田中 博 (2017) 地球大気の科学

  • 田中 博, 2017: 地球大気の科学 (現代地球科学入門シリーズ 3)。共立出版, 305 pp. ISBN 978-4-320-04711-2.

2017年6月の新刊。地球科学の大学学部上級くらいの教科書のシリーズ。同じシリーズの第5巻として、中澤 高清ほか(2015) 『地球環境システム — 温室効果気体と地球温暖化[読書メモ]が出ている。(なお、第5巻の近刊予告では第3巻の著者は別の人が予定されていたのだが変更になった。シリーズと別に田中さんが教科書を書く構想を持っていて、組みこまれたのだろう。) 大気の成分に関しては第5巻で扱ったからだと思うが、本書は、大気の物理、言いかえれば気象学にしぼった教科書になっている。気象学のうちでも気象力学(dynamic meteorology)あるいは大気力学(atmospheric dynamics)と呼ばれる分野に、そのうちでも、対流圏の、大規模(水平スケールが千km以上)現象、しかも中・高緯度の現象に重点が置かれた教科書だ。序文で、小倉義光(1978)『気象力学通論』を参考にしたとある(序文では「学」の字がぬけ、巻末の文献リストでは痛い誤字があるが)。

第1章から第5章までは導入的部分だと言えるだろう。

第1章は、話題を気象学にしぼる前の「地球大気の科学」の展望を示したかったようで、太陽系の惑星の形成から地球大気の形成、生命の進化と大気中の二酸化炭素・酸素の濃度の変遷、時間スケール億年の気候変化、第四紀の氷期サイクルやそのあいだの急激な変化を概観している。

同じ著者の放送大学テキスト[読書メモ]の場合と同様、著者があまり詳しくない分野をがんばって書いているのはわかるのだが、いくつか残念なところがある。図1.3の「二酸化炭素と酸素の濃度変化」の出典が「大学入試センター」となっていて、読者が根拠にさかのぼることがむずかしい。図1.4の「過去5.42億年の気温変化」はVeizerほかの論文を出典としていて、図に示されたのは酸素同位体比だが、何の酸素同位体比かも、温度にどう読みかえられるのかも説明不足だ。また、1.4節の本文で、第四紀の氷期の名まえにギュンツ、ミンデル、リス、ヴュルムを「ドイツ表記」としてあげているが、この固有名は、学説史上の意義はあるものの、今の学問では適切でないとされていると思う。(「最終氷期」を「ウィスコンシン氷期」とするアメリカ名ならば今も使われているが。)

また、第四紀のうちのYounger Dryas事件の説明で「海洋大循環が停止した」という説をそういう表現で紹介して、単純に「本シリーズ第4巻『海洋の物理学』参照」としたのはまずかった。第4巻『海洋の物理学[読書メモ]で「海洋大循環」はもっと広い対象をさしている。第4巻の深層循環のところで「ブロッカーのコンベアーベルト」と呼ばれているものが止まったという説だとすれば話はつながるのだが、そのような説明がほしかった。また、第4巻の深層循環の話題はメカニズムの話が簡単すぎるので、むしろ別の本を参照したほうがよいと思う(ただしわたしはすぐによい本を紹介できない)。

「近年の数十年から数百年のタイムスケールの気候変動については、このような自然変動と人為起源の地球温暖化を分離する必要がある。(本シリーズ第5巻『地球環境システム』参照。)」とある。ページ数の限られた気象学の教科書で気候の変動・変化の話題をこれだけですませたのはひとつの見識だと思う。しかし第5巻は、温室効果気体の動態には詳しいが、地球温暖化の物理やそれによる温度変化については、論じてはいるもののあまり詳しくない。これも別の本を参照したほうがよいと思う (まず思いあたるのは日本気象学会(2014)の『地球温暖化[読書メモ]だが、本書よりはやや専門的だ)。

第2章は「地球大気の鉛直構造」で、対流圏・成層圏などの層構造、大気の組成、気圧の鉛直分布(静水圧のつりあいを前提としているがその概念の説明は第6章で)、気温の鉛直分布(断熱減率を簡単に導入しているがその説明も第6章で)、オゾン層を紹介し、地球と他の惑星の大気の鉛直構造を比較する図をのせている。

第3章では、地球の放射収支について0次元的・鉛直1次元的に論じ、温室効果を説明している。また放射収支の季節変化と南北分布の事実を示している。

第4章では、地球大気に関する観測事実を、ひとまず東西には平均し、南北・鉛直分布の形で、気温、東西風、南北・鉛直循環(子午面循環)、水蒸気量、水収支について見ている。

第5章では雲と降水を扱う。水の相変化の熱力学や湿度の表現についてはわりあい詳しいが、雲物理(雲から雨になるプロセスなど)については概論的だ。

第6章から第10章が、気象力学の基礎概念で、教科書としてしっかり書いてあると思う。第6章では、大気を連続流体とみなし、それが従う、質量保存、運動方程式(運動量保存則)、熱力学第1法則、理想気体の状態方程式などの法則をそれぞれ定式化する。回転座標系とコリオリの力、粘性摩擦やレイノルズ応力、近似的になりたつ静力学(静水圧)のつりあいも説明する。それをまとめた方程式系は第7章で「プリミティブ方程式系」として提示される。それを前提として、地衡風そのほかの概念も紹介される。第8章では流れの場を渦度(あるいはそれを積分した量である「循環」)と発散とに分けてとらえ、中高緯度で有効な近似である「準地衡風方程式系」も紹介している。第9章では、基本方程式系を線形化したものの解として、大気の波動(音波、重力波[gravity wave]、ロスビー波、混合ロスビー重力波、ケルビン波)が出てくる。第10章はエネルギー保存則にもとづく大気のエネルギー収支の話なのだが、重点は運動エネルギーの生成にある。

第11章は、基本方程式をハミルトニアンの形で定式化する話。(わたしは勉強したことがない。) 断熱の場合に限っているようだ。なお、177ページに太字で「凡関数」とあるが、読み進んでふりかえるとこれは「汎関数」の誤植にちがいない。

第12章、前半は数値天気予報モデル・大気大循環モデルの構成。V. BjerknesやRichardsonから最近のNICAMまでの流れをがんばって短くまとめている。ただし「3次元スペクトルモデル」は実用に至らなかった技法でほかの教科書類では見ない話だが、そこで使われる大気の場の3次元ノーマルモード展開は著者自身が取り組んだ方法であり第13章でも話題になる。第12章の後半は(E. N. Lorenzの意味での)カオスとそれを扱う手法。「アンサンブル予報」の話もある。

第13章は「大気大循環」と題しているが、惑星規模の大循環だけでなく、それよりは小さい総観規模の低気圧なども扱っていて、相互の位置づけはわかりにくいような気がする。もっとも、温帯の大循環の主役は温帯低気圧だから、両者がまざるのはしかたないかもしれない。温帯低気圧ができるしくみである傾圧不安定については体系的に論じていると思う。そして傾圧不安定に伴うエネルギー収支(運動エネルギー生成など)については、著者が博士論文でやったノーマルモード展開による方法を紹介している。

熱帯の大循環については、ハドレー循環、ウォーカー循環、モンスーン循環に分けて論じている。対流圏の下端と上端で発散・収束が逆になるような循環を、軸対称(東西全経度一様)の部分をハドレー循環、軸対称でないが年平均場で表現できる部分をウォーカー循環、夏と冬で逆向きになる部分をモンスーン循環と分けたようなのだが、そう分けて見た観測事実が述べられているものの、全体としては力学に重点をおいた教科書なのに、この部分にはあまり力学的な議論がない。熱帯に関心のある読者としてはこの部分はものたりない。(もっとも、わたしがこれよりよいものを書けるとも言えない。)

大循環というよりも総観規模だが、熱帯低気圧(台風を含む)については、かなり重点をおいて扱っていて、その中の積乱雲群の構造の話題もある。

なお、序文で、気象学の目的として、現象の把握、メカニズムの解明、将来予測、気象制御(control)のさらに先に、大気の創造(creation)をあげている。気象制御には、人工降雨のほかに、地球温暖化の抑制なども含まれると言っている。(「地球温暖化の抑制」が、温室効果気体排出削減をさすのか、意図的気候改変をさすのか、これだけではわからない。) 「大気の創造」は、テラフォーミングとも呼ばれる、他の惑星を人が住めるように改造することをさしている。著者は科学・技術が人の望む結果をもたらすことに楽観的であるとともに、それをもたらすために働くべきだという使命感のようなものを持っているのだろう。わたしの知るかぎりの日本の学者にはめずらしい態度だと思うのだが、アメリカ合衆国の学者ならばめずらしくないかとも思う。(著者はアメリカの博士課程で学び大学教職にもついている。)

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

== 目次 ==
現代地球科学入門シリーズ 刊行にあたって /編集委員一同
序文
目次
第1章 地球大気の歴史
– 1.1 太陽系と地球の誕生
– 1.2 地球大気の誕生
– 1.3 生命の誕生と大気の変遷
– 1.4 氷期と間氷期
第2章 地球大気の鉛直構造
– 2.1 大気の層区分
– 2.2 大気の組成
– 2.3 気圧の鉛直変化
– 2.4 気温の鉛直変化
– 2.5 オゾン層
– 2.6 超高層大気のオーロラ
第3章 太陽放射と熱のバランス
– 3.1 太陽放射と地球放射
– 3.2 放射エネルギースペクトル
– 3.3 大気のエネルギー収支
– 3.4 温室効果
– 3.5 放射収支の季節変化と南北変化
第4章 地球大気の南北構造
– 4.1 気圧と等圧面高度
– 4.2 気温の南北分布
– 4.3 東西風の南北分布
– 4.4 鉛直子午面循環
– 4.5 水蒸気量の南北分布
第5章 雲と降水
– 5.1 固体、液体、気体の相変化
– 5.2 湿度
– 5.3 雲の形成
– 5.4 水滴の成長
– 5.5 雲の分類
– 5.6 雲の放射特性
第6章 大気力学・熱力学の基礎
– 6.1 連続流体
– 6.2 状態方程式
– – 6.2.1 気温と気圧
– – 6.2.2 理想気体の状態方程式
– 6.3 実質変化と局所変化
– – 6.3.1 場の量と偏微分
– – 6.3.2 勾配、発散、渦度
– – 6.3.3 ラグランジュ表示とオイラー表示
– 6.4 静力学平衡
– – 6.4.1 静力学平衡の式
– – 6.4.2 気圧と密度の鉛直変化
– – 6.4.3 重力振動
– 6.5 質量保存則
– – 6.5.1 連続の式
– – 6.5.2 バランス方程式
– – 6.5.3 雲微物理過程への応用
– 6.6 運動量保存則
– – 6.6.1 引力と遠心力と重力
– – 6.6.2 気圧傾度力
– – 6.6.3 コリオリ力
– – 6.6.4 慣性振動
– – 6.6.5 回転座標系
– – 6.6.6 応力と粘性摩擦
– – 6.6.7 連続流体の運動方程式
– – 6.6.8 レイノルズ応力
– – 6.6.9 角運動量保存則
– 6.7 熱力学の第一法則
– – 6.7.1 内部エネルギーと顕熱
– – 6.7.2 乾燥断熱減率
– – 6.7.3 温位と大気安定度
– – 6.7.4 湿潤断熱減率と相当温位
第7章 プリミティブ方程式系
– 7.1 大気力学の基礎方程式系
– 7.2 気圧座標系
– 7.3 層厚と平均気温
– 7.4 地衡風と温度風
– 7.5 順圧大気と傾圧大気
– 7.6 傾度風
– 7.7 摩擦力と地上風
第8章 循環と渦度
– 8.1 循環
– 8.2 循環定理とソレノイド
– 8.3 傾圧性と渦の発達
– 8.4 渦度方程式と発散方程式
– 8.5 流線関数と速度ポテンシャル
– 8.6 準地衡風方程式
第9章 大気中の波動
– 9.1 波動方程式
– 9.2 線形化
– 9.3 音波
– 9.4 重力波
– 9.5 ロスビー波
– 9.6 浅水方程式の波動解
– 9.7 浅水方程式系のノーマルモード
– 9.8 ケルビン波と混合ロスビー重力波
第10章 大気中のエネルギー
– 10.1 エネルギー保存則
– 10.2 大気大循環のエネルギー
– 10.3 力学的エネルギー保存則
– 10.4 有効位置エネルギー
第11章 連続流体のハミルトニアンシステム
– 11.1 渦位保存則
– 11.2 ハミルトニアンシステム
– 11.3 2次元オイラー流
– 11.4 浅水方程式系
– 11.5 基礎方程式系
第12章 数値予報の原理
– 12.1 天気予報の黎明期
– 12.2 力学系
– 12.3 緯度経度格子モデル
– 12.4 2次元スペクトルモデル
– 12.5 3次元スペクトルモデル
– 12.6 大気大循環モデルの変遷
– 12.7 カオスシステム
– 12.8 局所的リアプノフ安定性
– 12.9 カオス実験
– 12.10 アンサンブル予報
第13章 大気大循環
– 13.1 ハドレー循環
– 13.2 温帯低気圧
– 13.3 フェレル循環
– 13.4 極循環
– 13.5 ウォーカー循環とモンスーン循環
– 13.6 ブリューワー・ドブソン循環
– 13.7 ロスビー循環
– 13.8 大気大循環のエネルギーサイクル
– 13.9 傾圧不安定波
– 13.10 傾圧不安定波のライフサイクル
– 13.11 傾圧不安定波のエネルギー流
– 13.12 ブロッキング高気圧
– 13.13 熱帯低気圧
– 13.14 北極低気圧
参考文献
索引
欧文索引

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