しします。何もないところに雲はできにくく、何かにくっついて初めて粒が育ちます。ふつうの雲も、たいていは同じ事情です。

もう一つの作り方

飛行機雲は、排気とは別のきっかけでもできます。高速で飛ぶと、翼のうしろやプロペラの先では、周りの気圧がぐっと下がります。ウェザーニュースは、気圧が下がると空気が膨張して冷え、そこで水蒸気が氷の粒に変わる、と説明しています。エンジンとは無関係に、空気が冷えるだけでも雲はできる。こちらはやや地味な脇役です。

そもそも、できる・できない

ここで一つ、はっきりした境目があります。いくら排気が水蒸気を含んでいても、周りの空気がある程度冷たくないと、飛行機雲はそもそもできません。NASAの解説では、飛行機雲ができるのは高度がじゅうぶんに高く、氷点をはるかに下回る場所にかぎられ、低い高度を飛ぶ機体では気温が足りず雲はできない、とされています。

この境目には、きちんとした物理の条件があります。シュミット・アップルマン条件と呼ばれるもので、熱く湿った排気が冷たい空気と混ざる途中で、いったん水に対して過飽和になって細かな水滴ができ、それがマイナス38度あたりを下回って凍る——この二つがそろって初めて雲になる、というものです。査読付きの大気化学の論文（Kaufmann らの研究）でも、水滴の生成と、およそマイナス38度以下での凍結が、飛行機雲発生の条件として挙げられています。できたばかりの飛行機雲は、いったん水滴を経てから凍った氷の粒の集まりです。

残るか消えるかは空が決める

ここからが、いちばん面白いところだと思います。飛行機雲が「できる」かどうかと、それが「残る」かどうかは、じつは別の問題です。

数秒で消える雲と、何時間も居座って空いっぱいに広がる雲。この差を生んでいるのは、飛行機の性能でも排気の量でもありません。その高さの空気が、どれだけ湿っているかです。もっと正確に言えば、周囲の空気が「氷に対して過飽和」になっているかどうか。全米アカデミーズの報告書によれば、まわりの大気が氷に対して過飽和なら、できた氷の粒は蒸発せずに育ち、何時間も残る巻雲のような雲（コントレイル巻雲）へと広がっていきます。逆に空気が乾いていれば、氷の粒はすぐに周りへ溶け込んで、雲はあっけなく消えます。

この効きめは、想像よりずっと大きいものでした。先ほどの大気化学の論文は、10年ぶんの気象データを調べ、飛行機雲が残らない原因のおよそ9割は、まわりの空気が氷に対して過飽和になっていないことだった、と報告しています。エンジンをどう設計しても、その空域が乾いていれば飛行機雲は残らない。つまり、消えるか残るかを決めているのは、機体の側ではなく空の側だ、というわけです。しかもこの湿った空域は、水平には数百キロと広い一方で、垂直にはほんの数百メートルしかない、薄い層として漂っています。飛行機雲がある高さでだけ長々と残り、少し違う便では跡形もない——そんな見え方は、この薄い層をかすめたかどうかの違いだったりします。

雨の前ぶれ

上空の湿り具合が飛行機雲の寿命を決めるなら、飛行機雲から逆に天気を読むこともできます。昔から「飛行機雲が長く残ると天気は下り坂」と言われるのは、これが理由です。

低気圧が近づくとき、地上より先に、上空の高いところから湿った空気に覆われはじめることが多い。日本気象協会もウェザーニュースも、そろってこの点を指摘しています。だから、いつもならすぐ消える飛行機雲が、その日にかぎって太く長く居座っているなら、上空はもう湿りはじめている。地上はまだ晴れていても、翌日は雨、という読みが立ちます。古いことわざの裏に、上空の湿りを読む理屈がちゃんとあったわけです。

氷の雲が、地球を暖める

最後に、意外な後日談を一つ。ただの水と氷でできた飛行機雲は、じつは地球の気温に関わっています。

空に広がった飛行機雲は、太陽の光をいくらかはね返して地表を冷やす一方で、地表から宇宙へ逃げる熱（赤外線）をさえぎって暖めます。この二つの綱引きの結果、飛行機雲は全体としては暖める側に働く、というのが近年の見方です。NASAの研究では、飛行機雲は反射による冷却よりも、熱を閉じ込める効果のほうが勝つ「薄い毛布」のようにはたらく、と表現されています。全米アカデミーズの報告書は、夜にできる飛行機雲はつねに暖める向きに働く、とも述べています。航空機が気候に与える影響のうち、二酸化炭素以外の分がかなりの割合を占め、その大きな一つが飛行機雲だとされる一方で、どこまで暖めるかの見積もりには、まだ幅があります。

1本の白い線を引くのは飛行機です。けれど、それが数秒で消えるか、空に広がって熱をため込むかを決めているのは、そのとき飛行機が通った空のほうでした。長く居座る飛行機雲は、その高さの空がもう湿っている印でもあります。

参考・出典

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