雲はなぜ白いのに雨雲は黒い？光の進み方でわかる理由【中学生向け・理科】

青空に浮かぶ雲は、まぶしいほど真っ白。ところが、雨が降りそうになると、空をおおう雲は暗い灰色に見えます。

同じ雲なのに、なぜこんなに色が違うのでしょう。

白い雲も黒い雨雲も、できているのは同じ透明な水滴や氷の粒です。色の違いを生むのは、そこから私たちの目に届く光の色や量です。

• 雲が白いのは、いろいろな色を含む太陽の光が散らされ、混ざったまま目に届くから。
• 雨雲の底が黒いのは、光が上や横へ出ていき、底まで届く分が少なくなるから。

この記事では「太陽 → 雲 → 目」という光の道筋を追いながら、白・黒・赤に見える雲の理由をたどっていきます。

まず確認！雲は「水蒸気」ではない

水を熱すると水蒸気になります。では、空に浮かぶ雲も、水蒸気のかたまりなのでしょうか。

まずは、水の「状態」を分けて考えてみましょう。

水蒸気は、気体になった水で、目には見えません。雲として見えているのは、とても小さな液体の水滴や、固体の氷の粒です。

水の姿	状態	目に見える？	身近な例
水蒸気	気体	見えない	空気中に含まれる水
水滴	液体	集まると見える	白い湯気、霧、雲をつくる小さな粒
氷	固体	見える	雪の結晶や、雲の中の氷の粒

やかんの注ぎ口と白い湯気の間に、透明なすき間が見えることがあります。その部分には目に見えない水蒸気があり、少し離れて冷えると、小さな水滴になって白く見えます。

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。

空気が上がって冷えると、雲ができる

雲ができる代表的な仕組みは、上昇気流によるものです。「上昇気流」とは、空気が上へ昇る動きのこと。水滴ができるまでの流れを、順に追ってみましょう。

1. 水蒸気を含んだ空気が、上空へ昇る。
2. 上空ほど気圧（空気が物を押す強さ）が低いため、昇った空気は周りから押される力が弱まり、ふくらむ。
3. ふくらんだ空気の温度が下がる。
4. 十分に冷えると、水蒸気の一部が小さな水滴に変わる。

気体の水蒸気が液体の水滴に変わることを「凝結（ぎょうけつ）」といいます。雲の中には氷の粒もあり、水滴と氷の両方を含む雲もあります。

ここで関係してくるのが、「飽和水蒸気量」と「露点」です。

ある温度で空気1m³に含むことのできる水蒸気の最大量を「飽和水蒸気量」といいます。温度が低いほど、この量は小さくなります。「冷えると、水蒸気のままでいられる量が減る」と考えると分かりやすいでしょう。

例えば、部屋の空気を冷たいコップで冷やしていくと、水蒸気の一部が水滴になり始めます。このときの温度が「露点（ろてん）」です。さらに冷えると、気体のままでいられなくなった分が水滴になります。

雲ができるときも、上昇した空気が冷えて水蒸気でいっぱいの状態になると、凝結が始まります。「冷える → 水蒸気の一部が水滴になる」というつながりは、コップの水滴と共通です。詳しくは、冷たいコップに水滴がつく理由と、結露の仕組みで確認できます。

透明な水の粒なのに、雲が白いのはなぜ？

コップの水は透明です。それなのに、小さな水滴が集まった雲は白く見えます。水滴になると、水そのものの色が変わるのでしょうか。

ヒントは、かき氷にあります。

かき氷も、透明な氷からできている

透明な氷も、細かく削って積み重ねると白く見えます。雪も、一つひとつは透明な氷の結晶なのに、積もると一面を白くおおいます。

氷が白く染まったのではありません。たくさんの粒に当たった光が、あちこちへ向きを変えているのです。

雲が白く見える理由も、この「光の向きが変わること」にあります。

「散乱」は、光がいろいろな向きへ進むこと

雲の水滴に光が当たると、一部は表面で反射します。水滴の中に入った光も、空気と水の境目で曲がって進みます。この曲がり方が、理科で学ぶ「屈折（くっせつ）」です。

光が粒などに出会い、いろいろな向きへ進むことを「散乱（さんらん）」といいます。

雲には、水滴や氷の粒がたくさんあります。光は一つの粒で向きを変え、別の粒でまた向きを変えながら、雲の外へ出ていきます。そのうち、私たちの目に届いた光によって、雲が見えるのです。

光の道筋を短く表すと、こうなります。

太陽の光 → 雲の粒で散乱 → 目に入る

つまり、私たちは雲で散らされた太陽の光を見ているのです。

机の上のノートをいろいろな方向から読めるのは、紙が光をいろいろな向きにはね返しているからです。中学理科では、こうした反射を「乱反射（らんはんしゃ）」と学びます。雲では、空中の水滴や氷の粒が反射や屈折などで光の向きを変えています。どちらも「散らされた光の一部が目に入る」ところが共通です。

いろいろな色が混ざった光だから、白く見える

太陽の光には、赤・黄・緑・青など、いろいろな色が含まれています。虹では、その色が分かれて見えます。

雲の水滴の典型的な直径は約0.02ミリです。一方、目に見える光の波の長さ（波長）は0.001ミリ未満です。人間にとってはとても小さな水滴でも、光の波長に比べれば大きな粒なので、どの色の光もほぼ同じように散らします。

そのため、昼間の太陽光に含まれる色が、大きく偏らずに混ざったまま目へ届きます。これが、雲が白く見える理由です。

絵の具は混ぜると暗い色になりやすいのに、光は混ぜ方によって白く見えます。例えば、赤・緑・青の光も、強さのバランスを合わせて重ねると白く見えます。この三つを「光の三原色」といいます。

青空との違いも、光を散らすものの大きさにあります。

見ているもの	光を散らすもの	散らされ方
青空	窒素や酸素などの、ごく小さな分子	青い光など、波長の短い光を強く散らす
白い雲	分子よりずっと大きな水滴や氷の粒	いろいろな色の光をほぼ同じように散らす

雨雲が黒いのは、光が底まで届きにくいから

粒がたくさんあるほど光を散らすなら、分厚い雨雲はもっと白くなりそうです。なぜ下から見ると暗いのでしょうか。

今度は、光が「雲のどこから出ていくか」を考えてみましょう。

光が消えるのではなく、別の方向へ出ていく

分厚い雲の中では、光が何度も散乱されます。その結果、上や横から外へ出ていく光が多くなり、底まで通り抜ける光は少なくなります。

雲の粒は、目に見える光をあまり吸収しません。雨雲の暗さは、光を大量に吸い込むからではなく、光の進む向きが変わって、底まで届く分が減ることで生まれます。

白い紙も、日なたでは明るく、日陰では暗く見えますよね。雨雲の底も、いわば雲が自分でつくった「日陰」です。

同じ雲でも、上と下で明るさが違う

日中、飛行機の窓から雲を見下ろすと、太陽に照らされた上側は白く輝いて見えます。その同じ雲の下で、地上の人は暗い灰色の雲を見上げているかもしれません。

上へ出た光は、上空にいる人の目へ届きます。一方、地上の人へ届く光は少なくなります。雲の水が別の色になったのではなく、見る位置によって受け取る光が違うのです。

見る場所	目に届く光	雲の見え方
日の当たる上側を見る	上へ散らされた光が多い	白く明るい
厚い雲の底を見上げる	底から届く光が少ない	灰色で暗い

周りの空が明るいと、対比によって雲の底がさらに暗く感じられることもあります。

光の通りやすさには、雲の厚みだけでなく、粒の量や大きさも関係します。

夕方の雲が赤くなるのは、届く光の色が変わるから

夕方には、白かった雲がオレンジ色や赤色に見えることがあります。

今度は、雲を照らす前の光に注目します。

朝や夕方は太陽が低い位置にあり、太陽の光は大気の中を昼間より長く進んできます。その途中で青い光などが元の進行方向から散らされ、雲に届く光は赤やオレンジの割合が高くなります。

青い光が消えたのではなく、ほかの方向へ進んだということです。

雲がその赤みの強い光を散らすと、雲も赤く見えます。白い壁に夕日が当たると、壁がオレンジ色に見えるのと似ています。

白・黒・赤の違いは、次のように整理できます。

雲の見え方	光について変わること
昼間の白い雲	いろいろな色が混ざった光が届く
雨雲の暗い底	目に届く光の量が少ない
赤い夕焼け雲	雲を照らす光に、赤やオレンジが多い

自由研究のヒント：紙を通る光と、地面の影を比べよう

ミニ実験：ティッシュを重ねると、通り抜ける光はどう変わる？

白い紙でも、照らされた側を見るときと、向こう側から光を通すときでは見え方が変わります。ティッシュを使って、その違いを調べてみましょう。

用意するものは、同じ種類の白いティッシュ、弱い明るさにできるLED懐中電灯、白い紙です。大人と一緒に準備し、ライトにティッシュをかぶせたり、触れさせたりしないでください。光源をのぞかず、白い紙に届く光を見ます。レーザーや高出力ライト、太陽光は使いません。

1. ライトを白い紙へ向け、紙にできた明るい部分を見る。
2. ライトから離れた位置で、ライトと白い紙の間にティッシュを1枚入れる。
3. 同じ位置でティッシュを2枚、4枚と重ね、白い紙に届く光の明るさを比べる。ライトと紙の距離や、部屋の明るさは変えない。
4. 今度は重ねたティッシュを机に置き、斜めから照らす。ライトの側から、照らされたティッシュの表面を見る。

通り抜ける光は、重ねるほど少なくなると予想できます。一方、照らされた面からは、紙で散らされた光が目に届きます。実際にはどう見えたでしょうか。差が分かりにくかった場合も、そのまま記録してください。

これは「通り抜ける光」と「手前へ戻る光」を比べる模型実験です。紙では光の吸収も起こるので、雨雲の仕組みをそのまま再現した実験ではありません。「照らす側と見る側の位置で、届く光が違う」という点を雲と結びつけて考えましょう。

観察：雲が通ると、地面の影はどう変わる？

光の変化は、空だけでなく足元にも表れます。天気が穏やかな日に、車の来ない安全な場所で、自分や建物の影を見てみましょう。太陽を直接見る必要はありません。

1. 日が差しているとき、影の輪郭がはっきりしているかを見る。
2. 雲で日差しが遮られたとき、同じ場所の影をもう一度見る。
3. 「輪郭がはっきり」「ぼんやり」「影を見つけにくい」など、自分が見た様子を言葉で記録する。

太陽からの光が直接届くと、くっきりした影ができやすくなります。一方、雲で散らされた光がいろいろな方向から届くと、影の部分にも光が入り、輪郭がぼんやりしやすくなります。

理科のレポートにまとめるなら、「結果」と「考察」を分けると、何を確かめたのかが伝わりやすくなります。

• 結果（見たこと）：影の輪郭や、周りの明るさはどう変わった？
• 考察（考えたこと）：直接届く光と、散らされて届く光の割合が変わったのでは？

暗い雲が近づく、雷の音がする、急に冷たい風が吹くときは、観察をやめて丈夫な建物の中へ移動しましょう。

雲について、もう少し知りたい疑問

黒い雲なら、必ず雨が降る？

色だけでは決まりません。厚い雲は暗く見えやすいものの、太陽の位置や、ほかの雲の影でも見え方が変わるからです。

逆に、遠くで白く輝いている入道雲の下で、大雨が降っていることもあります。「白いから安全」とは限りません。

真っ黒な雲が近づく、雷の音がする、急に冷たい風が吹くといった変化は、天気が急に変わるサインです。丈夫な建物の中に入り、気象情報を確認しましょう。

霧と雲は、何が違う？

霧も、小さな水滴が空気中に浮かんだものです。雲との大きな違いは、地面に接しているかどうかです。山を登って雲の中に入ると、周りが霧に包まれたように見えます。

霧が白く見えるのも、水滴が光を散らすためです。

天気予報の画像では、雨雲が白いのはなぜ？

太陽の光を使う「可視画像（かしがぞう）」では、雲が上へはね返した光を衛星がとらえています。地上から暗く見える雲も、上からは白く写るのです。

一方、夜でも観測できる「赤外画像（せきがいがぞう）」は、雲などから出る赤外線を調べた画像です。よく使われる白黒表示では、温度の低い雲ほど白く表します。高い空にある薄い雲も白く写るので、白さだけで雨雲とは判断できません。

同じ白でも、「光を強くはね返している」と「温度が低い」では意味が違います。画像の名前も確認すると、天気予報がより読み取りやすくなります。

曇った夜は、晴れた夜より冷えにくいのはなぜ？

雲からも地面へ赤外線が届き、地面から失われる熱を少なくするからです。

地面は、目に見えない赤外線を出して熱を失っています。雲は赤外線を吸収し、自分でも赤外線を出します。その一部が地面へ届くことで、地面が失う熱が少なくなります。

雲は、目に見える太陽の光を散らすだけでなく、赤外線を吸収したり出したりもしているのです。

夜の冷え込みは、気温がプラスでも霜がつく理由と、放射冷却でも詳しく説明しています。

まとめ：雲の色は「光の道筋」で考えよう

この記事の要点は、次の五つです。

• 雲は、目に見えない水蒸気ではなく、小さな水滴や氷の粒の集まり。
• 空気が上昇してふくらみ、十分に冷えると、水蒸気の一部が凝結して水滴になる。
• 白い雲では、いろいろな色の光が混ざったまま目へ届く。
• 暗い雨雲の底からは、目に届く光が少ない。
• 夕焼け雲では、照らす光に赤やオレンジの割合が多い。

雲の色を考えるときは、次の三つを順番にたどってみてください。

1. 入り口：昼の光？夕方の赤みのある光？
2. 雲の中：散らされた光は、上・横・下のどちらへ出ていく？
3. 目に届く光：どんな色の光が、どのくらい届く？

雲をつくる水滴や氷の粒は、白から黒、赤へと色そのものが変化しているわけではありません。同じ雲でも、光の色や量、見る位置によって違って見えます。

次に空を見るときは、雲の明るいところと暗いところを比べてみましょう。太陽を直接見ずに、雲から自分の目へ届く光の道筋を想像してみると、いつもの空の景色から理科の仕組みが見えてきます。

参考資料

気象庁「雲・大気現象・大気光象について」。雲の白さ、厚い雲の底の暗さ、空と夕焼けの色。
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/faq/faq13.html

仙台管区気象台「雲ができる仕組み」。雲の粒と水蒸気の違い、上昇する空気がふくらんで冷える仕組み。
https://www.data.jma.go.jp/sendai/knowledge/kyouiku/yoho/kumo.pdf

Met Office「Why are clouds white?」。水滴による色ごとの散乱、雲の上側・側面・底の明るさの違い。
https://weather.metoffice.gov.uk/learn-about/weather/types-of-weather/clouds/why-are-clouds-white

気象庁「衛星観測画像の見方」。可視画像と赤外画像で、白さが意味することの違い。
https://www.data.jma.go.jp/sat_info/himawari/satobs.html

気象庁「積乱雲が近づいてきたら…」。天気の急変時に安全な場所へ避難すること。
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/tenki_chuui/tenki_chuui_p9.html

気象庁「気温、湿度」。露点温度と飽和の関係。
https://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/yougo_hp/kion.html

キヤノンサイエンスラボ・キッズ「光はRGBでできている」。光の三原色と、光とインクの混色の違い。
https://global.canon/ja/technology/kids/mystery/m_04_02.html

NASA JPL「NASA Solves a Drizzle Riddle」。雲の水滴の典型的な直径。
https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-solves-a-drizzle-riddle/

Science Buddies「Black in the Spotlight」。紙などを使って光の透過・反射・吸収を調べる授業案。本記事のミニ実験は、この考え方をもとに、紙に届く光を目で比較する方法へ組み替えたものです。
https://www.sciencebuddies.org/teacher-resources/lesson-plans/light-transmission-reflection-absorption