Peter Wadhams [ワダムズ] (2016 / 2017) 北極がなくなる日 [原題 A Farewell to Ice]

  • Peter Wadhams, 2016: A Farewell to Ice — A Report from the Arctic. London: Penguin Books.
  • ピーター・ワダムズ 著、榎本 浩之 日本語版監修、武藤 崇恵 訳, 2017: 北極がなくなる日。原書房, 308 pp. ISBN 978-4-562-05444-2.

原書は2016年、日本語版は2017年12月の新刊。日本語版題名の「北極がなくなる」は変だ。地球の自転がとまるという話でも、自転軸の向きが変わって今の北極が北極でなくなるという話でもない。「北極の氷がなくなる日」ならよい。ただし、北極海の海氷(海水がこおってできた氷)が、今後数年のうちに、夏には見られなくなるだろう、という話だ。さらに、冬にもなくなるという見通しも述べているが、それがなん年先かは論じていない。また、グリーンランド氷床の氷も減る話はあるが、それがなくなるという見通しの話はない。

うしろからめくってみたら、本文の最後のページでは「ジオエンジニアリング」(二酸化炭素除去と太陽光の反射をふやすことの両方)が必要だと力説している(すぐに実施でなく基礎研究からだとも言っているが)。もうひとつ前のページでは原子力発電が必要だと力説している(水冷却型は危険だからだめでペブルベッド型かトリウム炉にすべきだとも言っているが)。地球温暖化の影響の見積もりが不確かであり大きな幅をもつとき、そのうちで被害がとくに大きくなる場合を重視するのは、「事前警戒原則」的な考えかたとして、もっともなところがある。そうすると、あらゆる手段でそれをふせぐべきだ、という考えになりがちなこともわかる。しかし、わたしは、事前警戒型の考えは、対策の悪影響の可能性にも向けるべきと思う。そうするとこういう結論になるだろうか?

著者は、海氷の研究者で、とくに、潜水艦で下から海氷を観測して氷の厚さの変化を論じたことで知られている人だ。監訳者も、雪氷、とくに海氷の研究者だ。北極の海氷がどんなものか、それが著者が研究を始めた1970年からどのように減っているかの事実については、本書は、とてもよい知識源だと思う。

北極の海氷が減っているのは地球温暖化のひとつの局面だと言ってよさそうだ。本書は地球温暖化の解説でもある。著者の温暖化への危機意識はとても強い。北極海を観察してきた人がそう感じるのは当然かもしれない。多くの科学者のうちにはそういう主張をする人もいてもよいと思う。しかし、本書の見解は、地球温暖化についての専門家の見解のひろがりのうちではちょっと極端なものであり、温暖化について知りたい人が最初に読む本としては勧められない。

著者は観測事実を信頼し、数値モデル(とくに空間分解能が高くない全球気候モデル)を信頼しない。確かに、全球気候モデルは完全ではなく、とくに海氷域の表現は弱点だ。そして、北極海の事実を見れば、温暖化は全球モデルによる予測型シミュレーションよりも急速に進んでいる。しかし、他方、世界平均地表温度を見れば、1998-2014年のあいだは上昇が停滞していた (世界平均地表温度の集計の過程で北極圏で起きていることがじゅうぶん反映されていないおそれもあるのだが)。気温その他の変数の時系列には、温室効果強化による長期傾向と、十年規模変動とがかさなっているはずだ。モデル実験では、多数回のシミュレーションのアンサンブルで長期傾向と十年規模変動を分離できるが、現実は一例だけなので分離できない。北極海を見ている人は現実が敏感でモデルは鈍感すぎると思う傾向がある。(逆に、世界平均地表温度を重視する人は現実が鈍感でモデルは敏感すぎると思うかもしれない。)

日本語訳は、海氷そのものに関する記述は(狭い意味の専門ではないわたしが判断できるかぎりでは)よいと思うが、気候のしくみや地球の歴史に関してはところどころ意味がとおらないところがあった。監訳者が(おそらく組織運営の仕事で)忙しくて、自分の専門分野のほかのチェックがじゅうぶんできなかったのだろうか。このような読みものの翻訳は、チェックに時間をかけられる人をつける必要があると思う。

ここから順を追って、気づいたことのメモ。

第1章は序論。著者の研究歴が紹介される。ソナー(音波によるレーダーのようなもの)のデータを図化した海氷の断面の画像を見ると、多年氷の下側には大きな突起がある。

第2章。話は氷の物理から、海氷特有の特徴に向かう。塩分は氷の結晶にはとりこまれにくく、ブライン(濃い塩水)の細胞として氷にまじる。北極海の多年氷では、夏に表面がとける際にブラインがぬける。

第3章は地球の氷の歴史。まず、いわゆるsnowball earth事件の話。全球凍結かどうかは不確かだが低緯度に氷床が達したことは確かだ。24-23億年前は(光合成生物が酸素を出した結果としての)メタンの減少、7.1億年前と6.35億年前は二酸化炭素の減少がおもな原因だという説に従っている。
訳語の問題かもしれないが、過去の千万年くらい続いた氷河時代を「氷期」と言ってしまっているのが気になった(「氷河時代」と「氷期」という用語については[別ブログ2012-04-24の記事]参照)。Milankovitch forcingによる氷期・間氷期サイクルの話は次の章に出てくるのだが、それは300万年前に始まり、それより昔にはなかったと著者は考えている。(わたしは古生代ペルム紀などにもあったと思うのだが。)

第4章は(「現代の」とあるが)第四紀の氷期のサイクルの話。
話を鮮新世からはじめ、今は人為起源の温室効果強化の結果、もしかすると氷期サイクルがはじまる前の鮮新世の体制にもどったかもしれない(確かなことはいえないが)という話をしている。
南極氷床コアの「気温」(氷の酸素同位体比のよみかえ)、二酸化炭素、メタンが同期して変化していることから、「地球システム感度」(氷床の変化も含めた気候システムの感度)を、二酸化炭素倍増に対して7.8℃としている。【因果関係が双方向なので、相関から数値を出すのは無理があるとわたしは思う。[別ブログ2016-09-27の記事]参照。】
訳語の問題だが、鮮新世のところの52ページの「パナマ運河」は変。しかし読者に意味はわかるだろう。
また細かいことだが、55ページ、西暦1257年の火山を「インドネシアのスマトラ島の火山群」としている。Lavigneほか(2013年)の論文ではロンボク島の火山としているが([別ブログ2015-11-11の記事]参照)、それをまちがえたのか、別の人の研究にもとづいたのだろうか?

第5章は温室効果。
気温上昇量が二酸化炭素濃度の対数に比例するというのは、いまの知識としてはよいのだが、アレニウスが示したというのはほんとうだろうか?
著者は気候感度を、前の章の議論によって、二酸化炭素倍増に対して7.8℃としている。現状の温度が二酸化炭素に対応するほどあがっていない理由は、海による遅れと考えている。ただし熱塩循環を想定している。【わたしの認識では、この文脈で重要なのはむしろ風成循環である。】
千年前から現在までの気温についてのMannほか(1999)の論文を紹介しているところの「それ以前の1000年は誤って低い気温を算定していたが」は変だ。Mannたちが言いたかったのは、温度計ではなく年輪その他のproxy (代用)データで気温を推定した、ということのはずだ。著者による誤解だろうか、誤訳だろうか?
160年前から現在までの気温には上昇傾向があるが、西暦1920-1960年にはやや低下している。これは石炭からのエーロゾルによる冷却だろうとしている。
160年前から現在までの気温上昇。北半球平均(と明示していないが文献名から推測)で0.8℃、北緯60度以北だと2.4℃で、著者はこれを「北極の温暖化増幅」と見ている。(十年規模振動がかさなっているという議論はしていない。) なお比較対象の文献はMannほか(1999)だが、そう言っただけではproxyによったのか機器観測によったのかがあいまいだ。機器観測のまとめの論文をひいたほうがよかった。

第6章は北極海の海氷がどのように減ってきたか。
1817-18年はグリーンランド周辺の海が異常にあいていたが、その後また氷がひろがった。(この件をわたしはWood (2014)の本[読書メモ]で知った。)
海氷のひろがりについては、1970年代から飛行機、さらに人工衛星でおさえられている。1970年代から今までをとおして、 北極海の海氷には減少傾向がある。
著者は、1976年と1987年にイギリス海軍の潜水艦に同乗した。このあいだに海氷の厚さが15%近く減った。このことは1990年にNatureに発表した。それから10年調査を続けた。1970年代にくらべて1990年代の氷は43%薄くなった。アメリカのワシントン大学の研究者も、北極海の別の部分について、同様な結果を得た。夏の氷の量にすると、1970年代から1990年代に60%近く減った。
2000年代も、北極海の海氷は、年々変動も大きいが、減少傾向にある。
氷が減る原因は、融解だけでなく、風によって氷がフラム海峡を通って北極海かあら外に出てしまうこともきいている。
2007年にも著者は潜水艦に同乗したが、そこで、非常用の酸素を得るための塩素酸カリウムが爆発して乗組員の死者が出る事故があった。
海面が波が海氷に与える影響は、著者の1973年の博士論文のテーマでもあった。開水域ができると波が強くなり、氷をこわしやすくなるというフィードバックがある。

第7章は北極の海氷の未来についての予想。
著者は、北極の海氷は「転換点をこえた」、つまり、(大気中の二酸化炭素をすぐに減らせないことを前提に)このまま減り続けて、夏には消えるだろう、と考えている。(また、いずれは冬にも消えるだろうと考えているが、こちらは不確かだ。)
著者は、アメリカのワシントン大学の研究者がつくったPIOMAS (北極海氷体積推定システム)を信頼する。これは潜水艦データと「最低限のモデリング」を使って北極海全体の氷の厚さを見積もるものだ。
著者は、全球気候モデルによる研究や、それを重視したIPCC報告書の将来見通しを、信頼しない。【この件に関するわたしの考えはこの読書メモのはじめの部分に述べた。】(なお、第6章の話題だが、著者は空間分解能の細かい(たぶん空間領域を限定した)数値モデルによるシミュレーションはわりあい信頼している。)
海氷が減ると、航海はしやすくなる。また、石油採掘が可能になり、領海争いもはげしくなるだろうし、原油流出による汚染の心配もある。(温暖化防止のためには石油は掘らないほうがよいのだが、物欲には勝てないだろう。)

第8章は北極の氷がかかわるフィードバックについて。
いくつものフィードバックを列挙しているのだが、だいぶかさなることを複数の項目にたてていることもあるし、まったく異質なものごとを単純な列挙にしているところもあると思う。気候のフィードバックの話ならば、視点を氷の減少または温度上昇に定めて、それから他の要素を経てそれ自体にもどってくるループを明確にしてほしいのだが、本書の記述はそれがあいまいだと思った。
「雪線後退フィードバック」は、「氷-アルベドフィードバック」の陸上の雪や氷河についての場合だろうと思った。
「氷床融解フィードバック」はアルベドよりもむしろ、融解水の効果、氷床高度低下の効果などに注目しているようだ。
「河川フィードバック」は、雪や凍土のとけ水が融解を促進することをさすようだ。
「黒色炭素フィードバック」は、すすは黒いから氷の融解を促進するという話らしいが、その結果すすがふえるという議論がないとフィードバックにならないと思った。
「海洋酸性化フィードバック」は、海洋酸性化で有孔虫が生きられなくなると海洋の二酸化炭素吸収が弱まるという話らしい。なお、海氷は、酸性化を加速するが、大気中の二酸化炭素濃度増加を抑制すると言っている。
このうち著者が重要と思っているのはアルベドと氷床融解だそうだ。
氷床融解と海面上昇の関係については、著者は2004年にMunkと共著(Geophysical Researh Lettersの論文)でLevitusによる塩分と海水位の関連づけに異論をとなえた。Levitusは海氷の厚さを見積もっていないから、海氷融解(300 立方km/年、塩分を変えるが水位を変えない)の寄与が考慮されていない、ということだ。わたしはまだ、どちらの解析が相対的によいのかわからない。海氷がとけるところだけでなく、その海氷がつくられたところや、(量は減るとしても)それに代わる新しい海氷がつくられるところで、海水の塩分がどれだけであり、そこでどれだけの塩の分別がおこるか、まで考えないと、数値が定まらないだろうと思う。(残念ながらわたしにはこれ以上具体的に考えられないが。)

第9章はメタンについて。
海底にあるメタンハイドレートも、陸上の永久凍土も、温暖化にともなってとけるおそれがあり、そうすると大気中にメタンが出てきて、温暖化に正のフィードバックになる、という理屈はもっともだ。(そしてそれを研究している人たちもいる。)
ただ、著者の「今日行動を起こせ」という論調は、はげしすぎる気がする。対策として、メタンを燃やして二酸化炭素にすることを提案しているが、これも、メタンの温室効果と二酸化炭素の温室効果の比較はできていても、燃やすことによるほかの危険を含めた比較検討が不足していると思う。

第10章は、異常天候、そして地球温暖化がそれを強めそうだという話。
人が雪や氷河の融解水に頼っている地域では氷の減少が死活問題だという話もある。

第11章は、地球規模の海洋の深層循環(熱塩循環)にとって重要な、グリーンランド付近の海で起きている対流の話。
単純なしずみこみだけではなく、チムニー(煙突)とよばれる構造があるのだそうだ。類似のものは1970年に地中海で発見されたが、著者たちは1990年代にグリーンランド海で発見し、2001-2003年に研究観測した。直径数十kmの円柱のかたちをしている(図11-1の平面図の軸の数量は緯度経度とも「分」のはず。経度の「度」の記号はまちがい。) 上からみて時計まわり(高気圧性)の渦になっている。円柱は深さ2.5kmまでつながっていて、そこまでの沈みこみを助けているだろう。季節をこえて持続し、移動は3年で10kmくらいだった。常にあるとはかぎらないようだ。(わたしにとってこれは初めて聞いた話題だった。)

第12章は、南極大陸のまわりの海の海氷について。北極海とのちがいを中心に述べている。一年氷が、南極では連結蓮葉氷(蓮葉氷はpancake ice)という構造のものがおもなのだ。また、南極では、氷の上に積もった雪が多い。
南極の海氷は、ロス海でふえ、西南極のベリングスハウゼン海とアムンゼン海で減っている。全体では少しふえている。

第13章は極地にかぎらず地球温暖化の話。著者はこれは世界人類にとってたいへんなことだと考えている。
2015年のパリ協定は一歩前進だが一歩にすぎないとする(これは
地球温暖化を心配する多くの人に共通の考えだろう)。
温室効果気体排出削減はもちろん必要だが、それだけではすまないだろうと考え、「ジオエンジニアリング」も必要だという議論になっている。
太陽光反射増加策(いわゆるSRM)については、まず、海洋上の雲の白色化をあげる。ソルターの船から海水を噴霧する構想については、口絵にもあげている。 成層圏へのエーロゾル注入も、有力な方法と考えている。宇宙反射鏡は非現実的だろうとしている。
大気からの二酸化炭素除去(CDR)については、多数の方法を列挙している。バイオマス燃料からの二酸化炭素回収隔離貯留(BECCS)、植林、海洋施肥、海藻の培養、「バイオ炭」、ケイ酸塩岩石風化促進、空気中の二酸化炭素の直接回収(DAC)。ただし海洋施肥は生態系への影響がはかりしれない、「バイオ炭」は効果に疑問、岩石風化促進は、物量・面積の要求が大きすぎるとして否定的な評価を述べている。

第14章は結論の章だと思うが、表題は「戦闘準備だ」となっている。
結論は、排出削減に加えて、
「科学の進歩」の節の話題は、北極の科学をどう進めるかだが、とくに物理学と経済学を融合させ、それを経済リーダーの議論(例、World Economic Forum)に反映させることが重要だと言っている。
「戦争の危険」という節では、気候変動⇒国家間緊張⇒核戦争⇒人類滅亡の危険もあるという話になっている。(その可能性が高いという主張ではなく、深刻な帰結をまねく因果連鎖に注目して警戒しようという態度だと思うが。)
「拒絶の黒い流れ」の節では、温暖化対策の政策をとることを拒否する政治家がいること、そういう主張が支持を得る背景に、温暖化否定論と、気候変動専門家への個人攻撃があることを指摘する(著者も誹謗されたそうだ)。ただし、温暖化否定論者だったローソンの地球温暖化政策財団の主張は、適応策の推進(排出削減にはあいかわらず消極的)に変わったそうだ。
「闘いのときが来た」の節は、われわれは何をすべきかに関する著者の意見。第1に否定論を排除すること。第2に各自の持ち場でエネルギー節約や再生可能エネルギー利用を進めること。第3にエネルギー政策を重視して政権を選ぶこと。ここで著者は原子力も必要だとする。さらに、CDRとSRMの科学技術研究を推進するべきだと主張する。とくに大気中のCO2を除去する技術の開発が必要だとする。(これについてのわたしの意見は読書メモのはじめのほうに述べた。)

なお、「出典および参考文献」のリストに David Wasdell という人がやっているwww.apollo-gaia.org というウェブサイトが複数回出てくる。サイトを見ると、気候システムの感度はIPCC第5次報告書がいうよりも高いと主張している。サイト主宰者の立場では気候変化に関する科学的知見を提供しようとしているようではあるが、本書の著者の立場で科学的知見の情報源として使うのはあやういと思った。【形式で判断すれば、わたしのブログも情報源としては同様にあやういことになる。信頼される情報源になるためには「出版される」ことが必要なのかもしれない。】

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
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山本 晴彦 (2017) 帝国日本の気象観測ネットワーク V 南洋庁

  • 山本 晴彦, 2017: 帝国日本の気象観測ネットワーク V 南洋庁。農林統計出版, 262 pp. ISBN 978-4-89732-375-6.

2017年12月の新刊。著者からお贈りいただいた。次の4巻につぐシリーズ第5巻だ。

  1. 満洲・関東州[読書メモ]
  2. 陸軍気象部[読書メモ]
  3. 水路部・海軍気象部[読書メモ]
  4. 樺太庁[読書メモ]

ここで対象となる「南洋諸島」は、ミクロネシアの島々(今の国でいえばパラオ、ミクロネシア連邦、マーシャル諸島、北マリアナ諸島)で、第1次大戦後から第2次大戦まで、国際連盟の委任統治として、日本が統治していた。(本書の話題の外だが) 第2次大戦後は国連の信託統治としてアメリカ合衆国が統治した。パラオ、ミクロネシア連邦、マーシャル諸島はそれぞれ独立したが、気象業務はひきつづきアメリカ合衆国のNOAAがになっている。

本書は、第1章で、前史としてドイツ領時代の気象観測とそのデータの状況、第2章で日本による気象観測の組織の変遷、第3章では「観測所、出張所、分室」(のち「気象台、測候所」)を含むそれぞれの観測場所と観測機器など、第4章では現在まで保存されている観測記録の出版物や手書き文書を紹介している。終章には南洋庁気象台職員が戦中(海軍の傘下で)どう行動したか、そのうちわかった限りの人々が戦後どう生きたかに関する話がある。

ドイツ領時代の気象データはドイツ気象庁(DWD)で2004年から始まったKLIDADIGIプロジェクトで整理が進んでいる。日本では、気象庁は紙やマイクロフィルムの資料の画像データ化までで、数値の読み取りは研究者のとりくみがあるだけだ。南洋諸島については久保田 尚之[ひさゆき]さん(現所属は北海道大学)が研究を進めており、そのことは本書でも言及されている。著者は日本でも国の事業としてデータ整備を進めることをのぞんでいる。

以下、観測の変遷のおおすじを拾い読みしてのメモ。

ドイツはマーシャル諸島を1885年から占領しており、ヤルート(今の地名はジャルート環礁、本書8–12ページの図表では「ヤクート」と誤植されてしまっているが)での観測は1891年から始まっている。その他のミクロネシアの地点での観測記録は、1899年、アメリカとの戦争に負けたスペインからドイツがこの島々を買ってから始まっている。

第1次世界大戦中の1914年、この島々を日本が軍事占領した。1915年初めから1922年3月までは日本海軍による観測がある。ドイツの観測との間は、たとえばヤップの場合、1914年7月-12月が欠けている。日本は1922年4月に南洋庁をつくって軍政から民政に移行した。南洋庁観測所の気象観測開始は1923年2月で、海軍の観測との間は、1922年4月-1923年1月が欠けている。

南洋庁観測所は、パラオ諸島コロール島に、1922年10月に設置され、1923年2月に観測を開始した。その出張所・分室がしだいにふやされた。1938年12月、南洋庁観測所は南洋庁気象台、その出張所・分室は測候所になった。並行して1935年から海軍水路部が観測を始めており、測候所のいくつかはそちらに移管された。

(観測地点一覧は表3-1 (85ページ、1937年の情報)と表4-16 (157ページ、1933年の情報)にある。細かいことだが、表4-16のうちトラック諸島の番号1の日本語表記は「ハルシマ」、番号2の島名は「夏島」だと思う。)

1941年3月、海軍第四気象部がパラオに進出し、気象台職員は海軍嘱託となった。1942年4月、気象台職員は海軍第四気象隊で合同勤務することになり、気象台としての働きを終えた。(「水路部・海軍気象部」の巻を読んだときはよくわからないところがあったのだが、この二段がまえの変化があったということで理解できた。)

1943年12月のヤルート島大空襲以来アメリカ軍の攻勢が強まり、日本の海軍傘下の気象職員は業務を継続できなくなった。資料を焼却した場合もあるそうだ。気象庁にマイクロフィルムで保存されている気象月表の最新の記録は1943年12月のパラオなど6地点のものである。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
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佐々木 健一 (2017) Mr. トルネード — 藤田哲也 世界の空を救った男

  • 佐々木 健一, 2017: Mr. トルネード — 藤田哲也 世界の空を救った男 (The Singular Life of Tetsuya Theodore Fujita)。文藝春秋, 288 pp. ISBN 978-4-16-390673-7.

2017年6月の新刊。わたしはすぐ買ったのだが「積んどく」にしていて、同じ材料によるテレビ番組が2017年11月19日に再放送されたのを録画再生で見てから読む気になったのだった。

著者はNHKの番組をつくっているNHKエデュケーショナルという会社で働くディレクターだ。NHK総合テレビで2016年5月2日に放送された「ブレイブ 勇敢なる者」というシリーズの第1作「Mr. トルネード 気象学で世界を救った男」をつくった。NHKのウェブサイトに[番組紹介]のページがある。本書はその番組のために取材した材料をまとめなおしたもので、本のほうが、画像は少ないが、ことばで書かれた情報は多い。なお、NHKの[シリーズ第3作を紹介するウェブページ]で、佐々木氏はシリーズの趣旨を次のように説明している。

「ブレイブ 勇敢なる者」は私が企画した番組で、知られざる偉業を成し遂げた “異端” の日本人をとりあげています。

また、文藝春秋社のサイトに[「辞書」から「えん罪」まで ドキュメンタリー界の “異端児” 佐々木健一とは何者か? — NHKエデュケーショナル 佐々木健一さんに聞く「ドキュメンタリーの方法」]というインタビュー記事があって、本書にもふれている。

本書は、日本に生まれてアメリカで活躍した気象学者 藤田 哲也 氏(1920–1998, 英語ではTedとして知られ、論文で名まえを T. Theodore Fujitaと書いていた)の伝記と言ってよいだろう。ただし、著者が取材のためにアメリカに向かったのが2016年2月22日だそうで(北九州など日本国内での取材はそれより前からしていたらしいが)、番組制作までの短期間で取材したものだということに注意が必要だと思う。

また、記述の順序はドキュメンタリーとしての印象を強めるように構成したところもあり、著者が出会った過程をたどったところもあるようだ。論調は偉人伝的になっている。ただし、同業者からどのように批判されたかの話は、欠点の記述ともいえる。また著者は、藤田氏は「アメリカではよく知られているが日本では知られていない」という。【わたしは、その傾向はあるとしても、ちがいが誇張されていると思う。日本でも藤田氏は、たつまき あるいは トルネード (両者を同一視するか区別するかはともかく)の研究者としては知られてきたと思うのだ。】 著者が注目しているのは、藤田氏が、飛行機の離着陸に危険をおよぼすダウンバースト(downburst)あるいはマイクロバースト(microburst、ダウンバーストのうち空間規模が小さくて強いもの)という現象を最初に指摘した人だということだ。【そのことには飛行機によくのる人が関心をもつだろう。アメリカのほうが日本よりも飛行機によくのる人が多いとは思うが、著者が出会う人のうちでの割合にするとそれが強調されるのではないだろうか。】

藤田氏の生涯について書かれていたことを、時間順にならべかえて紹介する。

藤田氏は1920年、現在 北九州市 小倉南区になっている中曽根というところで生まれた。1939年、小倉中学校を卒業するまぎわに、父が結核で亡くなった (母も藤田氏の専門学校在学中に亡くなった)。推薦を受けて、明治専門学校(九州工業大学の前身)の機械科に給費特待生として進学することができた。家計を支えるため、いろいろなアルバイト(これは本書の表現ではないが)をしながら勉強した。家庭教師もした。中学校の代用教員もした (当時の生徒が藤田博士記念会を作る中心になったらしい)。地質学の松本 唯一[ただいち]教授の研究助手もした。松本教授の著作に出てくる阿蘇や姶良カルデラの鳥瞰図は藤田氏がつくったものだそうだ。その機会に写真測量技術を学んだことは藤田氏の研究上の強みになったようだ。

1943年の9月に卒業するとすぐ同じ明専の(基礎教育の)物理の助手、1か月後には助教授に採用された。戦後の改組で九州工業大学の助教授になった。【いまの大学の人事の常識から見ると異例の抜擢のような気がするが、当時の明専は工学基礎知識の教育は最近その科目を学んで理解した人にさせるのがよいと判断したのだろうと思う。】

1945年8月20日から3日間、藤田氏は、明専の調査団の一員として、原爆の被害の調査のために長崎を歩きまわった。(そのあと広島の調査にも参加している。) 10か所の墓地の竹の花さしに残された影から原爆の爆発高度を520mと割り出した、という話は藤田氏自身がのちにした。また、2013年に生家で見つかった資料(現在は長崎原爆資料館にある)のうちに、藤田氏が情報を書きこんだ地図がある。爆心地の周辺で、爆風被害のはげしいところがドーナツ状に分布することや、煙突が爆心から離れる方向に倒れていることが示されている。佐々木氏は、藤田氏がのちにダウンバーストを認識することができた背景としてこの経験が重要だったと考えている。【明専が原爆の調査のどのような報告を出したか、そこに藤田氏がどう寄与したかには本書はふれていない。生家で見つかった地図は、地名が現地で使われているのとはちがう漢字の読みでローマ字表記されているところがある。そこに書かれた情報は他の人と共有される知識にはならなかったのだろうと思う。】

藤田氏は研究課題として気象を選んだ。佐々木氏は、物理あるいは機械工学から異分野にいどんだ異例のことだと見ている。【わたしは、当時ならば気象は物理学科で扱って当然の内容に含まれていただろうと思う。気象台などの気象専門家のうち大学卒の人にも物理学科を出た人が多かった。】 川畑 幸夫 福岡管区気象台長(のち気象庁観測部長)から支持され、気象台の施設で研究することができた。

1947年8月24日、福岡管区気象台の脊振[せふり]山測候所で観測しているとき、激しい雨をもたらす雲の中に下降流があることに気づいた。それを英語の論文にして、1950年11月に中央気象台の『欧文彙報』に出した。ただし、下降流の存在は気象台職員にとって新しいことではなかった。1942年に中央気象台が出した『雷の科学資料』のうちの和達清夫による「雷と気象」という文章中に下降気流についての記載がある。1950年ごろ、藤田氏は脊振のアメリカ軍レーダー基地のゴミ箱にあった論文に雷雲の下降気流のことが書かれてあるのを見つけ、その代表著者であったシカゴ大学のホーレス・バイヤース教授に自分の英語論文を送った。バイヤーズ教授は藤田氏を研究員として招いた。ただし博士号をとってからという条件だった。藤田氏は1951年から1953年に東京大学の正野教授の指導を(週末にかよって)受けた。1953年に「台風の解析的研究」という博士論文を東大に出して受理されてから、アメリカに出発した。

2年半でいったん帰国し、1956年には永住権をとって、妻子とともに移住した。1962年に終身在職権つきの准教授となり地上3階・地下1階の研究棟「藤田強風研究室」をもった。1965年に教授になった。なお、1968年にアメリカ市民権をとった。そのほうが現地調査などの仕事をしやすいという判断だった。

課題としては、たつまきを選んだ。1957年6月のノースダコタ州ファーゴのたつまきの事後調査では、現地でとられた写真を集め、三角測量の原理で位置を決めて、たつまきの経路図をつくった。1960年に政府印刷局から出版された。この研究方法は気象研究としては斬新なものだったらしい。

気象衛星の利用にもとりくんだ。TIROS衛星画像の位置あわせの方法 Fujita precise method が知られた。気象庁から派遣され大学院生となった土屋 清 氏は衛星利用の専門家になった。

1960-70年代、藤田氏はたびたび たつまきの翌日に被災地をセスナ機で観察した。また、たつまきを発生させるスーパーセルを上空から見る観察もした。

そして1971年に、たつまきの強さをあらわす「フジタ・スケール」を提案した(今はそれを改訂したものが気象現業で使われている)。当初の発想は、風速の尺度で、ビューフォート風力階級の最上位である12をF1、マッハ1 (音速)をF12として、あいだを分割したものだそうだ。

「ダウンバースト」の研究のはじまりは、イースタン航空から、1975年6月24日にニューヨークJFK空港で起きたイースタン航空66便(B727)の墜落事故の原因調査をたのまれたことだった。国家運輸安全委員会の調査ではパイロットの失敗とされたのだが、パイロットは強いwind shearに出会っていると言っていた。

藤田氏は、強い下降流が生じ、それが地面にぶつかって放射状にひろがったと考えた。前年のたつまき事後調査で、木が(たつまきではふつうらせん状になるのだが)放射状に倒れたところもあったのを見ていた。原爆の事後調査との連想もあったようだ。【ここで「衝撃波」ということばが出てくる。これは原爆のばあいはもっともだが、ダウンバーストにはあてはまらないと思う。藤田氏が当時これは衝撃波だと思ったのか、本書からはよくわからない。】

藤田氏の説はなかなかうけいれられなかった。下降流が雲の上でつくられるという部分が、理論的にまちがっていた。しかし、風が放射状にひろがることについては、だんだん観察事例が集まってきた。

そして、ドップラーレーダーという新技術を開発している人たちの協力が得られて、1978年にNSF (国立科学基金)の研究費でシカゴ近郊で観測プロジェクトを行ない、ダウンバーストの現場での観測ができた。さらに1982年にはNSF、空軍、FAAの資金でデンヴァー地域で観測プロジェクトを行ない、レーダーでマイクロバーストの断面をとらえることや、飛行機でダウンバーストの真上や中を飛ぶことができた。(ダウンバーストは地表近くでは危険だが、高さ3.5 kmならば比較的安全だった。)

その後もいくつか不幸な事故があったが、1994年ごろまでには、[北アメリカでは]ダウンバーストによる死亡事故はほとんどなくなった。空港にドップラーレーダー、飛行機にウィンドシア警報装置が搭載されたこと、フライトシミュレーターへの組みこみを含めて、パイロットへのマイクロバーストの知識の教育が進んだこと、などの要因がある。

それで、藤田氏は、アメリカの航空関係者から、ダウンバーストの発見者として高く評価されているのだそうだ。

他方、専門の同僚である気象学者からの評価はそれほど高くない。それは、藤田氏が査読を経て学術雑誌に論文を出すことをあまりしなかったからだ。藤田氏の調査報告の多くは、査読なしで、研究室のtechnical reportや政府刊行物として出ている。【査読をへて論文を出すためには、単なる事実の報告だけでなく、因果関係の推論などの理屈を述べる必要があることもある。ところがその理屈はあやふやなこともある。藤田氏が論文の理屈を改良する努力よりも新しい事実の観察を優先したのもわかるような気がする。科学を「探索型」と「確証型」に分ければ(これはデータ解析に関するTukeyの分類のまねだが)、藤田氏は探索型に特化していたのだろう。ただし、探索型に特化して成功するためには、才能にも時の運にもめぐまれることも必要であり、藤田氏にはそれがあったのだと思う。気象力学の伝統とは別の工学系からきたドップラーレーダー開発の研究者が新しい多くの観測事実をもたらして確証の役割をしてくれたので、藤田氏の探索型の仕事が生きたのだと思う。】

なお、「Mr. トルネード」という表現を、著者の出会ったアメリカ人たちは使っていなかった。藤田氏自身が「自分はこう呼ばれている」という形でひろめたらしい。佐々木氏は、藤田氏が広報宣伝の意図でそうしたのだろうと考えている。【わたしは、「日本で「たつまきはかせ」と呼ばれている」ということの英語での表現だったのかもしれないと思う。】

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Kazuo Ishiguro (1986 /飛田 茂雄 訳 1988, 2006) 浮世の画家 [An Artist of the Floating World]

  • Kazuo Ishiguro, 1986: An Artist of the Floating World. Rogers, Coleridge and White Ltd.
  • カズオ・イシグロ 著, 飛田 茂雄 訳 (1988, 1992, 2006): 浮世の画家 (ハヤカワ文庫 epi イ-1-4 39)。早川書房, 319 pp. ISBN 978-4-15-120039-7. (1988年の版は中央公論社の単行本, 1992年の版は中公文庫。)

この本の一般的な紹介や論評を書く人はおおぜいいると思うので、ここではわたしの勝手な読みかたによって考えたことだけを書く。

わたしは小説をあまり読まない。Ishiguroさんがノーベル文学賞をもらうことになってその著書が本屋にならんでも、積極的に読みたいとは思わなかった。しかし、そのお父さんの石黒 鎮雄[しずお]さんのことは、わたしにとってやや広い意味の同業者、あるいは隣接分野(海洋物理)の専門家だから、気にかかっている[別ブログ2012-10-14の記事]。Kazuoさんの作品のひとつの題名が、An Artist of the Floating Worldだと知った。この連語は、海面の波のふるまいを定量的に再現(シミュレート)するための電気回路を組む職人芸の持ち主だった鎮雄さんの形容でもありうると思った。浮世の画家となると鎮雄さんからは離れるような気がするが、ともかく日本語版で読んでみることにした。メモをとったりせずにひととおり読んだ結果としては、鎮雄さんやその職場であった気象台や海洋物理との関連で思いあたることには出会わなかった。ただし、別の人の著書で読んだこととあわせて間接的に思いあたることはあった。

Kazuoさんの長編小説のうち、最初のA Pale View of Hills (1982年、日本語版は遠い山なみの光)と、この作品(1986年)だけが、日本を舞台にしている。ただし、著者自身も言っているように(わたしはNHKテレビの番組で聞いた)、この作品と、次にイギリスを舞台にしたThe Remains of the Day (1989年、日本語版は日の名残り)とは、基本的主題は同じなのだ。著者にとって舞台は原理的にはどこでもよいようだ。遠い山なみの光の舞台は長崎だが、この作品の舞台は匿名の日本の中都市で、長崎であってもよいのだが(たとえば数年前の空襲は原爆であってもよいのだが)そう明示されてはいない。(ただし、日本語版で「ためらい橋」と訳されているthe Bridge of Hesitation はいかにも長崎の「思案橋」を思わせる。) 著者は5歳で移住したあと一度も日本に来ないうちにこれを書いたそうだが、日本の描写として不自然なところは感じられなかった。(ただし、訳者あとがきによると、英語版には、「大正天皇の銅像」が公園にあったという描写があり、これは現実の日本にはありそうもないので、日本語版では もと市長の銅像に変えたそうだ。)

時期は第2次大戦後の1948-49年と設定されている。老画家の一人称の語りで、ごく最近(たとえば昨日)のできごとの話の途中からだいぶ昔の回想にとぶ、という形で、老画家の一生のうちのいろいろな時点のすがたが出てくる。

老画家は軍国主義体制(これはわたしの仮の表現だが)に協力した経歴をもっている。それについての現在の彼自身による評価が、話す相手によって、肯定的になったり否定的になったりする。わたしには、一方が本心で他方は うそ ではなく、本人の価値判断がゆれていて、どちらもそれぞれの場での彼の「本心」であるように思われた。なお、この小説についてのだれかの論評によれば、価値判断だけでなく事実認識も変わっているという。わたしは、事実認識の真偽が変わってしまうようなところには出会わなかった(見落としの可能性はある)が、事実としてとりあげるか忘れてしまうかという形のゆれは(確認しなかったが)あると思った。

(なお、画家ははじめから軍国主義体制支持だったのではなく、貧困などの社会問題を憂えて、しかしその解決を社会主義に期待せず、(本書の表現ではないが)「皇道派」的な運動に向かった、ということになっている。そこにも屈折があるのだが深入りはしていない。)

軍国主義体制とのかかわりに関する価値判断のゆれを感じる人は、科学者にもいたにちがいない。わたしが思いあたるのは、鎮雄氏が戦後つとめた中央気象台の長であった藤原 咲平 氏([和達ほか(1982)による伝記の本の読書メモ])だ。藤原氏は台長として、戦中は日本軍に、戦後は進駐軍に協力した。1947年に退職して、参議院議員に立候補しようとしたら公職追放を受けて立候補できず、引退したまま1950年に亡くなった。まさに1948-49年ごろの藤原氏は戦中の行動の正当化と批判とのあいだでゆらいでいただろう(新体制による藤原氏への評価もゆらいでいたわけだが)。ただし、わたしは Kazuoさんがこの小説を書くにあたって藤原台長のことを考えただろうと推測しているわけではなく、連想しただけである。

この小説には、師弟関係や同業者の人間関係のいろいろな形が出てくる。おそらく著者自身の文学の勉強をする過程の経験と、小説を書くための画家たちへの取材によっていると思う。著者の父親を含む科学者たちの経験もまざっていてもよいと思うが、とくにそうだろうと推測できるところはなかった。

木本 昌秀 (2017) 「異常気象」の考え方

  • 木本 昌秀, 2017: 「異常気象」の考え方 (気象学の新潮流 5)。朝倉書店, 219 pp. ISBN 978-4-254-16775-7.

2017年10月の新刊。

「異常気象」というのは著者にとって納得のいく用語ではない。本書1.2節によれば、著者は(たとえば)「低頻度気象現象」と呼びたいそうだ。気象の状態はいつもゆらいでいて、いわゆる異常気象はたまにしか起こらない大きさのゆらぎにすぎないのだ。しかし、本を書くからには、本の内容に興味がある人に届く必要がある。それで題名には今の日本語圏でよく聞かれる用語である「異常気象」を選んだのだ。(ただし、かぎかっこがついている。) また、気象庁が使っている用語だからでもある。気象庁は「異常気象」を「ある場所・ある時期において30年間に1回以下の頻度で発生する現象」という意味で使っている。

著者は(気象庁勤務の経歴はあるものの)大学教員だが、気象庁が2007年6月に発足させた「異常気象分析検討会」のメンバーで、発足から2017年5月まで会長をつとめていた。検討会ができたきっかけも、2005年12月から2006年1月の大雪をもたらしたメカニズムの説明について、気象庁で季節予報を担当していた前田修平さんに著者が助言したことだった(本書コラム2)。検討会というしくみによって、現実の天候のデータを気象庁職員だけでなく外の専門家が見て「異常」が生じた要因を考える。その結果は気象庁の公式見解の裏づけになることもあるし、専門家の見解として補足的に発表されることもある。

「異常気象」には大雨や突風のような時間規模の短いものも含めることもあるが、本書で論じられているのは、月単位でまとめた観測値の平年値からの偏差で見えてくるようなもので、「異常天候」と言ったほうがよいかもしれない。「天気、天候、気候」の説明は1.4節にある。「数日ないし数か月程度平均した天気の傾向のことを『天候』と呼ぶ。それより長い期間の平均を『気候』と呼ぶ。」とある。わたしの感覚では、ENSO (エルニーニョ・南方振動)などの年々変動あたりまで「天候」に含めたいのだが、著者の用語ではそれは「気候変動」なのだ。著者は「気候変動」と「気候変化」を区別する(4.6節の注)。地球温暖化は「気候変化」のほうだ。本書ではそちらの話題は最小限にとどめている。「気候変動」には、ENSOのほか、太平洋と大西洋それぞれの十年規模変動などが含まれる(4.5節)。なお、十年規模「振動」(oscillation)という表現を使う人が多いのだが、著者は「変動」(variability)がよいと判断している。

気象学の初歩から書いているとページ数がたりなくなるが、みんなが同じ基礎知識をもっているわけではない。そこで本書では第2章で、大規模(惑星規模・総観規模)の気象の理解に必要な基礎概念を「ミニマム気象学」として提示している。初歩の人にとっては記述が短すぎるだろうが、入門教科書で確認する手がかりにはなるだろう。教科書の推薦はないが、例として参考文献リストから選べば、浅井ほか(2000)『基礎気象学[わたしの読書ノート]がある。第2章には、ミニマムではないが異常天候の話題にはよく出てくる「定常プラネタリー波」などの概念も紹介されている(プラネタリー波とは惑星規模のロスビー波である)。

第3章の前半では、異常天候の解釈に使われる「力学的」概念が紹介される。「異常」とみなされる平年値からの偏差も、季節変化に比べて大きくはない。そこで線形論が有効だ。変数を基本場と擾乱にわけ、擾乱についての式をたてる。解は、複素数の指数関数、つまり実数の指数関数(増幅・減衰)×三角関数(振動)で書ける。基本場が「不安定」であって、擾乱が(線形論が有効なかぎりで)指数関数型で増幅することがある。また、ノイズによって擾乱が励起されることもある。

第3章の後半では、具体的な問題によく出てくる構造が紹介される。温帯では、定常ロスビー波の(水平)伝搬によるテレコネクションが見られる。熱帯では、熱源への応答として、赤道ケルビン波・赤道ロスビー波などによるMatsuno-Gillパターンが見られる。熱帯の熱源応答は対流圏の上下で逆位相、温帯のテレコネクションは上下で同位相の構造をもつので、前者が後者をもたらすしくみは簡単ではないが、ポテンシャル渦度の移流によるしくみ、鉛直シア(shear)によるしくみなどが考えられている。

なお、熱帯の力学にとっての熱源をもたらすのは主に積雲対流である。その変動をともなう現象として、モンスーンと、季節内変動(とくにMadden-Julian振動)がとりあげられている。

天候の偏差は大気だけでつくられるものではなく、海洋、海氷、土壌水分などが、大気よりも長い時間の記憶をもつが、因果関係は一方的ではなく双方向で考える必要がある。

第4章では、「気候変動」として、おもにENSOと十年規模変動を論じている。

4.6節では、地球温暖化について、「異常気象」とかかわる論点にかぎって論じている。その準備として4.6.1節では、気候システムの「感度」と、それを強めたり弱めたりするフィードバックの考えかたを紹介する。4.6.2節では、地球温暖化に伴って降水がどう変わるかの見通しについて述べている。4.6.3節では、「異常気象」といえるような現象が起きたときそれがどのくらい「地球温暖化のせい」だと言えるかを評価する event attribution という考えかたを紹介する。

第5章では、気候・気象の数値モデルの構成と使いかたを紹介している。大気がもつ「カオス」性による予報の限界と、それを(いくらか)克服する方法としてのアンサンブル予報の話もある。

5.3節のはじめに「もう少し詳しい(しかし数式は使わない)解説は、別のところ(木本, 2012)で試みた」とあるのだが、参考文献リストにそれがない。東京大学に著者のウェブサイトがあり、そこに著作リストがあるので参照すると、次のどちらかにちがいない。岩波講座のほうならば、本全体としては参考文献リストに含まれているので、「(住ほか 2012の木本執筆部分)」という形で参照すればよかった。

  • 木本 昌秀, 2012: 予測の科学。『計算と地球環境』(岩波講座 計算科学 5, 住 明正、露木 義、河宮 未知生、木本 昌秀 著、岩波書店) 165-216.
  • 木本 昌秀, 2012: 数値モデルによる気候変動研究。『二つの温暖化』(甲斐 憲次 編著、成山堂書店)[増田の読書メモ] 74-93.

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花輪 公雄 (2017) 海洋の物理学

  • 花輪 公雄, 2017: 海洋の物理学 (現代地球科学入門シリーズ 4)。共立出版, 210 pp. ISBN 978-4-320-04712-9.

2017年4月の新刊。わたしは6月に買った。

「海洋学」のうち、海底に関する分野を別にして、海水からなる海洋に関する分野を、観点・手法の面から、海洋物理学・海洋化学・海洋生物学と分ける。日本語では「海洋物理学」だが英語ではphysical oceanographyがふつうで、物理学の分野というよりも、物理的観点・手法による海洋学をさした分野名だ。

海洋物理学というと、わたしは、流体の運動方程式にもとづく海洋力学をおもに考えてしまうが、それはおそらく東京大学の地球物理で教育を受けたせいだ。本書では、運動方程式が出てくるのは、まんなかに近い第7章で、力学の話題はそこからあとに限られているが、それよりも前も、物理量に注目した海洋の話だ。

本書で話題が提示される順序は、必ずしも体系的ではないと思うが、体系的にするのはむずかしい。(基礎から述べようと思うと、はじめの部分がひどく抽象的なものになってしまうだろう。) 本書は、学部3年生向けの講義のノートをもとにしているそうなので、学生にとって新しい知識を提示していく順序としては、よいのだと思う。

ただ、わたしは本書の予告を見て、海洋の深層循環(熱塩循環)に関して、入門者にわかりやすい表現で書かれていることを期待したのだった。(海洋物理学者のうちには、黒潮やエルニーニョ現象などの表層の力学が専門の人が多いなかで、花輪さんは深いところをよく見ているにちがいないと思ったのだ。)

5.3節あたりに、深層にはどのような「水塊」がどこに分布しているかの話はある。また、6.4節で、深層循環に関する観測事実の要約として、Broeckerの「コンベアーベルト」や、Schmitzの「overturn」の図式が示されている。深層循環のメカニズムの説明は、8.4節にあるが、簡単すぎる。まず「先に、深層(熱塩)循環は密度差から起こる対流的な循環であることを述べた」(104ページ)とあるのだが「先」として参照された記述が見つからない。これはわたしが見落としている可能性もあるが、そうだとしても記述は短いものにちがいない。8.4節では、Stommelの1958年の理論(とその後の観測研究)にもとづく深層西岸境界流を含む構造が示されているだけである。

深層循環は、温度と塩分で決まる密度の不均一による広い意味の対流として説明されてきたが、密度を高くする原因も低くする原因も海面付近にある。深層に達する循環はこれだけではできず、風または潮汐によるかきまぜが必要だ、という話がある。(わたしの教材ページ[海洋の大循環]の「熱塩循環」の部分の「注」として、2008年ごろ勉強したことを書きこんだ。) 本書にはその話も見あたらない。11.6節「内部潮汐と海洋混合」に、潮汐による鉛直混合の話はあるが、深層の大循環と関連づけられてはいない。

残念ではあるが、著者がおもに見てきたのが北太平洋であり、そこでは深層水が形成されず、海洋循環を表層と深層にきれいに分けることがむずかしいので、教科書的に書くのがむずかしいのだろうとも思う。

わたしは北太平洋の高緯度の表面付近で冷やされた水は中層水になるのだと思っていた。本書では5.3.2節に「北太平洋中層水」が出てくるが、これは低塩分を特徴としていて、表層で冷やされて沈んだ水だとも、そうでないとも書いてない。ただし、北大西洋深層水(NADW)の話のあとで、「太平洋にはNADWにあたる水塊はない。…北太平洋は…表層の水は低塩分であるため冷却されても高密度の水をつくれないためである。」とは書いてある。他方、5.3.3節で、表層の水塊のひとつとして「北太平洋亜熱帯モード水」(NPSTMW)というものが出てきて、「NPSTMWは、日本に近い海域で、冬季の冷却と混合により形成された厚い表層混合層で形成される。」とある(59ページ)。わたしは「モード水」ということばを聞いてはいたものの、中層水と混同していたのだが、別であることを認識した。

ここから、順を追って各章に書いてあったことのメモ。

「第1章 地球の海」。海水の話にはいるまえに、その いれもの としての海盆の大きさや形を説明している。

「第2章 海水の性質」。
2.2節「水の性質」では、水が、比熱容量、融解の潜熱、蒸発の潜熱、表面張力が、いずれも大きい物質であることを述べている。
2.3節「海水の組成」。そのうち2.3.2節「塩分」。「塩分」の定義の変遷の概略を述べている(厳密な定義は省略している)。質量比 → 滴定で塩素を計測 → 電気伝導度を計測 (実用塩分) → 質量比 (絶対塩分)。「しかしながら、絶対塩分を簡便に直接計測する手法は見出されておらず、これまでどおり実用塩分を計測して換算や補正をすることが行なわれている。」 また、「 “塩分濃度” という用語は誤りである。」と主張している。
2.4節「密度」。海水の状態方程式、ポテンシャル密度・ポテンシャル水温(温位)、結氷・融解点温度、最大密度温度、音速。

「第3章 地球の熱収支」。3.1-3.3節の話題は海洋学というよりも気候システム論で、おもに大気と地表面のエネルギー収支がどんな項から成り立っているか。3.4節で、海洋によるエネルギー(熱)の南北輸送 (そのグラフはHartmann 1994 Global Physical Climatology 初版[第2版の読書メモ]から引用)。

「第4章 海洋への強制力」。海面でのエネルギーフラックス、淡水フラックス、運動量フラックス=風応力について。4.2節では観測されている量から海面フラックスの数値を求める方法としての「バルク法」を紹介する。4.3-4.5節でフラックス各項の地理的分布を示す。

「第5章 海洋の成層構造」。5.1節「海洋の成層」では、水温躍層(thermocline)などの躍層、混合層などの話題を含む。5.2節で「水塊」という考えかたが示される。5.3節「水温と塩分の分布」では、数値の等値線をふくむ平面図と断面図を示しながら、深層水、底層水、中層水、モード水などと名まえがついた水塊を紹介する。5.4節「水塊の移動と変質」では、乱流による混合があることを指摘し、乱流を発生させるしくみを列挙し、そのひとつである「二重拡散対流」を説明している。

「第6章 海洋の大循環」。この章の話題は、海洋の大規模な循環についての、流れの数量を知る方法と、知られた現在の循環の記述である。
表層の循環の記述(6.2節)では、赤道循環、亜熱帯循環、亜寒帯循環、西岸境界流、そしてインド洋のモンスーンに伴う季節によって変わる海流などの話題がある。
中・深層の循環を知る方法(6.3節)については、流れの直接計測が少ないので密度場やトレーサーの分布からの推定がおもになっているという話がある。
深層の循環の記述(6.4節)については上に述べた。

「第7章 海水の運動方程式と地衡流」。流体のNavier-Stokes方程式が基本である。ただし座標系が慣性系ではなく回転系である。球面で考えるのが基本だが、接平面近似で得られる直交直線座標系の式をおもに紹介している。運動方程式の各項は、時間変化項、移流項、コリオリ力、圧力傾度力、粘性項である。運動方程式の各項の大きさを見積もる(「スケールアナリシス」という)。鉛直方向は静水圧近似、水平方向は地衡流近似が成り立つことが多い。

「第8章 海洋大循環論」。おもに、表層の亜熱帯循環系 (黒潮などを含む)の形成について順を追って論じている。風に対する海洋の応答としてEkman層ができる。Ekman輸送の収束・発散による質量移動がある。そして大規模で定常な流れの場は、海盆の内部でSverdrup balance (Sverdrup 1947)の状態になる。ただし海盆の西の端近くではこのつりあいが成り立たず西岸境界流ができる(Stommel 1948)。
深層循環に関する議論(8.4節)については上に述べた。

「第9章 海洋の短周期波動」「第10章 海洋の長周期波動」。
まず波動一般の基本的性質。
それから水の波の性質。復元力によって、重力波、表面張力波、惑星波がある。惑星波というのは、地球の自転の効果をあらわすコリオリのパラメータの緯度によるちがいを復元力とする波動である。
また、水の波には「外部モード」と「内部モード」がある。
第9章では、波浪(風波、うねり)、津波、境界面に生ずるKevin-Helmholtz不安定波、内部重力波、
第10章では、慣性重力波、ロスビー波、ケルビン波(沿岸、赤道)が扱われている。

「第11章 潮汐と潮流」。この主題の基礎知識を述べている。
細かいことだが、図11.6 「世界の海洋における主太陰半日周潮の等潮差図と等潮時図」は、表題の用語が少しちがうが、『理科年表』の地学の部に2017年の巻にはあって2018年の巻[読書メモ]からなくなった図と同じものである。
11.5節「潮位資料を用いた海洋変動の検出」は、「検潮所」は水位を継続観測しているので、その記録からは、潮汐だけでなく、たとえば黒潮の大蛇行などの海洋変動についても知ることができるという話。

「第12章 海洋の観測と監視」。
現場観測(船、係留系、漂流ブイ)とリモートセンシングにわたる、観測についての概説。船による観測のうちでは、WOCE (1990-2002年)で実施されその後もくりかえされている定線観測の話、漂流ブイについてはアルゴ(Argo)フロートの話がおもになっている。
12.6節「データの取り扱いポリシー」。IGY (国際地球観測年)を機会につくられたWDC (世界データセンター)というしくみがある。海洋に関するWDCは、アメリカ合衆国のNOAAのNODCが担当している。そして、WOCE以来、研究観測のデータは観測後2年以内にWDCから世界に公開されるというポリシーがある。【ただし、最近、WDCのしくみがWorld Data Systemに移行したこと、NOAAの中の改組でNODCがNational Centers for Environmental Informationの部分になったことにはふれていない。実質業務はあまり変わらず継続されているようだが。また、著者は「多くの分野でWDCは機能しなかったといわれている」が、海洋では機能してきたと言っている。わたしから見ると、WDCが機能してきた分野はほかにもいくつもある。ただし、日本の海上保安庁海洋情報部にあるJODCなど、各国にWDCではないがWDCと連携するデータセンターが整備され、それがデータを集めてWDCに送る体制ができているのは、おそらくほかの分野には見られない海洋分野の特徴なのだと思う。】

「第13章 気候変動と海洋」。
気候システムの中で、海洋の特徴(大気とのちがい)は、熱的慣性が大きく、移流、拡散、滞留のいずれの時間スケールも長いことと、可視光に対して不透明なことである。海洋は「記憶装置」として働く。
13.4節ではエルニーニョ、13.5節では太平洋数十年変動 (PDO)について、やや詳しく論じている。

「第14章 地球温暖化と海洋」。
地球温暖化にとって、海洋のおもな役割として、温室効果気体の吸収と、熱の吸収がある。また、地球温暖化のいわば「副作用」として、海水位の上昇と、海洋の酸性化がある。
最後の14.5節では、これまでにおきた水温・塩分・循環の変化について述べている。

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日本海洋学会 (2017) 海の温暖化

  • 日本海洋学会 編, 2017: 海の温暖化 — 変わりゆく海と人間活動の影響。朝倉書店, 154 pp. ISBN 978-4-254-16130-4.

2017年7月の新刊。わたしは9月に買った。装丁を見ると、同じ出版社から出た 日本気象学会 地球環境問題委員会 (2014) 『地球温暖化 — そのメカニズムと不確実性[読書メモ]の続編のような気がする。執筆者にもなん人か共通の人がいる。気象学会の企画でも海洋の話題はあったものの、割り当てられたページ数が少なかったから、それをしっかり論じるために別の本が必要だ、というような動機があったのかもしれない。ところが、本書最後の第7章の話題は、海洋にかかわる環境問題ではあるが、地球温暖化と直接の関係はないものがならんでいる。おそらく、海洋学会の中では、温暖化にかぎらず環境問題を扱う本の構想があって、それも合流させたので、本の主題の明確さの面では妥協した出版になったのだと思う。

海洋学の初歩の知識のある読者を想定していると思う。ただし残念ながらわたしには予備知識を得るためにどの本がよいかを述べられない。

地球温暖化の科学にとっての海洋の役割としては、炭素循環(大気中の二酸化炭素濃度を変える原因ともなる)が第3章(3.1, 3.3節)で論じられている。第2章の内容(次にやや詳しく述べる)は、エネルギーをたくわえる働きや運ぶ働きに関する話題を含んでいる。

第2章では、海洋の温度、塩分、循環(風成循環と深層循環)、海面水位が、近代的観測が始まってからこれまでにどのように変わってきたか、また今後の変化はどのように予測(project)されているかを述べている。これまでの変化を述べた2.1節では、温度よりもむしろ「貯熱量」(海にたまっているエネルギーの量)の変化に注目している。また塩分よりもそれを変化させる原因である降水・蒸発の変化に注目している。しかし予測を述べた2.2節はそれに呼応する構成になっていない。2.3節では南大洋と北極海、コラム1ではオホーツク海について、これまでの(かなり複雑な)変化を紹介している。2.4節では海面水位変化について、理屈、これまでの事実、予測にわたって述べている。世界平均の海面水位を変化させる要因は海水の熱膨張と氷河(氷床を含む)の融解である。ローカルな水位の変化にはこれに加えて海洋循環の変化に伴う力学的な変化もある。

地球温暖化とは別のしくみだが、同じ二酸化炭素排出を原因とする現象である海洋酸性化について、そのしくみの科学の話が第3章(3.3.3節)、影響の話が第4章にある。

地球温暖化にともなって起こると専門家は考えているがまだ広く知られていない現象として、海洋の貧酸素化があり、3.2節で論じられている。温度上昇から溶存酸素減少にいたるしくみとしては、溶解度の低下、密度成層の強化、海氷形成(に伴う海水の鉛直混合)の減少がある。

第5章は、地球温暖化が生態系におよぼす影響という趣旨だが、おもな対象は水産資源となる魚類である。5.4節は海洋動物の感染症とその養殖・野生生物・ヒトの健康におよぼす害の可能性(リスク)を論じている。5.5節はサンゴ礁が受ける影響を論じている。

第6章では、地質学や同位体地球科学を背景とした古海洋学の立場から、地球史のなかのいろいろな時間スケールの気候変動・海洋環境変動を展望している。とくに6.3節では「過去の顕著な温暖化」として、5600万年前の「PETM」、330万年-300万年前の鮮新世中期、2万年-1万年前の「最終退氷期」(最終氷期の終わる時期)をとりあげている。6.4節では現代の人間活動の影響の大きさを話題にし、Anthropoceneということばも紹介しているがそれが地質時代名として認められていないこともことわっている。

第7章のうち、7.1節では、福島第一原子力発電所事故によって海洋に放出された放射性物質の動態を論じている。7.2節では、富栄養化とは逆に窒素などの栄養塩が少なくなって水産業につごうが悪くなっているという問題(事例の場所は瀬戸内海、原因は複合的)、7.3節では富栄養化していなくても起こる赤潮をとりあげている(事例の場所は豊後水道)。7.4節ではマイクロプラスチックによる汚染を論じている。ここまでは地球温暖化との関連は乏しい。ただし章末のコラム3では、メチル水銀の生成や、海洋生物に有害な重金属のイオンの溶出が、温暖化(とそれに伴う貧酸素化)によって強化される可能性が指摘されている。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。執筆者を「/」のあとに氏名の形で示した。
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国立天文台 (2017) 理科年表 平成30年[2018] 第91冊

  • 国立天文台, 2017: 理科年表 第91冊 平成30年 — Chronological Scientific Tables 2018. 丸善出版, 1118 pp. ISBN 978-4-621-30217-0.

今年も11月末に理科年表の来年の冊が出た。

このブログにはこれまでに[2012年の冊][2015年の冊][2016年の冊]
[2017年の冊]
の読書メモを書いた。

ひとまず、まえがきを読み、目次を前年(2017年)の冊のものと見くらべて、気になったところだけ本体を読みに行ったところまでで、気づいたことを書いておく。

当然ながら、天体の見える位置などの予測値は2018年のものに、最近1年間の地震・火山噴火などは2016年のものに、更新されている。気象の数値データのうち、平年値は変わらないが、日本の極値は対象期間を2016年までのばして決めなおされている。

そのほかの変更点は、わりあい少ない。ページ数が少しふえているのは、情報が累積でふえていく記事があるのと、小さな文字でつめこんでいた記事の割りつけを少しゆったりさせたことによるようだ。

の部では、「北極星の子午線通過、最大離角」が追加されている。また、トピックとして「火星の大接近と小接近」がある。(前年の「月齢について」はトピック扱いだったらしく、今回はなくなった。)

天文の部では、トピックスとして「太陽系に最も近い恒星を周回する地球型惑星の発見」と「氷衛星 EnceladusとEuropaの地下海の発見」がある。

気象の部は、目次には年の更新のほかは変化がない。
「世界の気象災害」のページ数がふえたが、累積で少し情報がふえたのと、レイアウトを少しゆったりさせただけのようだ。

物理・化学の部。
まえがきに述べられているのは、113, 115, 117, 118番元素の名まえが決まったのにともなって、「元素」の記事群(「原子量」「元素の周期表」「原子およびイオンの電子構造」の記事)が改訂されたことだ。
目次を見て、ページ数をかぞえてみたら、次の変化に気づいた。
「元素」の記事群では、「原子およびイオンの電子構造」が108番元素までから118番元素までになって、ページ数もふえた。
「機械的物性」の記事群では「密度」のうち「単体の密度」のページ数がふえ、紙面の文字の密度は減ったが、情報が少しふえたようだ。
「熱と温度」の記事群では、「熱電対の規準熱起電力」の数値の件数がふえた。また「膨張率」のうち「固体の線膨張率」のページ数がふえ、情報が少しふえたようだ。
「電気的・磁気的性質」の記事群では、「金属の電気抵抗」のページ数がふえ、情報が少しふえた。
「音」の記事群では、「固体中の音速」が、前は「種々の物質中における音速」の部分あつかいだったのが、目次に示される記事になった。
「熱化学」の記事群では、「デバイの特性温度」という記事がなくなった。

地学の部。
「地理」の記事群のうち、「世界の半日周潮の同時潮図」「世界の半日周潮の等振幅図」の記事がなくなった。このような情報を『理科年表』に頼る人があまりいないという判断なのだろう。
「地震」の記事群のうち、「日本付近のおもな被害地震年代表」(416年-現在)の改訂。これはまえがきに述べられていた。内容を見ると、たしかに改訂された項目はあるのだが、大部分の項目の記述は変わっていないようだ。
リード文は、最後に「被害情報は5年経過で確定」が追加されたが、そのほかは同じだ。したがって、出典として示された文献には変更がないのだが、内容が変わったところは、出典文献のうちの優先順位や、文献にある記述の解釈を変えたということなのだろう。
最初(番号1)の項目の西暦416年8月23日の地震については「疑わしきか?」という加筆がある。最近加筆したにしては古い文体だが、むかしの版にあった記述を復活したのだろうか?
番号72の1605年2月3日の『慶長地震』は「震害の記録は見当たらない」とある。前年の版で淡路島の報告が書かれていたのと変わっている。また最後に「いずれにしても “津波地震” の可能性が大きい」と加筆されている。新しい学術的検討に基づいてあらためられた認識を反映したのだろう。

生物の部。
「生物のかたちと系統」の記事群は、今年は「動物分類表」の番で、「植物分類表」その他はない。
「生殖・発生・成長」の記事群のうちでは、「寿命」が前年の冊では目次で1項目、本文1ページだったのが、今度は目次で3項目、本文2ページになった。そのうち「実験用マウス」の部分が「給餌制限と寿命」となったが、内容は同様のようだ。
トピックとして「ウイルスとウイルス感染症」がとりあげられている。

環境の部。
まえがきに「環境省第4次レッドリストの内容を反映、海洋生物レッドリストを追加」したと書かれているが、これは「陸域環境」の記事群のうちの「絶滅のおそれのある日本の野生生物の種数」の記事の内容のさしかえと追加だ。
「陸域環境」の記事群には、そのほか、次のような変化がある。
「世界のバイオーム分布」(WWF 2012)が、前年の「世界の生態系分布」 (大島 原図)に代わって収録された。
「県別土地利用面積」が追加された。
前年にあった「全国植生自然度」と「二次林の植生タイプ」が消えている。いずれも出典として 環境省 (2001)『新生物多様性国家戦略資料集』があげられているが、今ではそれをreferenceとして使いつづけるべきでないと判断されたのだろうか。

島津 康男, 岸保 勘三郎, 高野 健三 (1975) 自然の数理

  • 島津 康男, 岸保[がんぼ] 勘三郎, 高野 健三, 1975: 自然の数理 (数理科学シリーズ 12)。筑摩書房, 310 pp.

この本は、授業で話題にすることもあるので、読書ノートを書いておこうと、なん年も前から思っていたのだが、ようやく、いまとりかかっている。

わたしはこの本の影響を強く受けた。この本の議論をそのまま自分の主張と感じるようになったところもあると思う(全部の議論に賛同したわけではないが)。1977年に地球物理学コースへの進学を希望するきっかけのひとつだったかもしれない。あるいは、きっかけは別のもので、この本は専攻が決まってから読んだのだったかもしれない。

地球の現象を、なるべく物理法則にもとづいて、計算機上でシミュレーションする、という主題について、いろいろな事例をあげて紹介した本だ。

地球のシミュレーションがどのように発達してきたかをふりかえりたい人には、詳しく読むことをおすすめしたい。そのほかのかたには、細部にこだわって読んだり、直接のまねをしてみたりすることはおすすめしない。今では学問的認識が変わっていることもあちこちあるし、計算機の能力は大きく変わっている。しかし、地球の現象に対してシミュレーションという方法をどう適用するかの発想については、いま出ている本には必ずしも書いてないことが書いてあり、読者に刺激を与える本として、おすすめしたい。

全部で6章のうち、大気と海洋の数値モデリングを扱った第2章(長い章ではあるが)を岸保さんと高野さんが執筆し、そのほか全部を島津さんが執筆していて、両者の発想はかなりちがう。ちがいがある理由は地球科学のうちでも気象学・海洋学とその他の分科とで学問状況がちがうからだと思うが、どのようにちがうかには島津さんの個性が強くあらわれていると思う。

(もっとも、わたしは、最初に読んだ学部学生のときには、本の著者を意識する習慣がなく、この本についても第2章と他の部分のちがいをあまり意識せず、いわば現実には存在しない分野横断的な人の著書として受けとめていた。著者を分けて認識するようになったのは大学院に進んでからだった。)

第2章を執筆している岸保さんは、気象学者で、1950年代の東京大学助手のときにアメリカ合衆国プリンストンでの数値天気予報プロジェクトに参加している。帰国後は気象庁に移り、数値予報の現業化のリーダーのひとりだった。1970年代には東大教授になった。(本書よりあとのことだが)わたしの師匠のひとりだ。

高野さんは海洋物理学者で、UCLA (カリフォルニア大学ロサンジェルス校)のMintz・荒川の気候モデル研究プロジェクトで海洋大循環モデルをつくって動かしていた[注]。

  • [注]そのことはあまり広く知られていない。それは高野さんにかぎらずMintz・荒川プロジェクトが少ししか研究論文を出さなかったからだ(大気モデルの要点は、technical reportという非公式出版物で同業者には伝わっていたが)。高野さんの海洋モデルについてわたしが読んだ論文は Takano (1979)だけで、これも短報なのだが、海洋による南北エネルギー輸送(熱輸送)の数値を出していて、1980年代なかばに博士論文でその主題を扱ったわたしにとっては重要な参考文献のひとつだった。

帰国後は理化学研究所、のち筑波大学(生物科学系)につとめた。わたしは直接面識はない。

第2章の大気の部分では、まず数値天気予報のしくみを説明している。学部生のころのわたしも、運動方程式をもとにした数値計算で、格子点ごとの気圧や風速の予報値が得られることはわかった。(当時はそれ以上はわからなかった。大学院生になって勉強してからふりかえると、1970年代当時としては標準的な数値予報の解説である。)

気候の問題については、次のようなことが話題になっている。1971年にストックホルムで開かれたSMIC (Study of Man’s Impact on Climate)会議。全球平均の量による気候モデル。大気の運動・放射などの経験的なパラメータ化を含むモデル(例、Budykoのもの。太陽放射の変化に応じて氷の面積が変化しエネルギー収支に影響を与える)。大気の運動方程式を具体的に表現した数値モデル(「大循環モデル」)とそれによるシミュレーション。運動のところを簡略化した統計的力学モデル。

当時、GARP (Global Atmospheric Research Program、当時の日本語名でなく直訳で「全球大気研究計画」)が進行中だったが、それに続く(仮称) Second GARPの企画が始まっていた。それは結局WCRP (World Climate Research Program、世界気候研究計画)になった。

海洋大循環モデルについての話題は、GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)のBryanの仕事もあるが、高野さん自身の仕事もある。

  • 海洋の南北熱輸送の話題(上記)もある。
  • 南極と南アメリカの間が、いまは海があるが、陸でつながっていたら海洋循環はどうなるかの実験の話もある。これは古気候(6500万年前)にも関連するし、自然改造の夢にも関連する。この話題は樋口敬二さんが『地球からの発想』でとりあげている。
  • 海洋のいわゆる「中規模渦」と、それが大循環にとってどんな働きをしているだろうかという話題もある。(この件は他の著書(高野, 1976)に詳しい。)

島津さんは、東京大学の地球物理の大学院で学び、名古屋大学の、地質と地球物理が共存する地球科学科の初期から地球物理を教えてきた。

島津さんは研究の主題を何度か大きく変えてきた。1984年の時点でのまとめは『国土学への道』にある。

若いころの研究分野は地球内部物理学だった。地球形成以来の熱の出入りや温度などの状態の変遷を物理法則に基づいて説明する研究をした。1967年に出た著書(わたしは読んでいないのだが)の題名になっている「地球の進化」はこれをさす。

島津さんは大学への計算機の導入とそれの利用にも熱心だった。地球のシミュレーションを推進した。研究室の標語をSMLESとしたが、これはseamless earth scienceでもありsimulation earth scienceでもあるとした。シミュレーションを推進した時期のうちでも初期は、おもに地球内部の自然現象を対象としていたようだ。

しかし、1970年ごろには、人間社会をとりまく環境に関心を移していた。ただしこのころはグローバル(全地球規模)の環境を問題にしていた。本書第6章第1節に出てくる「地球トータルシステム」([わたしの教材ページ]参照)は、自然、生物、人間の3つのサブシステムからなる複合システムだとされているが、この「自然システム」は大気・水圏・陸面であり、地球内部を含む全地球は意図されていない。

本書よりも新しい時期の島津さんは、もっとローカルな環境問題に注目し、「環境の現場監督」「市民による環境アセスメント」などを標語として活動してきた。

本書第1章第1節には、シミュレーションという方法に関する島津さんの思想が述べられている。うまく要約できるものではないが、いくらか書きぬいておく。自然科学には理論、実験とならんでシミュレーション(数値実験)という方法がある。それは既存の知識からの演繹におさまらず、「総合的発見法とサイバネティック方法論」「予測と計画」の意義がある。問題解決型の研究には、これまで真理探究型で発達してきた学問を応用するだけでなく発見志向の態度が必要だ。また【これまでの学問分科をこえた】「総合」が必要だがそれは羅列でなく手段の開発が必要だ。自然(や社会)の現象は、相関関係はわかっても因果を知りつくすことはできないことも多い。そのようなプロセスを扱う必要がある場合は回帰式などの経験式によってブラックボックス的なモデルを使うことになる。

第1章第2節では自然現象のモデル化・そのモデルによるシミュレーションの具体例として(常識的には固体である)「岩塩ドーム」の流体力学にもとづく数値(ディジタル)モデルによるシミュレーションが紹介されている。(人間が関与しない自然現象であり、ローカルであり、stochasticでない決定論的モデルなので、3, 4, 5, 6のいずれの章にもうまくあてはまらないようだ。)

第1章第3節では、おもに第4章や第6章で扱うグローバルな地球環境システムにふれながら、島津さんが「システム」という用語をどういう概念で使っているか、自然システムをどんなシステムだと考えているかを述べている。要約するのがむずかしい。自然システムの特徴として、質量保存、エネルギー保存が制約条件となることをあげている。これは今のわたしも主張したいところだ。

第3章は、地球全体にくらべればローカルな現象を、決定論的でなくstochasticなものとしてとらえてモデル化しシミュレーションする話。ただし章の終わりのほうではstochasticなものに限らずシミュレーション結果の可視化の重要性と方法の話になっている。対象としては、川の流系(木型構造)、三角州、砂嘴[さし]などの地形の形成と、岩石の破壊による地震の発生がとりあげられている。他の研究者の仕事にはかまわず自分たちの仕事を紹介しているらしい。また、確率的な現象の知識を人間社会がどう使うかという観点の例として地震災害にそなえた建築計画の例をあげ、数理計画の方法論にふれている。

第4章は、おもに地球全体を、質量保存やエネルギー保存で制約されたシステムとしてとらえ、モデル化しシミュレーションする話。質量やエネルギーのたまりをもつ箱のようなものを考え、箱どうしの間の質量やエネルギーの交換を考える、(本書の表現ではないが)ボックスモデルの考えによるものが多い。第1節は海の塩分がどのような物質の出入りと化学平衡で決まっているか。第2節は炭素循環(生物がからむ速い循環と岩石圏がからむ遅い循環を含む)。第3節は火山ガスの組成。第4節は(ローカルな話題になるが)陸にふった雨が川に流出するまでの過程。

第4章第5節では、物理的自然、生物、人間を含むグローバル地球環境をモデル化する著者のグループによる第一の仕事が紹介される。浦部達夫さんの博士論文になった仕事らしい。大気・海洋はボックスモデル型の扱いで、運動を直接的に扱うのではなく、物質やエネルギーの交換量は熱伝導や拡散のように両側の箱の状態量の差に比例すると仮定したところが多い。大気については温室効果を主要なプロセスとして入れている。

ここで温室効果の「高温暴走」の話がある。駒林誠さんの研究論文ではなく1967年に『自然』に出た解説が参考文献にあがっており、駒林さんの議論を、詳しく追うのではなく、はいってくる放射エネルギー流と地球が出す放射エネルギー流がつりあう定常問題の解があるかという構造の問題としてとらえたらしい(島津(1971)の教科書的な本『地球の物理』にも同様な議論がみられる)。

第5章は、島津さんによる生態系のとらえかた。重視しているプロセスには、食うものと食われるものの関係、競争関係、エネルギーの流れ、物質の流れ、がある。第1節は著者の思想をいろいろ論じているが要約しにくい。種の多様性を「エントロピー」とも言っているがこれは情報エントロピーだ。栗原康さんの仕事を『有限の生態学[読書メモ]の本が出る前の研究発表原稿をもとに紹介しているところもある。第2節は、食う食われるの関係で個体数が変動する件で、有名なLotka-Volterraの微分方程式によるモデルを実際に動かしてみたうえで、そのモデルの仮定が生態系の現実とちがうところを現実に近づける修正をいろいろ試みたりしている。第3節は微量有害物質の生物濃縮について、物質収支のボックスモデルで考える。第4節は「数式化はできないが数量化しうる生態システムの問題として」害虫の発生予測・総合防除(捕食者を利用した防除)の例をあげる。これはそちらの専門家との共同研究だ。(たとえば Kiritani さんが参考文献の共著者にあがっている。)

第6章は、物理的自然・生物・人間を含む地球環境の、必ずしもグローバルには限らないがマクロ(巨視的)なシステムのモデル化の話題。第1節の「地球トータルシステム」は上に述べた。第2節「エネルギーシステム」では、人間社会の構造を、(有用な)エネルギーの流れに注目して図式化する。生態学者Odumの人間社会にふみこんだ話と似ており、Odumの影響を受けているにちがいないが著者独自のところもあり、その境目はいまのわたしにはよくわからない。第3節は、人間社会の扱いのうち数量化が進んでいる経済学を論評する。経済学では貨幣価値のあるものだけを扱っていることを批判し、産業連関表に似ているが質量などの物理量に注目した入出力分析をするべきだと主張する。

第6章第4節・第5節は、いわゆるsystems dynamicsの方法論とそれの人間を含む地球環境への適用。ここではMeadowsほか(1972)『成長の限界』が出てくるが、むしろそれの基礎になったForresterの方法論を重視し、それを自分なりに使おうとしているようだ。島津さんは『成長の限界』が出る前からForresterのWorld Dynamicsに注目していたのかもしれないがわたしにはまだわからない (1969-1971年ごろの著作をよく読めばわかるだろう)。

第6章第6節は、これからの政策を考えるうえで重要な課題は何か考える話。方法としては、複数の人が頭をつかって問題の構造を考える KJ法 (川喜田二郎氏に由来)と、統計学的に問題の構造をとらえる数量化理論 (林 知己夫氏に由来)が紹介されている。

第6章第7節の主題は環境アセスメント。人間の行動から環境への負荷、環境の変化、環境から人間へのインパクト、という因果関係をどう考えるかの発想を論じている。著者のこれよりあとの著作に発展する出発点なのだと思う。

第6章第7節の続き(本文の最後)に、環境アセスメントの考えかたの具体例として、人間活動のある地域で自然植生が現存しているのはどのような条件によっているか、今後保全可能なのはどこかを、地図上に条件を示したマスクのかさねあわせ(おもに論理「AND」演算)で考える話がある。1970年代に読んだときは印象に残らなかったのだが、1990年代にいわゆる「地理情報システム」(GIS)の応用が広まりわたしも教える立場になったとき、これが先駆的だったことに気づいた。

付録としてFotranによるプログラム例がいくつかのっている。ラインプリンタ打ち出しの影印版で不鮮明な部分も少しあり、ローマ字大文字ばかりで、文法もFortran 66なので、いまから見るといかにも古い。わたしはこの例文を、文字列として読み、Fortranの文としてのそれぞれの意味を言うことはできるが(それができる最後の世代かもしれない)、プログラムとしてどんな仕事をしているか理解することや、いま使われるプログラム言語で書きかえることは、必要にせまられないかぎりやる気になれない。計算機を利用する仕事のスタイルの変化が速かったことを感じる。しかし、本文を読むと、発想にはいまも値うちがあることが多いと感じる。

文献

  • 樋口 敬二, 1972: 地球からの発想 (新潮選書)。新潮社。(のち朝日文庫にも収録)。
  • 駒林 誠, 1967: 大気圏と水圏が共存できる条件。自然, 1967年9月号, 24-31. [わたしは読んでいない。]
  • 島津 康男, 1967: 地球の進化。岩波書店。[わたしは読んでいない。]
  • 島津 康男, 1971: 地球の物理 (基礎物理学選書 11)。裳華房。
  • 島津 康男, 1984: 国土学への道。名古屋大学出版会。
  • 高野 健三, 1976: 海の大循環 — うずは何をしているか。海洋出版。[わたしは読んでいない。]
  • Kenzo Takano, 1979: Comments on global models of the oceanic general circulation. Dynamics of Atmospheres and Oceans 3: 339-343. doi:10.1016/0377-0265(79)90017-4 .

折り返しのさきに詳しい目次をつける。
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戸川 隼人 (1976) 数値解析とシミュレーション

  • 戸川 隼人, 1976: 数値解析とシミュレーション (共立全書 211 ΣΤΑΜΠ)。共立出版, 141+iii pp.

1990年代、同僚がこの本を学生に勧めていた。その人は、フィールド地球科学をやっていたが、この本を読んで計算機も使おうと思ったのだそうだ。

わたしはこの本をまだ読んでいなかったが、著者名は知っていた。わたしが店頭で内容を見て選んだ本がこの著者の著書だったことが何度もあった。その多くは、数値計算方法(本書でいう「数値解析の第1の意味」)の実用的教科書だった。「数値計算技法」「微分方程式の数値計算」「マトリクスの数値計算」などの書名を覚えている。とくべき問題に対して、複数の手法を提示し、精度や計算量(計算時間)・必要記憶容量などで手法の長所短所を比較していた。ソースプログラムそのものではないがそれにおきかえやすい形でアルゴリズムを示していた。また、「計算機のための誤差解析の基礎」など、近似のよさを数学的に評価する、本書でいう「数値解析の第2の意味」の本もあった。1990年代当時の新しい著書には、数値計算方法の教科書もあったが、Fortran, Cをはじめとするいろいろなプログラム言語によるプログラミング入門書をいくつも出していた。

1990年代に、この本は店になかったが(注文すれば買えたかどうかは知らない)、図書館で借りて読んだ。たしかにおもしろい本だった。ただし、技法の教科書としては、多くの項目をつめこみすぎで、各項目の記述が短く、理解するのにはほかの本も読まないといけないかもしれない。発想の本としても具体例がおもしろいのは初めのほうだけかもしれない。しかし、力学と電気など物理学的には違うが数学的には同じ問題があるという指摘は有意義だろう。

プログラム例の提示のしかたがうまいと思った。変な入力への対応などの配慮が乏しいのでそのまま実用になるかは疑問だが、最小限に近い行数で、動くプログラムを示していることが多い。著者はかつて個人ウェブサイトで著書の関連情報を提供しており、本書のページ http://nyan11.ciao.jp/B/NA/KZ211/ にはソースプログラムもあったと思う。しかしそのウェブサイトはもうなく、web.archive.org にはそのサイトのページがいくつかあるものの本書のページは見あたらない。

ただし、本書のプログラム例は、Fortranなのだが、言語仕様が 1960年代当時 FORTRAN IV,のちにFortran 66と呼ばれたものだ。わたしは、1990年代の教材としてこれではスタイルが古すぎると思ったので、Fortran 77 に DO … END DOを加えた構文で書きなおしてみた。[このウェブページ]にアクセス制限つきで置いてある。

2000年代になって、物質・エネルギー循環系でもありフィードバックシステムでもあるシステムの例としての、いわゆる「ふろおけモデル」[教材ページ]を説明しようとして、この本の最初の具体例がそれと同じものだったのを思い出した。3.1節のもので、「水時計」とされている。たまった水の質量と水位の関係と、水位と流出速度の関係を、いずれも任意の関数形として問題を定式化したあと、単純に比例する場合に限定してプログラムを提示している。この提示のしかたはうまいと思った。

ここまでわたし個人の本書との出会いを書いてしまったが、ここから本書に即して書いてみる。

あとがきで説明されているが、本書は共立出版から出ていた雑誌「bit」の1974年3月号から1975年2月号まで連載された「数値計算のフィロソフィー」という記事をもとにしている。ただし単行本にまとめなおすときに、プログラム例(日立製作所主催の講習会用に作成したもの)を加えたかわりに、「肩のこらないおもしろい話や「フィロソフィー」は影が薄くなった」そうだ。

本書の趣旨はまえがきにも説明されているが、2.1節「数値解析とは何か」のほうが明確だと思う。「数値解析」ということばは、だいたい次の3つの意味で使われてきた。

  • 1. 計算機のための数値計算法
  • 2. 数値計算に関する数学的理論、数値計算を題材とした解析学
  • 3. (解析的方法に対して)数値的方法、シミュレーション(数値実験)

従来の数値解析の本は第1主題が多いのだが、本書では、第3主題を中心に、第1、第2を加味した。

著者は「計算機は「数学のあとしまつをする機械」ではない。実験の道具として使え!」という主張をもっている。ここでいう「実験」と「シミュレーション」とは同じ意味で使われているようだ。本書では、工学・理学の現場で現われる問題をとりあげ、プログラムを作り、計算機にかけてみる、というスタイルをとった。(読者からみると、第3章はそうなっているが、第4章以後は(おそらく連載記事はそうだったのだろうがプログラム例をふやした結果)「第1主題」の本に近づいてしまったと思う。)

第1章「計算機入門」。1.1節「計算機」では、小石、算木、ソロバン、パスカルの計算器、バベジの自動計算機、リレー(継電器)計算機、そして、電子計算機という歴史をたどる。電子計算機が広く使われるようになったのはアメリカで1955年ごろ、日本で1960年ごろだった。Fortranでプログラムを書いて計算センターにもっていくというスタイルが普及したのはアメリカで1960年ごろ、日本で1965年ごろだ (これを「ごく最近」と言っている。そのころに書かれた講習会教材の文章なのだろう)。1.2節「FORTRAN」ではプログラム言語Fortranが紹介される(文法の要約は巻末の付録3)。1.3節は「アルゴリズム」。

第2章「数値解析とシミュレーション」。2.1節についてはすでに述べた。2.2「シミュレーションとは何か」で具体的に取り上げられているのは地球物理の流体(大気・海洋・陸水)の話題だ。

まず、大西 行雄さん(京都大学 地球物理学教室。もとは数学を学んだ人だそうだ)による、琵琶湖の水温が急激に変わった現象を、湖面が風を受けたことによる「静振」で説明するシミュレーションの話。琵琶湖の断面を格子状に細分し、格子点における水圧、密度、流速などを未知数とする方程式をたて、振動解を仮定して解く。Computation and Analysis [Analysitとあるが誤植だろう] vol. 5 no. 1 (1973)に論文が出ているそうだ。

それから「黒潮のシミュレーション」の話があるが、途中から、「プリンストンのブライアンと真鍋の研究」(海洋大循環のシミュレーション)の話になっている。

そして気象のシミュレーションの話になる。Richardson (1922年)の本について「実用にならなかったが、当時の気象学者に夢と希望を与えた。」と言う。また脚注に

そればかりでなく、当時リチャードソンが考察した計算技法の数々は、今日でも広く使われている。特に、リチャードソンの補外と呼ばれる方法は、微分方程式の数値解の精度改善にきわめて有効である。

とある。それから次のように語っている。

1945年、計算機が誕生すると、気象学者たちは早速、大気の運動方程式の計算を試みた。… 解が非常に不安定で、異常に振動したり発散したりしてしまう。物理学者たちはここで、「単純な考えで構成した近似解法が100%成功するとは限らない」という教訓を得た。一方、数学者たちは、ここに新しい問題の宝庫を見出した。J. フォン・ノイマンをはじめとする数学者たちによって、計算が脱線する原因が解明され、安定性の理論が作られ、安定性が強くしかも効率のよい解法が続々と考案された。こうして、1955年ごろには、大気の運動がまともに計算できるようになったけれど、なんとそれまでに10年間を要しているのである。

大西さんの仕事以外の気象・海洋のシミュレーションについての参考文献は示されておらず、著者がどんな情報源によったかはわからない。

ここまではお話で、ここからが実習教材になる。

第3章「伝導、拡散のシミュレーション」。

3.1節はすでにふれた「水時計」。数値解法の考えかたを、まず次のように述べている。(細かいことだが、「Δt秒」という表現があり、次元のついた物理量と数値との区別があいまいだと思った。)

  • 微小時間 Δt の間の変化に注目する
  • その間の「自分自身への影響」は無視する [このように処理しても、Δtを十分に小さくとるならば十分に精度のよい結果が期待できる]
  • まず「最初の状態」をもとにして、「そのΔt秒後の状態」を計算し、それをもとに「さらにそのΔt秒後の状態」を計算し、以下同様に計算を進める

次に、アルゴリズムの説明がある。【プログラム言語ではないのだが「GO TO i」という表現があり、これは(くりかえし回数の決まったDO文以外のループ構文がなかった) Fortran 66の話者らしい表現だと思った。】

演習3.2(図3.8)は、図3.2を見ると、水槽が2段直列になっていて、上の水槽の下の出口から出た水が下の水槽にはいる構造になっている。これは、水文学での流出過程(雨から川の水になるまで)の「タンクモデル」の基本構造そのものだ。ただ残念ながら、本文に図への参照以外の説明がないので、演習を実際にやってみようと思った読者以外には印象に残らないだろう。

3.2節以後、複数の水槽をつなぐ管があって相互に水が移動するような問題を想定しながら話が進むのだが、現実の水の問題との関連は薄くなっていく。

ひとつは、同じ「水槽」がたくさんならんでいる状況から、連続体の問題(の離散近似)の話になる。熱伝導、電気伝導、溶質の拡散などが同じ形になる。3.3節で1次元の問題、3.5節で2次元の問題を扱っている。

もうひとつは、「水槽」どうしの任意の対の相互作用があったりなかったりする状況で、相互作用はマトリクス[注]で表現される。「水槽」の問題としては現実的でないが、コンデンサと抵抗からなる電気回路の問題としては現実的なものらしい。

  • [注] 本書では「行列」でなく「マトリクス」という用語を使っている。(「行列」は「待ち行列」を思わせるから避けたのだろうか?) ただし「行列式」は出てくることがある。

3.6節「不安定現象とその対策」は、伝導・拡散型の問題について、Δtをじゅうぶん小さくとらないと、単に精度が悪いだけでなく、数値的不安定を起こす(振動の振幅が無限に増大してゆく)という話。Δtをどのようにとれば安定かという理論的解析の紹介と、台形公式を使う方法の紹介。(ここで連立方程式をとくことから、消去法と反復法、反復法のうち「ガウス・ザイデル法」と「SOR法」ということばが出てくるが、その実質的説明は第4章にある。)

第4章「平衡状態の計算法」。時間変化のあるシステムのシミュレーションでも、定常状態が知りたいことがある。この章は現象のシミュレーションの例は最初だけで、しかもあまり現実みがない。ほとんど計算技術の話。連立1次方程式をとく。それを利用して、偏微分方程式(ポアソン方程式)の境界値問題を差分法でとく。

【わたしが勉強した1970年代後半から1980年代前半は、連立方程式のときかたは、教科書にはどちらかというと反復(逐次近似)法が重視されていたが、大型計算機を使う人のあいだでは直接法である消去法が勧められていた。メモリー容量が従来よりも大きくなったことによる時代の変わりめだったのだろう。同時期にもパソコンでやろうとすると反復法が必要なこともあった。】

第5章「振動の問題」。振動の例は、(重力のもとでの)管の中の流体、バネ、コイルとコンデンサのある電気回路など。

まず、単振動になる問題。時間に関する2階微分(位置に対して加速度)を含む微分方程式になる。

次に、多自由度の問題。例としては複数の質点がバネで連結されているもの。マトリクス表現する。

それから、連続体にもっていく。振動が空間的に伝わる波動の問題。まず時間発展をすなおにシミュレーションする。プログラム例では、文字を打つプリンタでできる範囲でがんばったグラフ表現もしている。

サイン・コサイン(あるいは複素数の指数関数)型の解を想定すると、固有値問題になる。固有値を得る計算は専門家が書いた「ライブラリー・サブルーチン」(これは本書が出たころの計算機センターで通じた表現)に頼ればよいが、説明しやすい方法として、反復法のひとつのヤコビ法を紹介している。

(固有値問題の話題の途中にはさまれて、それとの関連が明示されていないが) 高次代数方程式の解きかたの話もあり、ベアストウ法が紹介されている。

第6章。章の題名は「有限要素法」だが、6.1節「近似式の作りかた」は有限要素法に関心のない人にも有意義だ。正確に計算できない関数の近似値を得るにはどうするか。テイラー展開を適当な次数で打ち切って使う方法もあるが、展開の中心付近と離れたところで精度がちがうという難点がある。精度がほぼ一定の近似式をつくることを考えたほうがよい。近似式を、基底関数の重みつき合計で表現し、重みの値を決定する、という問題にする。決定の基準には次のものがある。

  • いくつかの点で合わせる (選点法)
  • 残差の2乗和を最小にする (最小2乗法)
  • 重みつき残差が最小になるようにする

区分多項式も出てくるが、「スプライン関数」ということばは出てこない。同じ著者の別の本では出てきたという記憶があるのだが、使うならば本来のsplineとは意味がずれていることも言うべきで、長くなるので避けたのかもしれない。

6.2節から、偏微分方程式の近似解法の話になる。(わたしは有限要素法を使わないので、ここはしっかり読んでいないのだが) やはり、選点法、最小2乗法があり、重みつき残差の積分が0になるようにする方法が「ガレルキン法」、「エネルギー原理」がなりたつ問題で「全ポテンシャルエネルギー」を最小にする方法が「レイレイ・リッツ法」と呼ばれている。ただし、実際の問題で、レイレイ・リッツ法で式をたてると、ガレルキン法と同様になるそうだ。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
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