季節ができる基本的なしくみの説明をもとめました。 みなさん、大まかには正しく理解できているようですが、 用語がまちまちで、学問的に考えると不適切であるばあいもありました。 わたしが授業のときに、模式図は見せたものの、ことばでしっかり記述しなかったのが まずかったかもしれないと反省しており、今後、教材を改良しようと思っています。
ぜひのべてほしかったことは、地球の自転軸が公転軌道の軸に対して傾いていることの結果として、 地球が公転軌道の片側にいるときと反対側にいるときで、 地上の各地点での太陽高度角がちがい、 したがって、 地上の各地点で、(いわゆる)大気上端に入射する太陽放射の、地表面の単位面積あたり・単位時間あたりの エネルギーの流れの量 (ここでは仮に「日射量」とよぶ) がちがうことです。
太陽高度角と太陽天頂角は、同じものを反対側からはかっているので、どちらをあげてもかまいませんが、 量の大小は逆になります。 太陽が出すエネルギーの流れが一定、太陽・地球間の距離が一定として近似すれば、 (ここでいう)日射量は、1/cos(太陽天頂角)に、つまり、1/sin(太陽高度角) に比例して変化します。
太陽高度角がどのようにきまるかの説明は数式をつかわないとむずかしいですし、 エネルギーの流れの量の変化から、気温などの気候の変数への因果関係は単純ではありません。 この出題では、そこは問わないつもりでした。
ウェブ上の情報を調べて書いた答えが、わりあい多くありました。 出典を明示されたことはよいと思います。 ただ、その出典が、子どもむけ ("for kids" とか、「中学受験」とか) のサイトであることがありました。 子どもむけだと、エネルギーなどの物理学的用語がわかることが期待できないので、 そのあたりを、悪くいえば、ごまかした表現になることがあります。 読者に高校生ぐらいを想定したサイトをえらんだほうがよいと思います。
海陸風のしくみとしては、まず、陸と海とでは (日変化に関与する)熱容量がちがうので、 おおまかに同程度のエネルギーの流れの変化があったとき、 地表面温度の変化が、陸のほうが大きい、ということが基本になります。
ここで、「熱容量」のところが「比熱」と書かれることがあります。これはまずい答えです。 「比熱」は「比熱容量」で、単位質量あたりの熱容量です。 ここでくらべたいのは地表面の単位面積あたりの熱容量で、 それは、比熱容量と、密度と、(日変化に関与する)層の深さとの積です。 比熱容量は水のほうが土や岩石よりも大きいですが、けたちがいではありません。 熱容量のちがいにいちばんきくのは、層の深さのちがいです。 この問いの答えは、このように分解せずに、熱容量のちがいから始めてかまいませんが、 「比熱」だけを書いたものは減点します。
「空気の密度のことをかならずふくめてください。...」と書いたのは、つぎのような答えかたを期待したからです。 「昼には陸上のほうが海上よりも気温が高いので、陸上のほうが海上よりも空気の密度が小さくなる。 そこで、陸上で上昇し、海上で下降するような循環が成立する。」
この循環は、やや広い意味では対流 (水平に近い対流) ですが、せまい意味の対流 (上下の対流) ではありません。 「昼には陸上で密度が小さい空気ができて上昇する」はもっともですが、 「夜には陸上で密度が大きい空気ができて下降する」は、 空気の「塊」(とよばれる小部分) の運動として読むと、地面に接した空気塊は下降できないので、変です。 上下の対流とちがって、水平に近い対流は、空気塊の運動で説明するのはむずかしく、 上昇域と下降域をふくめた循環の形成を論じる必要があります。
海陸風のしくみにとって、気圧傾度力は重要なのですが 「気圧や力のことはふくめてもふくめなくてもかまいません。」と書いたのは、 それを説明すると長くなるし、わたしの授業で提供した材料だけではじゅうぶんでないかもしれないと思ったからです。
ひとまず、地表の気圧は海も陸も同じまま、変わらないとします。 地表の温度がちがうので、すこし高いところ(高さ 2 kmぐらいを想定しています) でくらべると、 気圧が同じになる高さは、下にある空気の温度が高いほうが (昼ならば陸のほうが)、高くなっています。 同じ高さでくらべれば、昼ならば陸のほうが気圧が高くなっています。 そこで、陸から海に向かう気圧傾度力が生じ、(1日より短い時間スケールではコリオリの力はあまりきかないので） 陸から海に向かう風が生じます。海陸風循環でいうと、これは海風の反流です。
「昼の陸上では上昇流で上に空気がぬけていくので地表の気圧は低くなる」というのはわかりやすく感じますが、正しくありません。 (まっすぐ上昇したのでは、地表面の単位面積あたりでその上にのっている空気の質量は かわらないので、地表での気圧はかわらないでしょう。) 小倉 (2016) 『一般気象学』 8.9 節の243ページでは、反流ができることをさきに説明して、 昼の陸上では、反流の高さで空気の質量が水平方向に(海上へ)運び出されて減るから、 そこから下の気圧が下がる、というふうに説明しています。 これで、地表では、海のほうが気圧が高く、海から陸に向かう気圧傾度力が働くと言えます。
上昇する空気塊は断熱変化で温度が下がる、というのは正しいです。 (現実におこることは厳密には断熱ではありませんが、空気塊の上下運動の近似としてはよいでしょう。) しかし、それにつづいて、(昼のばあい)「上空では地表と逆に陸上のほうが低温になる」とのべていた答案が複数ありました。 わたしは、海陸風のしくみの説明の中でそれがどういう意味をもつのかわかりませんでした。 その答案のうちに、情報の出典として Wikipedia 日本語版の「海陸風」の記事をあげているものがありました。 たしかに、その記事の「原因と原理」の節には、昼のばあいについて、 「陸上では地表付近では海上よりも気温が高いが、上空では逆に気温が低いという状態になる」 という記述があります。 Wikipedia では情報の出典を明示する約束があり (約束をまもっていない記事もありますが) この記事の参考文献としては、小倉『一般気象学』 があげられ、その p. 242 を参照しているとあります。 そこを見ると、243ページに 「加熱による膨張のため、ある高度より上では断熱上昇による冷却の方が地面からの加熱より強く、 温度は同一高度の海上より低くなる。」とあります。 その前後の本文と、242ページの図 8.34 をあわせてみると、 この「ある高度」とは、反流ができる高さにあたることがわかります。 反流ができる高さが無際限に高くなることがなく有限でおさまっているからには、 たしかに、水平温度勾配が、そこから下とは逆になっているはずです。
Wikipedia の記事の記述も、『一般気象学』 の記述の言いかえと思えばそうも読めますが、 すくなくともわたしは、温度傾度と気圧傾度とにどのような関係があると言っているのかわかりませんでした。
Wikipedia にはよい記事もありますが、玉石混交で、まずいものもあります。 自然科学の理論的な話題のばあいは、 Wikipedia の「必ず出典を示せ」というルールのせいで、 理屈が頭にはいっている専門家がそれを書きだして記事にすることが許されず、 むしろ、勉強途中の人が執筆者になることが多い、という事情もあると思います。 また、おおぜいの人が少しずつ修正することができるので、 別々の人が書きこんだ結果が、それぞれは正しくても、 論理や因果連鎖としては、うまくつながっていないこともあります。 科学的知識は、教科書的なものや専門別の事典的なものでたしかめることにし、 Wikipedia はそれに出会う手がかりぐらいに考えたほうがよいでしょう。