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ジェット気流の発見-大石和三郎とC.G.ロスビー(2)気象学との出会い

ジェット気流の発見-大石和三郎とC.G.ロスビー(2)気象学との出会い




大学の大気科学の教材に、大気大循環を説明する図があり、そこにロスビー循環が描かれている。それは、対流圏の中層から上層の大気が、蛇行しながら地球を周回する気流のシステムである。出現する地帯は、緯度30~60度で、西から東に向かい流れている(図1参照)。

ロスビー循環の低緯度側にはハドレー循環が、高緯度側には極循環が形成される。いずれも特徴のある循環だが、ここでは次のように簡単に説明しておこう。地球上では、赤道地帯で熱エネルギーが貯まる一方で極地域では失われる。もしこのエネルギー不平衡が解消されなければ、赤道地帯はどんどん温まり、極域は冷えてしまう。しかし、そうはならない。なぜか。図1に描かれた大気の循環が、余剰な熱を運ぶからである。また、海流も不平衡の解消に一役買っている。実際、大気と海洋の循環が現在の気候を育み、季節を形成する。

さて、私達は、大気運動を学び気象学の発展に貢献したカール・グスタフ・ロスビー(1891~1957、スウェーデン生まれ)のことをよく知っている。図1に示したロスビー循環を形成する波動の発見、偏西風や絶対渦度の保存、また大気の大規模運動を熱学的に取り扱った点などがそれである。しかし、これらの理論的な創造性による成果とは別に、実際的な面での業績があることをご存じだろうか。それこそが、この連載で取り上げたい部分である。つまり、学問の世界だけでなく、アメリカ気象学の組織化と天気予報の実践といった実際的な点でも卓越した能力を発揮した。

ところで、この連載には何人もの気象学者が登場する。彼らは、一般には馴染がないと思われるが、ロスビーを語るには欠かせない。はじめに登場するのは、ノルウェーのベルゲン地球物理学研究所で、ロスビーらと供に気象学の基礎を作り上げたトール・ベルシェロンである。彼は、ロスビーより7歳年上で、1918年にベルゲン地球物理研究所に入った先輩研究者である。ベルシェロン(Bergeron, 1959)が語ったところによると、ロスビーは、人文科学と自然科学の両方で傑出した人物であり、何よりも新しい挑戦に対して常に熱心だった。ロスビーもベルゲン研究所に心から引かれて参加していた。またトール・ベルジェロンの伝記には次の逸話がある。それは天気図の前線を描く方法に関するものだ。その当時習慣となっていた方法というと、温暖前線には青色を寒冷前線には赤色を使用していたが、ロスビーは反対に、温暖前線には赤を寒冷前線には青を使用する方が良い、と主張したことが記載されている。その後、この方法が定着している。

ベルゲン地球物理学研究所の創設者で著名な気象学者ヴィルヘルム. ビャークネスは、ロスビーが1919年の夏の終わりに他の学生を統率して冬期の教育を分担することを任せた。その後ロスビーは、ビャークネスとともにライプツィヒの地球物理学研究所を1年間訪問した。この時、ベルリン近郊のリンデンベルク測候所を訪れた。そこは日常的に凧や気球を使った上層大気の観測が行われていた。しかし、ロスビーはベルゲンの研究グループに高層気象観察を持ち帰るような働きかけはしなかった。この理由については興味があるが、さらに文献調査が必要である。ロスビーは、1921年には母国スウェーデンのストックホルムに戻り、スウェーデン気象水文研究所のスタッフになった。

参考文献
  1. http://fnorio.com/0041circulation_of_atmosphere1/circulation_of_atmosphere1.htm
  2. Bergeron: The young Carl-Gustaf Rossby. The Atmosphere and Sea in Motion, B. Bolin, Ed., Rockefeller Institute Press, 51-55, 1959

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コメント

  • 角田 より:

    連載、毎回楽しみにしています。今回は大石和三郎から離れているあたりに、著作全体についての大きな意図が垣間見えて興味をさらにそそられています。ある程度まとまったらぜひ出版してほしいですね。
    ところで、素朴な質問なのですが、今回の図1でロスビー循環だけが点線矢印と実線矢印が、ハドレー循環、極循環とは違って、地上付近の流れと上層での流れが逆に表わされているようですが、なぜでしょうか。

  • 林陽生 より:

    角田さんから質問への回答:
     図1の地球外縁部のハドレー循環と極循環は、子午線面に沿った循環場として描かれています。ロスビー循環が卓越する緯度帯にも子午線面循環が卓越していて「フェレル循環」と呼びます(しかし、図1の原図には標記されていない)。これらの循環は、子午線面上で卓越する現象として定義され、3つの循環が並んでいます。
     右側の外縁部を見てください。ハドレー循環は、赤道で暖められた空気が上昇し、それが高緯度側へ流れて(破線で熱が運ばれ)ある緯度まで到達すると下降し、全体が反時計周りの循環です。その高緯度側にはフェレル循環がありますが、これは時計回りの循環で、比較的温い空気(熱エネルギー的に)が今度は表面近くを流れます(破線で表現)。ハドレー循環とフェレル循環が対面した下降域の下層には高気圧帯が形成されます(フェレル循環と極循環の場所は低圧帯)。さらに高緯度側の極循環は反時計回りで、破線は上層を曲に向かい流れ、極域に達すると冷やされて沈降します。3つのセルになるのは、対流圏の厚さ(大気の密度)や重力、太陽定数などで決まると考えられます。
     問題のロスビー循環は、現象自体が3次元的な特徴(蛇行する)を持っています。3次元の運動を子午線面に投影すると差分だけが残って、見かけ上子午線面のフェレル循環として表現されます。破線が高緯度側への熱輸送を、実践はの反対を表現しています。
     物理的には、単純な(子午線断面の循環としての)フェレル循環だけでは運びきれない膨大な熱を高緯度側へ輸送するメカニズムがロスビー循環と考えればよいでしょう。

  • 中津留 より:

    連載を楽しみに拝見させてもらっています。
    フェレル循環を理論付けたウィリアム・フェレル(1817~1891,アメリカ)の死後に、ロスビーが生誕されておりました(生誕は1898年のようです)。フェレル循環とロスビー循環はどのような関係があるのでしょうか。
    また、この時代の「発見」というのは、観測と理論のどちらが先なのか興味があります。大規模循環はどのように観測されて結論付けられたのでしょうか。
    今後の連載も楽しみにしております。

  • 林陽生 より:

     フェレルとロスビーは丁度入れ替わるように世に出ました。フェレル循環は子午線面の循環として認識された、と考えられます。一方で、スタティックな状態としての偏西風は認識されていたので、実際にフェレルの頭の中に何が描かれていたかは、興味ある所です。調べてみると面白いと思います。
     この時代の「発見」が、理論が先か観測かという、これも面白そうな問ですね。気象現象に関しては、観測が先、が多いように思います。ただし、なかでも化学が関係すると理論が以外に先を越しているとも考えられます。良い例は、温室効果(ガス)の発見と地球平均気温の上昇の関係があります。

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