中学受験 理科 雲のでき方—空気が冷えて小さな水滴になる過程を説明する｜武蔵野個別指導塾

上昇して冷えた空気にできる水滴や氷の粒をたどり、容器の実験と霧の観察を通して雲が見える理由を説明できます。

雲は、空気中の水蒸気（すいじょうき）が冷やされてできた小さな水滴（すいてき）や氷の粒（つぶ）が集まって見えるものです。水蒸気は気体で、目には見えません。よくあるのは、白く見える雲を水蒸気そのものと答える小5の場面です。見える粒と、それができる前の気体を区別すると、雲ができる道筋を説明できます。

問題はどこを見ているか

出方の一つは、空気が上へ動く前と後を比べ、温度と中の水の姿を言葉でつなぐ問題です。上昇（じょうしょう）した空気は周囲の気圧（きあつ）が低いところで広がり、温度が下がります。十分に冷えると水蒸気の一部が水滴になり、雲として見えます。矢印を並べるだけでなく、どの段階で見える粒ができるのかを問われます。

もう一つは、透明だった容器の中が白く見えた記録を読み、操作と結果の関係を選ぶ問題です。記録にないことまで決めつけず、何を変え、何が見えたかを分けましょう。白くなったことは粒ができた手がかりですが、気体そのものに白い色がついた証拠ではありません。

さらに、雲と霧（きり）の共通点や違いを説明する問題もあります。どちらも小さな粒が空気中に集まったものですが、霧は地面に接する空気中にできます。場所の違いを押さえたうえで、粒の正体は共通すると考えます。

見えない気体から見える粒へ

水は、海や地面などから蒸発（じょうはつ）し、水蒸気として空気中に入ります。水蒸気は水の気体の姿です。透明な空気にも水蒸気が含まれていることがあります。透明だから水が全くない、とはいえません。

図1は、空気の動きと水の姿をつないだものです。矢印は空気が上がる向きと、その後の変化の順を示します。空気が上へ動いて広がり冷えると、条件によって水蒸気の一部が液体の小さな水滴になります。さらに低い温度の場所では氷の粒も雲をつくります。図1の粒は、水蒸気を目に見える形で描いたものではありません。

水滴や氷の粒は空気中のちりなどをもとにでき、たくさん集まると雲として白く見えます。雲をつくる粒を雲粒（うんりゅう）と呼びます。空気が少し冷えたらいつでも白くなるわけではありません。含まれる水蒸気の量や冷え方によって、粒ができるところまで達するかが変わるからです。

冷たい物の表面に水滴がつく現象も、水蒸気が冷えて液体になる例です。ただし、表面についた水滴と、空気中に浮かんでいる雲粒では、できた粒のある場所が違います。窓の水滴を雲そのものと呼ぶのではなく、気体から液体への変化という共通点を見ます。

霧は地面近くの空気が冷えるなどしてできます。山の中で霧に包まれている人から見ると、周囲が白くかすみます。離れた場所からは同じ粒の集まりが雲のように見えることもあります。雲と霧は名前が違っても、白さのもとになるのは見えない水蒸気ではなく、見える小さな粒です。

容器の記録から順番を読む基本例題

次の記録は、雲のでき方を考えるために作った紙上の実験です。透明な容器には少量の水と空気が入っています。中の空気を急に広げると温度が下がる条件で調べました。中には水滴ができるもとになる細かなちりもあります。水の量や温度を実際に測った値として扱うものではありません。

問　広げた後の白さの正体と、それができた道筋を説明してください。また、白さが消えた後の空気に水蒸気がある可能性を答えてください。

図2のように、操作前、広げた後、縮めた後の順に読みます。図2の点は白く見える小さな水滴を表し、矢印は操作の順です。

答えは、白さは小さな水滴の集まりで、空気が広がって冷え、水蒸気の一部が水滴になったためです。白さが消えた後にも、水蒸気がある可能性があります。液体の粒が見えなくなったことと、気体の水蒸気がなくなったことは同じではありません。

解くときは、まず操作によって変わったものに線を引きます。この記録では「空気を広げる」です。次に表の同じ行から「温度が下がった」と「白く見えた」を拾います。空気が広がることと白く見えることの間に、温度が下がるという段階を入れます。

冷える前にも水蒸気を含んでいたという条件を見落とさないことも大切です。突然、空気の外から水が入り込んだと考える必要はありません。冷えたときに、それまで見えなかった水蒸気の一部が粒に変わったと考えます。

縮めた後は逆向きに考えます。温度が上がり、水滴が蒸発して水蒸気になると、粒による白さは消えます。水蒸気は目に見えないため、透明になっただけでは、水蒸気の有無や量を目で決められません。この記録で測っていない量を勝手に答えへ加えないことが、観察問題を解くときの守りになります。

観察の記録では、白さが消えた後の水の行き先も考えてみましょう。見える粒が蒸発すれば、空気中に見えない水蒸気として含まれます。見えなくなったことから、水そのものが消えたと考えるのは誤りです。ただし、この観察では水蒸気の量を測っていないため、どれだけになったかは答えられません。

自然の空では、容器の操作をする代わりに、地面近くの空気が上へ動くことがあります。上へ運ばれた空気は周囲の気圧が低くなると広がり、温度が下がります。容器の記録と同じように、冷える前の水蒸気と、冷えた後の粒を区別して読み取ります。容器と空の大きさや動きは違っても、空気が広がって冷え、水の姿が変わるところが考える手がかりです。

答えを書く際は、問いが白さの正体を聞いているのか、白くなるまでの道筋を聞いているのかを見ます。正体なら小さな水滴と答え、道筋なら冷えることと水蒸気の変化をつなぎます。一語だけで足りる問題と、理由まで必要な問題を読み分けましょう。

冷えても白くならない場合を考える

別の紙上の実験で、同じ大きさの容器AとBにちりを含む空気を入れました。両方とも初めの温度は同じです。Aの空気にはBより多く水蒸気が含まれています。両方の空気を同じように広げると、温度は同じだけ下がり、Aは白くなりましたがBは透明なままでした。容器から水は出入りしないものとします。

問　AとBの結果が違った理由として、次のアとイのどちらが適切ですか。また、Bが透明なままだったことから、水蒸気が全くなかったといえますか。

ア　同じだけ冷えても、初めに含まれた水蒸気の量が違うため、粒ができる条件に達したかが違った。

イ　透明な空気には水蒸気が含まれないため、Bには初めから水蒸気がなかった。

答えはアで、Bに水蒸気が全くなかったとはいえません。Bにも水蒸気が含まれていたという条件を読み取ります。透明なままだったことは、見える水滴ができなかったという観察です。冷却によって必ず粒ができると決めれば、AとBの違いを説明できません。

ここでの分かれ目は、温度が下がったかどうかだけではなく、その空気が粒をつくる条件まで冷えたかどうかです。Aは粒ができる条件に達し、Bは今回の冷え方では達しなかったと考えられます。イは「見えない」と「ない」を取り違えています。選択肢を選ぶときは、条件に書かれたBの水蒸気と、透明だという結果の両方に合うかを確認します。

また、この記録だけで、Bをさらに冷やしたときの具体的な温度や水滴の量は求められません。どの温度で粒ができ始めるかの情報がないためです。問題に与えられた範囲で説明を止めることも、正しい読み方です。

白さを水蒸気と呼んでしまったら

次の誤答を見てください。「空気が上がると、水蒸気が白く色づいて雲になります」。上昇と雲を結び付けようとしている点はよいのですが、白さの正体が違います。水蒸気は気体で見えず、白く見えるのは冷えてできた水滴や氷の粒です。

図3では、見えない気体から見える粒への変化を分けています。図3の矢印は水の姿が変わる向きです。白い雲を見たところから出発して、「目に見えるのは何か」「その粒ができる前は何か」と逆にたどると、誤りを見つけやすくなります。

直す手順は、まず「水蒸気」の横に「気体・見えない」と書くことです。次に「雲」の横に「水滴や氷の粒」と書きます。最後に、上がる、広がる、冷える、粒ができる、という順序を結びます。答えは「水蒸気を含む空気が上昇して冷えると、水蒸気の一部が小さな水滴や氷の粒となり、集まって雲が見えます」と直せます。

もう一つの誤りは、「雲ができたら空気中の水蒸気は全部なくなる」という答えです。雲粒ができても、空気中には水蒸気が残ります。粒になった部分と、気体のままの部分を分けて説明しましょう。霧を水蒸気そのものと答えた場合も、地面近くに見える粒へ戻って同じように直せます。

自分で確かめる問題

次の4問はそれぞれ独立した問題です。まず答えを考え、後の解き方で条件と照合してください。

1. 湿った空気が山の斜面に沿って上昇し、広がりながら十分に冷えました。雲が見えるまでに水蒸気がどう変わるか、順序を説明してください。
2. 地面近くが冷え、周囲が白くかすむ朝があります。この白いものを霧と呼ぶとき、見えている水の姿と、霧ができる場所を答えてください。
3. 透明な空気について、ア「水蒸気は含まれない」とイ「水蒸気を含むことがある」のうち、正しい方を選び、理由を答えてください。
4. 水蒸気を含む空気を冷やした記録で、白い粒は見えませんでした。この結果だけから、ア「空気に水蒸気はなかった」とイ「見える粒は観察されなかった」のどちらがいえますか。選ばなかった方の問題点も説明してください。

答えと道筋

1の答えは、空気が上昇して広がり冷えると、水蒸気の一部が小さな水滴などになり、粒が集まって雲が見える、です。山に沿って上がることが出発点です。水蒸気が白く変色したのではなく、見える粒が生じたことを書きます。冷える前にも空気に水蒸気が含まれているという条件を使います。

2の答えは、見えているのは小さな水滴で、場所は地面に接する空気中です。水蒸気は気体で見えないので、白くかすむ原因にそのまま当てはめません。高い空にある粒の集まりを雲と呼ぶ場合と、水の姿に共通点があります。位置を問う部分と粒の正体を問う部分を分けて答えます。

3はイです。水蒸気は目に見えない気体なので、透明に見える空気にも含まれることがあります。アは透明であることを、水蒸気が存在しない証拠としています。見えないものは存在しない、という考えが誤りです。

4はイです。観察したのは白い粒が見えなかったという事実です。アは、見えない水蒸気までなかったと飛躍しています。冷えても、粒ができる条件に達しなければ透明なままのことがあります。記録されていない水蒸気の量を、この結果だけから決めることはできません。

雲を説明するための要点

• 水蒸気は目に見えない気体です。
• 空気が上昇して広がると温度が下がります。
• 十分に冷えると水蒸気の一部が小さな水滴や氷の粒になります。
• 雲も霧も粒の集まりで、霧は地面に接する空気中にできます。

家でつまずきを見つけるには

お子さまが雲を水蒸気と呼んだら、すぐに用語を言い直す前に、図1の透明な空気と白い粒を順に指さしてもらいます。「どちらが目に見えるかな」と尋ね、粒の方を選べるかを見ます。選べたら「粒になる前はどんな姿かな」と戻り、水蒸気が見えない気体だと自分の言葉で言えるか確かめます。

順番が混ざるときは、図2の容器を左から指でたどり、操作、温度、見え方を一つずつ聞きます。答えが止まった場合は、表の「温度が下がった」行を指して手がかりにします。全部を先に説明せず、次の一段階をお子さまに選んでもらうと、どこで迷ったのかが見えます。

透明なままの問題で「水蒸気がない」と答えた場合には、図3の気体の側に戻ります。見えた結果と、見えないものの有無を別々に聞いてみましょう。雲の白さから小さな粒へ、さらにその前の気体へとたどる道が、説明の支えになります。