気候システム論

それぞれ2成分系としての大気と海洋

大気や海洋を地球化学的にとらえる場合 (地球表層を生物地球化学サイクルとしてとらえる場合, [序論で紹介したNASA地球システム科学委員会の図] の下側)には、それぞれが多くの化学物質からなっていることを問題にする。 しかし、大気や海洋を地球物理学的にとらえる場合 (物理的気候システムとしてとらえる場合, [図]の上側)には、 なるべく少ない数の成分からなるものとして扱ったほうがつごうがよいので、 その物質の(現在存在量だけでなく) 時間変化(あるいは空間的不均一性)が 運動や温度変化に対して重要なかかわりがあるものだけを分けて扱う。

【なお、空間分布に関しては、物理的とらえかたの研究のほうが、 化学的とらえかたの研究よりも、 空間を細かく分けてそれぞれの部分の数量を考えることが多い。】

大気・海洋の力学的扱いで、いちばん簡単なのは、 それぞれ「空気」「水」という1成分の物質とみなすことである。 それは、気候システムのしくみを抽象化した議論には向いていることがあるが、 定量的に現実にあった数値を出すのはむずかしい。

その次の詳しさが、大気・海洋それぞれを、水(H2O)と それ以外の物質からなると考えることである。

大気

大気の主要成分は、 N2 (分子数比=体積比として78 %),O2 (21 %),Ar (1 %)で、 その相互の比率は地表から高さ約100 kmまでの間ではほぼ一定である。 このほかに水蒸気(H2O)があるが、 その濃度は時・場所による違いが大きい。

【ただし、ここでは大気の話を下層大気(高さ約20kmから下、 [大気の温度成層]で示した対流圏と成層圏下部) に限ってみた。 それより上の中層大気(高さ約20kmから約90km、成層圏中・上部と中間圏)では、 水蒸気は微量成分なので力学の議論では考えなくてよいが、 オゾン(O3)その他の光化学反応にかかわる物質を 分けて考える必要がある場合がある。】

そこで、大気物理学(気象学)の議論では、 大気を、水蒸気と「乾燥大気」に分けて扱うことが多い。 【乾燥大気とは単にかわいた空気という意味ではなく、 実際に水蒸気が混ざっている大気のうち水蒸気以外の成分の合計を 仮想的に考えるということである。】 上に示した大気の主要成分の比率は、乾燥大気中の比率である。

大気中の水蒸気の比率の表現はなんとおりもある。 また、大気が含みうる水蒸気の割合は、温度によって大きく変わる。 [別ページ]参照。

大気の質量の数値は、気圧の観測値から 静水圧のつりあい[別ページ]を 仮定して求めることができる。 また、そのうち水蒸気の数値は、湿度などの観測値を集計して求めることができる。 【実際には、観測値の不備を理論に基づく数値モデルで補う 「データ同化」という方法が使われている。 [別の授業の気候・水文モデルの教材のうち数値天気予報の部分]参照。】 その結果のまとめ[別ページ:大気の質量の季節変化]によれば、 大気全体の質量と水蒸気の質量の季節変化はほぼ一致し、 「乾燥大気」の質量の季節変化は小さい(データの誤差の範囲で0とみなせる)。 ただし、半球別に見ると、 水蒸気は気温の高い夏の半球で大きいが、気圧は夏に低いので、 乾燥大気の質量が冬半球側に偏るような質量移動が起こっていることがわかる。 気温の季節変化の幅が北半球のほうが大きいので (この件は[海陸の違いが原因となる気候の特徴]で説明する予定)、水蒸気の質量、したがって大気の総質量は北半球の夏に大きい。

大気の運動 [別ページ]、 とくに対流 [別ページ] を起こす原因を考えるうえでは、 水蒸気が密度の不均一をつくるうえでどのような働きをしているかが問題になる。

水蒸気は乾燥大気よりも軽い(密度が小さい)。 地球大気は理想気体でよく近似できるので、密度の比は簡単に概算できる。 水蒸気の分子量は約18 (モルあたりの質量 18×10-3 kg/mol)、 乾燥大気の平均分子量は約29であり、 同じ圧力・温度での密度の比は分子量に比例する。 このことは、水蒸気を含む大気中の対流について精密な計算をする際は無視できない。 しかし、このことが主要な原因となった対流現象が見られることは少ない。

水蒸気が地球大気の密度の不均一にかかわるおもな働きは、 大気中で水蒸気が凝結する際、 水蒸気がもっていたエネルギー(同じ温度の液体の水との内部エネルギーの差)が そのまわりに残った空気(の内部エネルギーの温度に比例する部分)に移り、 空気の温度を上げることによって、密度を小さくすることである。 【逆に、大気中で水滴が蒸発すれば、空気の温度が下がり、密度が大きくなる。】

海洋

海水の水以外の主要成分は、いずれもイオンの形で水にとけている。 イオンの相互比率は場所による違いが少ない。 そこで、海水を、 水と「塩」あるいは「塩物質」との2成分からなるとみなすことが多い。 (ここでの「塩」はNaClだけではないことに注意。) 「塩分」という量は、海水の質量のうちの塩の質量の割合を、 g/kg、あるいは(同じことだが)千分率(パーミル、‰)で表わしたものである。 【海洋学では、1978年から、厳密にはこれと同じでない「実用塩分」という量を 標準としてきたが、2010年からふたたび質量千分率を基本とした定義を使っている (河野 2010 参照)。ただし「塩分濃度」ではなく「塩分」と言う。 補足[ブログ記事(2016-12-05)]参照。】

塩物質を構成する各イオンは、それぞれ違った速度で、 川からの流入で供給され、海底への堆積で失われていくが、 出入りはほぼつりあっており、 海全体の量の変化は百万年の時間スケールのゆっくりしたものだと考えられている。

1年くらいの時間スケールでの塩分の変化は、 塩ではなく、水のほうの質量の変化によって起こると考えてよい。 海面に降水が達すれば水の質量がふえる。 海面から大気に水が蒸発して出て行けば水の質量が減る。 (それとともに液体から気体への相変化も起こる。) 川から海に水が流入すれば水の質量がふえる。

このほか、海洋中の液体・固体間の相変化に伴って、塩分の不均一ができる。 海氷は海水が凍ったものであり塩を含んでいるが、 その塩分は海水の塩分より小さめになる(塩は氷にはいりにくい)。 そこで、海氷ができる際には、まわりの海水の塩分が高くなる。 逆に、海氷がとける際には、そのまわりの海水の塩分が低くなる。


表: 塩分の値を35.165 g/kgとした場合の海水中の主要成分の濃度。単位はg/kg。

Cl-19.353
Na+10.781
SO42-2.712
Mg2+1.284
Ca2+0.412
K+0.399
HCO3-0.105
Br-0.067

IOCほか(2010)のreference composition。 河野 (2010)の表1-1の「KCl-normalized」の列の数値を、便宜上、小数点下3桁で四捨五入した。


文献


2009-06-07, 2011-03-27, 2012-04-18, 2014-04-17, 2016-12-13
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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