採点をおえて(2018年度 秋学期 地学)

採点をおえました。

小レポートについては、提出したか、期限までに提出したかで採点しました。 内容をくわしく見ることができなかったことをおわびします。

試験について、それぞれの問題について、出題意図の補足と、 答案を見て気づいたことをのべます。

問題1

これは講義で知識を身につけたかどうかを確認する趣旨で出しました。 この科目でいちばん重要な論点は、 気候システム全体のエネルギー収支とそれを変える要因(温室効果の変化をふくむ)、 そのつぎは、大気の大循環(熱帯と温帯それぞれの特徴)、 海洋の大循環(表層と深層それぞれの特徴)だと思っています。 しかし、問題のかわりばえも必要なので、 さらにそのつぎに重要だと考えている、 海陸の熱的コントラストと、それによってつくられる気候の特徴である「季節風」を問題にしました。

ここでは、海と陸の、季節変化に関与する熱容量のちがいが重要です。 「熱容量」ということばは、エネルギーのたまりの量のように感じられるかもしれません。 実際には、それに関係はありますが、それ自体ではありません。 熱容量が大きいほうが実際のエネルギーのたまりが大きいとはかぎらないことに注意してください。 厳密ではありませんがおおまかには、「熱容量 かける 温度」が「エネルギーのたまり」だと考えることはできます。 (温度の原点をどこにとるかによって数値はかわりますが、 ひとつながりの考察ごとにそれぞれ一貫した原点を使えばよいでしょう。)

問い1a

単位面積あたりの熱容量は、層の深さ(つまり単位面積あたりの体積)、密度、比熱容量の3つの量の積です。 海と陸の季節変化に関与する熱容量のちがいに、このうちどれがいちばんきくか、という問題です。 これは層の深さであることを、授業でくりかえし言ったはずですが、 半分くらいの人には印象がのこっていなかったようです。 季節変化にきく層の深さは、海では 100 mぐらい、陸では 1 mぐらいなので、 海が陸の10の2乗倍ぐらいになります。 ただし、陸の地温の季節変化の振幅が深いところほど小さくなることを考慮すると、 陸の層の深さは、0.1 m ぐらいとみることもでき、それならば海が陸の10の3乗倍ぐらいです。

密度は、水が 1 g/cm3 [これはSI単位でないので換算に注意してください]、 岩石は 2 g/cm3ぐらいなので、陸が2倍ぐらいですが、 10進法で同じけたにおさまります。

比熱容量は、水が 古い単位で 1 cal/(g ℃)、つまり 4.2 J/(g K) (この場合、温度は差だけが問題なので℃でもケルビンでも同じです)、 岩石は 1 J/(g K)ぐらいなので、海が4倍ぐらいですが、 これも、10進法でのけたはちがいません。

問い1b

東アジアの冬の季節風が、ユーラシア大陸上に高気圧(いわゆるシベリア高気圧)、 太平洋上に低気圧がある、日本付近ではいわゆる「西高東低」の気圧配置で生じていることは 知っている人が多かったようですが、 海から、あるいは南からの風と書いた人、あるいは、どんな風かわからなかった人は、 図録の141ページの「平年の海面気圧と地表風」の「冬季」のところと、 143ページの(講義ではふれませんでしたが)「冬の天気」のところを確認しておいてください。

【夏の東北地方太平洋側に冷害をもたらす風を論じている答案がありました。 これは冬の季節風とは別の現象です。「やませ」とよばれることがあります。】

季節風は、冬の期間について平均した風の場にも見られますし、 個別の日の風の分布にも見られることが多いですが、 冬のあいだには、季節風型ではない天気のパタン、 たとえば、温帯低気圧が発達しながら通過する状況もあります。 季節風が強いか弱いかは、季節内の変動もあり、年々の変動もあります。

季節風のしくみの説明は、あまり単純ではありません。 図録の129ページに説明のある「海陸風」は、日変化 (昼と夜のちがい)によるものですが、 東アジアの冬の季節風に関するかぎり、これを季節変化に置きかえたものでだいたいよいでしょう。 ただし、空間規模もちがってきます。

緯度帯ごとに受け取る太陽放射の量が季節によってちがうことから説明しようとした答案がありました。 これは大気大循環のしくみとしては正しいし、 東西平均した西風・東風が季節によってシフトするという事実はあるのですが、 ここでいう「季節風」は海陸分布によるものなので、そのしくみの説明としては適切ではありません。

海と陸の熱容量のちがいが基本ではあるのですが、 熱容量の大きいほうから(あるいは小さいほうから)風がふくという規則性はありません。

温度が高いほうから(あるいは低いほうから)風がふく、ということも、一般的にはいえません。 季節風や海陸風の場合は、温度が低いほうが、地上気圧が高くなり、地上ではそちらから風がふくような形になっています。 【質量の分布は厳密に定常ではないもののほぼ定常なので、 地上の風による質量移動をうめあわせるように、上空のどこかの高さに逆向きの質量移動(「反流」)があります。反流は、日変化による海陸風ならば高さ 2 km ぐらいにあることが多いです。 北半球の冬の季節風の場合は、上空(対流圏)は基本的に西風がふいているので反流は明確にみえませんが、 対流圏中層(高さ 5 kmぐらい)に逆向きの質量移動があると考えられています。】 なぜ温度が低いほうが気圧が高くなるのかの説明は、授業でのべただけでは不足だったかもしれません。 期待していたのは、(冬には) 海上のほうが気温が高くなって空気の密度が(相対的に)小さくなるので、 海上で上昇(陸上で下降)するような循環ができ、その循環の下側である地表付近では、陸から海への風になる、 というような説明でした。(これだと気圧を直接には論じていませんが。)

問題2

「人間が気候に適応する」どあいが上がっている例や下がっている例を考えてもらおうと思いました。

適応は、地球温暖化の対策の文脈でも出てきて、 その場合は、気候の変化に適応する、ということになります。 しかし、この問題では、気候のほうは変わらなくても、人間のほうが変わって、 適応のどあいが変わった場合をあげてもらいたかったのでした。

答案のうちには、設問とあまり関係なく、地球温暖化問題、地球環境問題、自然災害などを 論じているものも見かけました。 地震、津波、火山(エーロゾルの影響をのぞく)の災害軽減は、 地学の話題ではあるし、みなさんに考えてほしい話題ではあったのですが、 気候への適応の話題からはずれるので、この問題の解答としては不適切です。 地球温暖化の悪影響をあげたものは、 巨視的には人間社会の適応のどあいが下がっているといえるので、部分点をつけました。

暑さ寒さへの適応として、「エアコンを使うことによって適応のどあいが上がった」という議論もよいとし、 「エアコンを使うことによって人体が暑さ寒さに脆弱になった(適応のどあいが下がった)」という議論も (事実として正しいかどうかたしかめていませんが)よいとしました。 また、エアコンに必要な電力をまかなうために化石燃料を消費して温暖化を強めたり、 電力をまかなう太陽光発電を設置するために森林を破壊したりして、環境を悪化させたことを、 適応のどあいを下げるものとして論じたものも、よいとしました。 ただし適応との関係を明示していないものは減点しました。

問題3

気候にかかわる物理量 (単位のついた数値) をあつかう計算問題です。

問い3a

氷床の質量は、氷床の面積 かける 平均の厚さ かける 密度 で得られます。 単位換算に注意する必要があります。SI単位 (m, kg)に統一して計算するのがよいでしょう。

問い3b

氷と液体の水との、単位質量あたりのエネルギーの差がしめされているので、 これを氷床の質量(3aの結果)にかければ、氷床のある場合とない場合とのエネルギーの差になります。 ここでもSI単位 (m, kg, J)に統一して計算するのがよいでしょう。

問い3c

問い3bの結果を、地球の表面積でわればよいのです。(南極氷床の面積ではないことに注意。)

地球の大きさについては、大円の円周をおぼえてほしかったので、そちらを書いたのですが、 円周(半径をrとすれば 2πr)から球の表面積(4πr2)を求めるのは暗算ではむずかしく、 数量を文字であらわした数式を書いたうえで変形してから数値を代入する必要があるでしょう。 円周率を π (パイ)のままにしていた答案もありましたが、ここは近似値で数値にしてほしかったです。

期待していた有効数字は2けたぐらいなので、 問題を「地球の半径は 6.4×106 m、円周率は 3.1 としてよい」というふうにしたほうが よかったかもしれない、と反省しています。

問い3d

期間の長さは、問い3cの結果を、単位時間・単位面積あたりのエネルギーの流れでわればよいのですが、 この問題では、単位時間・単位面積あたりのエネルギーの流れを、 (実際の温暖化でありうるような量と「けた」だけはあっていて、計算が簡単な量の例として) 1 W/m2にしたので、 問い3cの結果の J/m2 を単位とした数値がそのまま、秒を単位とした期間の長さになります。 ここでほしいのは年を単位とした数値なので、秒と年との換算がはいります。 有効数字2けた程度では、1年は3.6×102日でも3.7×102日でもよいでしょう。 これに24×60×60をかければ、秒と年との換算定数になります。 結果はおおまかに、千年程度になるでしょう。 大陸氷床がとけるにはこのくらいの時間がかかることを認識してもらいたかったのでした。


2019-02-14, 部分改訂 2019-02-14
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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