気象入門の入門とその道筋
本記事は いかつぼ Advent Calendar 2020 の17日目の記事である。
この記事は「気象・気象学においてどういう道筋で学んでいくのか」という入門から風の発生に至るまでについて恐らく「聞いたことあるキーワード」までを押さえた大雑把な解説となる。雲の形成などについては大気や風についての話からの応用になると考えてるので、この記事ではしない。
そして、この記事についてはジャイアントインパクト説を用いて説明しているため、他の説と齟齬がある可能性があり、筆者は浅学の身でもあるので、この記事は絶対的なものではないということを注意してほしい。
1. 気象とはなにか
気象において、基礎中の基礎となるのが「大気・水・熱(太陽)」である。この3つがなければ天気という現象が成り立たないからだ。
そのためには何処から話が始まるのか？という所から始まる。
2.気象の事始め
気象というのは地球が形成されてすぐに登場するわけではない。ここでキーワードになるのは「原始地球」というものだ。
46億年前に微惑星の集積に依って原始地球が誕生した。鉄と珪酸塩で構成され、現在の地球半径に比べおおよそ30%に至った頃に衝突のエネルギーでマグマが溶融し始め、そこから脱ガスにより原始大気の形成が始まる。ここで考えられているのは、原始太陽系星雲のガス成分が大気を作るのではなく、微惑星に含まれていたガス成分が抜け出したものではないかというものだ。
原始大気における成分は主に水蒸気と二酸化炭素、他に現在の温泉ガスや火山噴火した際の成分と似ている窒素や一酸化炭素、亜硫酸ガスが含まれている。
ここから現在の地球半径に比べておおよそ50%に至った頃に、水蒸気と二酸化炭素に依る温室効果で表面が1500Kほどに加熱され、溶融した珪酸塩が主成分となるマグマオーシャンの時代となるが、ここから地殻が形成されるまで割愛する。
地殻が形成されてから原始大気の水蒸気が凝結し、降雨となり海洋が形成される。分圧にして300気圧の水蒸気が凝結した場合、海の平均水深はおおよそ3000mとなる。できたての海は塩素や亜硫酸ガスが溶けている酸性であったが、水蒸気が雲を形成し、陸地に降り注ぐことによって陸の侵食からナトリウムやカルシウムを水に溶かし、海を中和するようになった。
その後、二酸化炭素が海に溶けるようになり、海水中のカルシウムを炭酸カルシウムに変化させ沈殿するようになった。ここで、大気中の二酸化炭素は海に吸収され石灰岩として沈殿し、相対的に大気中の二酸化炭素は減少していった。これにより、残された窒素が主成分となった大気が完成する。
3.生命の発生
38億年前には生命誕生の準備が整っていたとされているが、ここではまだ不確定な要素が多いため生命の誕生については割愛する。
酸素分子を生み出す最初の生物はシアノバクテリアという光合成を行う原核生物が誕生した。発生した酸素は水中にある鉄を参加させ、ストロマトライトを形成してから沈殿し、そこがシアノバクテリアのコロニーとして縞状鉄鉱層が形成された。
ここからおおよそ25億年前の原生代前期に酸素が急激に大気中に広がり、そこから現在からおおよそ18億年前頃にオゾン層が形成され、成層圏や中間圏ができた。オゾン層の発生により、太陽からの紫外線量を低下させ、生物が陸地への進出ができるようになった。現在からおおよそ5億年前、カンブリア爆発と言われている生物の大規模な拡大が行われたが、これはオゾン層が生命に適した大気環境を作り出した。
4.1.現在の大気と風
本来であれば、ここから現在の大気の鉛直構造やら気温の南北分布やら、太陽放射やら気圧傾度などの話が入る場合が多いが、ここでは入門やざっくりとした解説のため割愛する。
風というのは水平方向に密度差が生じることにより発生するもので、空気の密度は気温が上がれば上がるほど小さくなり、密度差は気温差によって発生する部分が多い。大抵の場合、ここでは上空と地上の2つの層か双方の風の流れの説明をするが、ここも割愛して地上視点での風の流れを大雑把に説明する。
4.2.海陸風
4.1で大雑把に踏まえた点で筆者がわかりやすいと思うのは海陸風である。
昼間は海から陸に、夜は陸から海に風が流れる事が多い。これは、「水は熱容量が大きく、熱しにくく冷めにくい」という性質があり、日が差している日中は海洋も陸も暖められ温度が上昇するが、陸のほうが温度が高くあがり、海から陸に向かって風が吹く。逆に夜間は放射冷却により海洋も陸も温度が下がるが、海は陸ほど温度が早く下がらない為、陸から海に向かって風が吹く。簡単な図解で現すとこうだ
昼間：海(温度低)→陸(温度高)｜海風
夜間：海(温度高)←陸(温度低)｜陸風
のような形になる。
他にも山谷風という高さが存在する風の流れがある。海陸風が横ならば、山谷風は縦の流れだ。海陸風の昼間と夜間という1日周期と同じく、地形の高低差でも1日周期での風の流れが発生する。が、これはある意味では海陸風の応用にもなり得るので割愛する。
余談：雪の結晶の形状を決定づけるには「過剰水蒸気密度」と「温度」が関係している。これについては「中谷ダイアグラム」や、それを改良した「小林ダイアグラム」などがキーワードとなる。
終わりに
大変大雑把であったが、「大気・水・熱」があり、そこで初めて天気が登場し、温度差から風が産まれる。というところまで大雑把な要約が済ませられたと考えている。勿論、説明として足りない部分は多くあるが、それはこの記事を呼んだ人々が学習して補う部分であると考える。ここから温度が水蒸気を発生し、熱で雲を生成し、風がそれを運ぶ。というところまで行きたいが、説明が長すぎるのでここまでとする。ただ、前提が大まかにわかる事により、円滑に学習が進むのではないかと考えているので、是非これを気に気象や気象学に触れて欲しいと考える。
