7月5日の授業では、 おもに [大気と海洋の大循環] のページをつかって 大気の大循環について話した。 そこで、気象学のいくつかの基礎概念をまだ説明していなかったことに気づき、 いくらかは講義中に黒板をつかって説明したが、じゅうぶん説明できなかったこともある。 しかし、この科目の授業時間のうちで、くりかえして説明する時間はとれそうもない。 ここでは、そこでのべたかった要点をのべ、 もうすこし勉強する人のために、『図説』への参照と、 別の科目 (おもに「気候・気象学」) の教材ページへのリンクをつけておくことにする。
液体の水と水蒸気との相平衡 (液相から気相にむかう分子数と逆にむかう分子数がひとしい) ... その水蒸気の圧力が「飽和水蒸気圧」である。 地球大気は理想気体でよく近似できるので、 凝結しない窒素・酸素などがふくまれていても、飽和水蒸気圧はかわらない。
飽和水蒸気圧は、温度が高いほど大きく、その関数形は指数関数型である。 (熱力学のクラペイロン・クラウジウスの法則による。)
液体の中では、上のほうが重い (密度が大きい) 状態がつくられると、上下の対流がおこる。 大気のばあいは、密度はおもに気圧によってかわるので、 上のほうが「断熱変化によって標準の気圧にもってきたときの密度が大きい」、 つまり、「断熱変化によって標準の気圧にもってきたときの温度が低い」ばあいに、 上下の対流がおこる。
大気の一部を空気塊と考える。 空気塊の温度を下げると、飽和に達し、飽和をこえたぶんの水蒸気が凝結する。
空気塊を持ち上げると、 (高さが高いほど気圧は低く、持ち上げられた空気塊の気圧はそのまわりの気圧と同じになるので) 気圧が下がる。 それとともに、(空気塊は断熱変化するとみてよいので) 空気塊の温度が下がる。 そこで飽和に達して、凝結がはじまることがある。
凝結した液滴あるいは氷の結晶が雲粒。 それが併合などによって成長すると雨や雪となって落ちる。
空気塊の中で水蒸気が凝結すると、水蒸気がもっていた内部エネルギーが 温度に比例する内部エネルギーにかわり、空気塊の温度を上げる。 これで空気塊の密度が小さくなるので、上昇が促進される。
雲は上昇流があるところで発達し、雲にともなう凝結によって上昇流が促進される。
ハドレー循環は、時間平均、東西全経度平均して表現できる南北鉛直循環である。
これは、放射収支によるエネルギーの供給が赤道付近のほうが緯度30度付近よりも多いので、 赤道付近で軽い (同じ気圧で比較したときの密度が小さい) 空気、 緯度30度付近で重い空気がつくられることによる、一種の対流とみなすことができる。 ただし、その場での上下の対流 (狭い意味での対流) ではなく、水平に近い対流である。
この地域での風速ベクトルは、南北・鉛直循環よりも、 東西成分 (地表面付近の貿易風、対流圏の上層の西風) がおもになる。
ハドレー循環はエネルギーを高緯度側へ運ぶ。 内部エネルギーは、温度に比例するぶんも、水蒸気量に比例するぶんも、下層のほうが大きいのだが、 位置エネルギーが上層のほうが大きく、そちらが勝つ。
ハドレー循環の基本的なしくみには、水蒸気の凝結は必要ない。
しかし、現実のハドレー循環の上昇域では積雲対流が発達し、 下降域では雲が少ない。
温帯の対流圏の大気大循環の主役は、 (時間平均・東西全経度平均して表現できる循環ではなく) 西風の中を西から東に移動する波である。 対流圏中層でみると、西風が波うっていて、気圧の谷と峰がある。 地表付近でみると、対流圏中層の気圧の谷よりも数百 km 東に、低気圧 (温帯低気圧) が、 気圧の峰よりも数百 km 東に、高気圧 (移動性高気圧) がある。
この気圧の谷・峰にともなう南北の風を、対流圏中層の水平面で考えてみると、 高緯度に向かう風 (北半球では南風) のほうが温度が高く、内部エネルギーが大きい。 低緯度に向かう風 (北半球では北風) のほうが温度が低く、内部エネルギーが小さい。 したがって、この波は、正味で高緯度向きにエネルギーをはこんでいる。