Sarah Dry (2019) Waters of the World: The story of the scientists … our seas, glaciers, and atmosphere …

  • Sarah Dry, 2019: Waters of the World: The story of the scientists who unravelled the misteries of our seas, glaciers, and atmosphere — and made the planet whole. London: Scribe. ISBN 978-1-91161733-4 (hardcover), 978-1-92569382-9 (e-book). University of Chicago Press からも出版されている。

2020年4月29日 (イギリスの時間ではまだ28日)、イギリス科学史学会 (BSHS)が、BSHS Pickstone Prize という、科学史の本に対する賞の候補作品を発表した。4つの候補のうちにこれがあった。前の2019年に出版された一般むけの科学史読みものだ。(こういうきっかけでなかったら、実物か書評にであうまで、題名と著者名だけでは、科学史読みものだと気づかなかっただろう。) 地球科学の歴史の意義を主張したいわたしから見ると残念ながら、本書は受賞作にはならなかった。ただし、BSHSは、学会大会(オンラインになった)のなかで、4つの候補作品の著者をあつめて座談会をやるそうだ。

University of Chicago Press の[本書の著者を紹介するページ]によれば、著者はアメリカ生まれだが、イギリスで科学史を学び、いまもイギリスに住んでいる。これまでの著書には、Isaac Newtonについてのもの、Marie Curieについてのものなどがある。科学史のひとつの主題についてしらべて本を書き、つぎの主題にうつる、という仕事のしかたをしている人らしい。

本書は、気候システム(大気、海洋、雪氷)の科学、そのうちでも3相(氷、水、水蒸気)の水にかかわる科学の発達にかかわった科学者 Tyndall, Charles Piazzi Smyth, Gilbert Walker, Joanne Simpson, Stommel, Dansgaard の列伝だ。これだけで気候システムの科学史になるわけではない。通史にあたるものとあわせて読む必要があるだろう。しかし、気候システムの複雑性を理解するためには、ひとりずつにかなり時間(紙面)をさく必要がある。6人を例として紹介するのは、わりあいうまい方法だろう。Smyth以外の5人の名まえは知っていて、興味はあったがひとりひとりの伝記の本や著作集を読む元気がでなかったわたしにとっては、とてもありがたい本だ。

目次は簡単で、本文を見ても、章のうちの節の見出しはない。Kindle版にもとづいた目次の章の題目のあとに、おもにとりあげられている人物名をつけてしめす。(本を紹介しながら論じる bibliographic essayがおもしろそうだが、わたしはまだよく読んでいない。)
Contents
1. Introduction
2. Hot Ice … John Tyndall (1820-1893)
3. See-through Clouds … Charles Piazzi Smyth (1819-1900)
4. Numbers of the Monsoon … Gilbert Walker (1868-1958)
5. Hot Towers … Joanne Simpson (1923-2010)
6. Fast Water … Henry Stommel (1920-1992)
7. Old Ice … Willi Dansgaard (1922-2011)
8. Conclusion
Acknowledgments
Notes
Bibliographic Essay

各章のうちで、節がわかれていないので、構成がすぐにはわからないのだが、本すじの時点にいたるまでの知識の発展をふりかえるわきすじが、かなり長くはいる。もう知っている人としては、はやく列伝の本すじにもどってほしい、という気分になってしまう。
– Tyndallの章では、氷河時代の認識(Agassiz)、氷期の天文起源説(Croll)、
– Dansgaardの章で、そのつづきのMilankovitchの理論。
– Smythの章、Walkerの章では、Alexander von Humboldtの自然誌、気象予報現業のはじまり。
– Simpsonの章、Stommelの章では、初期の数値天気予報や気候シミュレーション。
– Dansgaardの章で、Earth System Scienceの概念の成立。

しかし、通史にしてはみじかい。わりあい通史的な Weart の『温暖化の発見[読書ノート]や、Edwards の A Vast Machine [読書ノート]とあわせて読むと、話がつながってきておもしろいと思う。A Vast Machineは本書の参考文献に出てくる。Weartは本書の謝辞に原稿を読んでくれた人として出てくる。

著者の科学観をのべているところもあるが、(わたしが歴史的事実をおいかけること中心で読んだせいか)あまりよくわからない。自然誌の数量化・物理学化によって得られたもの、うしなわれたもの。植民地帝国をはじめとする政治的制度のもとでの科学のやくわり、そこで発達した科学の特徴、などが関連しているようだ。わたしにわかったのは、Edwards の本(の、わたしにわかった部分)と共通するところだ。現代の気候システムの科学では、観測と、理論・数理モデルとは、相互に依存しながら発達している。とくに、観測を標準化しておこなう事業や、たくさんの観測をあつめて、モデルと比較できる、あるいはモデルにとりこめる形にする活動が重要だ。

Tyndall は、(氷河の)野外観察と、(気体の放射吸収の)室内実験という、別々の科学的活動を、同じ人がやった。
Smyth の仕事の背景には、天気予報にはたくさんの人の観測をあつめる事業が必要だ、ということがある。そこで、気圧などの自動記録が採用された。Smythがやろうとした。たくさんの個人による水蒸気のリモートセンシングは、いまこそ実現するかもしれない(天気予報事業にとっては補足的なものにすぎないだろうが)。
Walker が仕事をしたときには、世界の地上気象観測をあつめる事業は (帝国によって) すでにはじまっていた。上空の気象観測をあらたにはじめた。
Simpson が飛行機観測をしたのは、気象改変のためよりもむしろ、雲・降水についてのデータをとるためだった。そして衛星でデータをとれるようになった。それを活用できるのにはさらに飛行機観測や地上レーダー観測も必要だった。
Stommelの仕事をふりかえると、海洋の観測があつまるにつれて理論的解釈も進歩していった。理論の弱いところを補強する(parameterを決定する)観測がほしくて StommelはMODEやWOCEの研究観測事業の企画にかかわった。
Dansgaard は、雨水のサンプルをあつめた。そのときには冷戦期の核実験探知に便乗した。氷床コアはチャンピオン的サンプルだった。しかしそれも1地点だけでなく、他の場所の証拠との比較ができたので、現象の空間規模の議論ができたのだ。

Tyndall の名まえは第1章からでてくる。イギリスでは気候変化と人間社会の関連を研究するセンターに Tyndall Centre for Climate Change Research という名まえがついている。Tyndall が、二酸化炭素が赤外線を吸収することを実験室で最初にあきらかにし、そのような性質をもつ気体が気候にとって重要であると論じた人だからだ。その初代所長(2000-2007年)だったMike Hulme (いまはCambridge大学教授)は、本書の謝辞に原稿を読んでくれた人としてでてくる。

Tyndall は、生きていたときは controversial ながら有名だったが、その後わすれられていたのだそうだ。日本では、1930年代に『アルプスの氷河』(原題 The glaciers of the Alps )や『アルプスの旅より』のち改題『アルプス紀行』(原題 Hours of exercise in the Alps ) が岩波文庫から出版されていたし、1960年代ごろにも光の散乱による「チンダル現象」ということばが知られていたから、それなりに知られた名まえだったと思うのだが。

そして第2章にはいる。 アルプスの氷河は、1830年代に、あたらしい観光の対象であり、学術の対象でもあった。1840年代に、Agassizなどによって、過去に「氷河時代」があったことが認識された。1850年代には、Crollが氷期サイクルの天文学的理論を提唱している。その中で、 Tyndall は、いま存在する氷河を研究し、1857年に研究発表をしている。1860年に、紀行文と科学解説の両方をふくんだ The glaciers of the Alps の本を出した。

1859年、Tyndallは、Royal Institutionの地下室で気体による熱(赤外線)の吸収の実験をした。2か月間は明確な結果が出なかった。「蒸気」や石炭ガスやエーテルなどが「熱」を吸収することに気づいて、1859年5月に学会に報告した。夏はアルプスにでかけて、1860年9月に実験を再開し、11月に水蒸気の重要性に気づいた。ドイツの Magnus の議論にこたえて追加実験をした。

Tyndallは1893年になくなったが、その原因は医者から処方された睡眠薬の量を妻がまちがえたことだったらしい。妻は後悔し、夫の伝記を書きつづけたが、それが出版されたのは妻もなくなってからだいぶたった1945年だった。Tyndallがわすれられたのは、直接の弟子がいなかったせいもある。

第3章 Smyth
わたしはこの人の名まえをこれまで知らなかった。科学史上の人物として重要ではないだろうと思う。しかし、19世紀、まだ未分化であった天文学と地球物理の野外観測がさかんになった流れは重要なのだと思う。

Smyth の父はスコットランド人の海軍士官でイタリアに赴任しており、Smyth は父のともだちでイタリア人の天文学者のPiazziの名まえももらっている。1835年に16歳でイギリス領だった南アフリカの Cape へ行き、そこの Royal Astronomer (天文台長)の助手をつとめながら天文観測の知識と技術を身につけた。27歳でスコットランドの Royal Astronomer になった。しかし、UKの資源はイングランドに集中されていて、スコットランド王立天文台であっても資源は貧弱だった。Smyth の経歴を、著者は、「帝国の周辺(periphery)の人」と形容しているところがある。1856年、36歳で、(スペイン領カナリア諸島の) Tenerife 島に行った。気象条件によるじゃまのすくないところで天体観測をしたかった。機器は UKの国立の天文台、気象庁 (Met. Office)、水路部から借りた。

当時、社会から精度をもとめられた天体観測は、地図づくりのための、星の位置だった。当時の観測は、観測者個人の応答時間が不確かさの主要な原因だった。1830年代には、学者のあいだで星の位置だけでなく星自体への関心がたかまった。また、地磁気への関心もたかまった[ここで Alexander von Humboldt のはなしになる]。

Tenerife の山には雲の層がある。Smythは望遠鏡を、標高3千メートルあまりの山頂に設置した。おもに観測したのは、太陽光のスペクトルだった。スペクトルには元素や分子による吸収線がみられるが、それは太陽に由来するものか、光がとおってくる地球の大気に由来するものかの区別がむずかしかった。昼と朝夕とで太陽光がとおる大気の厚みがちがうことを利用して、両者をわけて認識することができた。(1860年にBrewsterとGladstoneが発表した研究の根拠はSmythによる観測だった。)

Smythは、ピラミッドの測定もした。ただし、イギリスのインチがNoah以来のものだというJohn Taylorの説に賛同しそれをうらづけようとした。のちの目でみると科学的でない。Royal SocietyのFellow にえらばれたのだが辞退してしまった。その理由はこの件での対立かもしれない。その後の Smyth の研究活動は学界から孤立したものになった。

イギリスでは1859年に天気予報が実験的にはじめられたが、まだあやしい存在だった。初代の気象庁長官にあたる職にあったFitzRoyは、1865年に自殺してしまった。Royal Societyは、FitzRoyの主観的なやりかたを批判し、また損害賠償をおそれ、気象庁に警報をだすのをやめさせた。10年後、漁民や海員は予報をもとめた。1875年4月から Times がweather mapをだした。

分光技術は発達していた。パリのJanssenがスイスで太陽やたき火のスペクトルを観測し、また室内実験もして、水蒸気がスペクトルをどのように変えるかを論じていた。Smythも日常にスペクトルを観測していた。そして、雨と相関があるシグナルが見える、それは水蒸気だろうと論じた。そして1875年、Natureに「分光観測によって雨を予測できる」という論文(論じる文)を出した。(「水蒸気」にはふれなかった。原因ではなくて道具を主張したかった。) それに対して気象学会誌に、「分光観測は熟練を必要とする」(したがって実用的でない)という論評が出た。

そのころイギリス気象庁は、自動機器による気象観測にむかった。写真技術やインクペンをつかった「自記計」(これは20世紀日本での表現)がつかわれはじめていた。その目的はすぐに予報でなく法則性を知ることだった。天文のような予測精度をだせるか、それにはどれだけの観測が必要か、まだわからなかった。

大気は3次元であり、地上観測だけではわからないこともある。気球(1850年代から有人飛行で関心をもたれた)による観測のこころみと、雲の観察(Howardの分類はすでにあった)がすすめられた。写真の露光時間はじゅうぶんみじかくなっていた。Smyth は雲の写真をとることに熱心になった。時代は、雲や天気の変化の因果関係を説明することにむかっていたが、Smyth はそちらに行かず、観察自体を目的とするようになっていた。

第4章 Walker
イギリス領だったインドの気象庁(Meteorological Department)の長官を1903年から1924年までつとめた。それまではCambridgeのTrinity Collegeで数学を研究していた。気象の知識はなかった。気象庁は「暑い季節の首都」Simlaにあった。帝国統治のため、天気のmanagementが必要とされていた。気象庁の自記計、海軍や商船の観測などで、気象データはたまってきていた。

気候学は、Alexander von Humboldtが概念をつくり、HannとKöppen が体系的にした。まず平均値が重要だった。しかし、気候(平均値)は安定なのか? 変わりつづけるものなのか? Walkerがインドにきたとき、それは不確かだった。

1896, 1899, 1902年、インドの「モンスーン」の雨はすくなかった。 1901年のLancetの論文によれば、5年間に1900万人(人口の8%、UK人口の半分)が死んだ。この雨の変動は異常ではない年々変動だった。餓死者はイギリス統治になってふえていた。1876-1878年に極大があった。貨幣経済が、農民の互助や穀物備蓄などのsafety netをこわした。Lyttonは、政府が介入せず市場にまかせるのがよいとした。ききんが人口を調節すると考えらえた。穀物価格は高くたもたれた。穀物は、ききんの現場へではなく、高く売れるところにはこばれた。

天候の予報は、1880年代からこころみられたが、1901-1902年に失敗し、とりやめられた。

モンスーン変動の原因は太陽とも考えられたが、太陽黒点変動とモンスーン変動との関連はみつからなかった。

Walkerは、世界を見ようとする人だった。太陽や宇宙との関連を見たがる人ではなかった。周期性を追求したがる人でもなかった。道具として数をつかう人だった。

まずデータをあつめた。すでに観測網はあった。1907年、イギリス領インドでは、降水量は2677地点、気温、気圧、風速が数十地点で観測されていた。船による観測の報告をカルカッタとボンベイであつめた。上空の観測 (気球や たこ による) もはじめた。前任者のBlanfordが指摘していたヒマラヤの雪の写真もとった。毎週電報で、モーリシャス、ザンジバル、セイシェル、アフリカ、オーストラリア、南アメリカと通信した。

Wallkerは、(Karl Pearsonが考案した)相関係数の信頼度を評価する技法を開発した。そして、有意と判断された相関を「world weather」として発表した。そのうち主要なものは次の3つだった。いずれも太陽黒点とは有意な相関がない。
1. 太平洋とインド洋 … Southern Oscillation
2. アイスランド、アゾレス … North Atlantic Oscillation
3. 北太平洋 … North Pacific Oscillation
モンスーンの予報を出すことをせまられたので、相関にもとづくものを(保留つきで)だした。ひどいききんはなくてすんだ。かならずしも予報の成功ではなかった。天候にめぐまれたのと、いくらかの植民地政策の変更による。

Walkerは気候についての統計的方法による研究をつづけた。モンスーンの年々変動の予報への期待があったことはたしかだが、それができることには消極的になった。Southern Oscillation (SO)という構造をしめしたが、そのメカニズム解明はあまりできなかった。SOの現状を知りつたえることがだいじだといった(1941年)。

(本書の表現は「モンスーンの原因」のようになっているところがあるが、あきらかに、モンスーンの「変動の」メカニズムの話だ。本書の議論は、それは Jakob Bjerknes が 1969年にENSOの概念をしめしたことによって解明された、という感じになっているが、それも単純化しすぎと思う。)

第5章 Simpson
1923年に生まれたときは Joanne Gerould という名まえで、Victor Starr (1944年)、Willem Malkus (1948年)、Robert Simpson (1965年) と結婚するごとに family name を変え、Starr とのあいだに1人、Malkus とのあいだに2人の子どもを生み(離婚後も自分のがわにひきとって)育てながら、熱帯気象学の発達にとっても重要な業績をあげた人だ。(研究業績をのべるときに家庭の事情にふれるべきではないと思いながらも、このような経歴のばあいは名まえがちがっても同一人物であることに注意が必要なので、気にかかってしまう。)

Chicago大学でRossbyにあい、気象を専門にきめた。そして、Riehl のもとで熱帯気象を研究した。1948年に、貿易風地帯の擾乱のあるばあいとない場合の気象についての論文で博士号をとった。さらにRiehlとの研究をつづけて1958年に出した熱帯大気のエネルギー収支に関する論文は、いまでも意義がある。

  • H. Riehl & J. S. Malkus, 1958: On the heat balance in the equatorial trough zone. Geophysica, 6: 503–538.

Joanne が結婚したあいては、そのときごとの学問的関心を共有できる人でもあった。(Starrは大気大循環、Malkusは対流の流体力学、Simpson は雨をもたらす雲と飛行機によるその観測。)

1964年に Joanne Malkus (当時の名まえ)は UCLAの教職をはなれて、気象庁 (Weather Bureau) の研究職にうつっている。(ここのところの本文がよくわからなかったのだが、夫婦を同じ職場でやとわないというルールがあったので、さきに転職してから Robert Simpsonと結婚するという順序にした、ということなのだと思う。) そこでの仕事は Stormfury という研究プロジェクトで、「雲のたねまき」(氷晶核となりうる物質をまく)の技術によって熱帯低気圧(ハリケーン)を制御しようとするものだった。1967年、Weather BureauをやめてMiami大学に移ったが、雲のたねまきの実験はつづけた。Joanne Simpson は気象制御に積極的ではなかったようだが、飛行機観測をふくむ実験には雲に関するデータをあつめる手段として期待していた。

NASAと日本の宇宙開発事業団(のちJAXA)によって、人工衛星で熱帯の雨をはかるプロジェクト「TRMM」がはじまった、Simpsonは1986年にTRMMのscience teamのリーダーになった。TRMMの成果として、熱帯の積雲のなかでの水の凝結による潜熱解放量の分布がある。それは Riehl & Malkus の論をうらづけるものにもなっていた。TRMMについては、寺門 和夫 (2015) 宇宙から見た雨 — 熱帯降雨観測衛星TRMM物語[読書メモ]で、わたしの知っていることもあわせて紹介した。

Simpsonは、遺言で、文書を Harvard大学のSchlesinger Libraryに提供したそうだ。毀誉褒貶があったので、実際はどうだったのかをつたえたくて、ごく個人的なものも、のこっているかぎりはのこした。それを使えるのは倫理的配慮のできる歴史家にかぎられるのかもしれないが、そういう人によって紹介されることを期待したいと思う。

第6章 Stommel
本書の謝辞によれば、本書にいたるしごとのはじまりは、著者が Stommelの著作を読み、2017年にWoods Hole 海洋研究所(WHOI)を訪問したことだそうだ。

Stommelは、学士をとったあと、(徴兵忌避の動機もあったようだが)戦時の軍の訓練のための数学教師をした経歴があった。そのおかげか、博士号をとるまえに、WHOI の研究職についた。そこで Rossbyにあい、半年シカゴに行った。そして、海流について、とくにそれが海の西側で強いことについて、海流が風によっておこされることを前提に、Rossby流の単純化をして考えた。それは1948年に5ページの論文となり、広く知られた。
1948年、イギリスに行き、晩年のRichardsonにあった。平和主義が共通だった。海洋と大気の類似性についていっしょにかんがえた。湖の流速をはかるのに parsnip という野菜をつかって実験した。(Stommelは、理論も観測も、単純なものがよいという感覚の人なのだ。) Richardson が 1920年にのべた「渦(eddies)が散逸とは逆にはたらく」という理論をうらづけるものだった。これも1948年に、Richardson & Stommel の共著で、Journal of Meteorologyに出た。

海洋の探検的観測はあったが、データはとぼしかった。Stommelは Gulf Stream (湾流)をその一部とする、海洋の大循環を考えた。

さらに、観測研究とつきあいながら、海洋の大循環のなかではどんな渦(eddy)が存在するかを考えた。そして、MODEという実験観測を企画した。それはソ連と共同のPOLYMODEになった。1973年から1978年のあいだに、9つの野外実験観測を主導した。実験観測プロジェクトにはたいてい頭文字略語の名まえがつく。そのようなもののあつまりを “alphabet soup” と揶揄している。(そのうちに「GARP」がふくまれているが、GARP全体はそこにふくめるのには大きすぎると思う。GARPの一部だった GATE (GARP Atlantic Tropical Experiment)のうち海洋の部分を Stommel が主導した、ということならばわかる。)

そして1985年からは、World Ocean Circulation Experiment (WOCE)を企画した。(WOCEは 1990-2002年に実施され、その記録は https://www.nodc.noaa.gov/woce/ などにある。)

第7章 Dansgaard
Dansgaardはデンマークの人だ。グリーンランドはデンマーク領だから、国の事業としてグリーンランドの調査があり、Dansgaardはそれに参加した。そのあと大学に就職したが、その職務は、質量分析計でOやNの安定同位体をはかることで、その目的は医学や生物学の研究だった。ただし自分のはかりたいものをはかれる余裕はあった。

そこでDansgaardは1952年に、(Copenhagenで)雨水のサンプルをとり、酸素の安定同位体の分析をした。水の蒸発・凝結による酸素の同位体分別がおきており、それは温度と関係があることがわかった。空軍の飛行機で雲水も採集した。商船会社の協力で世界の雨のサンプルをあつめた。熱帯では温度との関係がとぼしいことがわかった。1954年に、中高緯度での雨の酸素同位体比と気温の関係の論文を出した。

同位体分別は、過去にも同様だったのか? [ここで、本書の話題は氷期サイクルの話にうつる。Milankovitchに重点がある。]

核実験による放射性核種の異常がみられていた。IAEAとWMOの協力で、核実験によるトリチウムをおいかけるため、世界の降水のサンプルを標準化してとる仕事がはじまっていた。Dansgaardはそれに便乗した。グリーンランドには、Camp Century というアメリカ陸軍基地があった、Thule空軍基地から100マイルのところで、雪氷の上での軍のoperationをためすことが目的だった。

1964年に、Dansgaard は、Camp Centuryでソ連の核実験よりもまえの雪のサンプルをとった。このとき軍は氷の掘削(drilling)もしていたのだが、Dansgaard はそのときは知らされず、1966年に軍が基盤まで1390mほりぬいたあと、そのサンプルをもらって分析することになった。10万年間にわたる1600個のサンプルを分析した。そして、1969年に、過去10万年間の気候変化に関する論文を出した。

南極のByrd基地でも掘削をした。変動のうちには全球規模のものがあることがわかった。

1987年、ヨーロッパとアメリカの両方で、グリーンランドの中央で氷を掘削する提案が出た。けっきょく、GRIP と GISP2 として、両者並列にやることになった。相互検証の意義があると考えられたからだ。掘削は1989年にはじめられた。ほしかった、ひとつまえの間氷期の氷はえられなかった。しかし、Camp Centuryなどの氷の研究で知られていた、千年ぐらいごとにおこる、十年ぐらいのあいだの気候の急変は、両地点で同時性があり、たしかに気候の変動であることがわかった。Brockerが Dansgarrd-Oescheger eventsと呼んだ。(Oeschegerはスイスのベルン大学の科学者で、氷床コアサンプルの大気成分を分析したことで知られる。本書には、別の文献で出てきた、Oeschgerが湖の堆積物にみられる D-O eventsに相当するものをしめした話は見あたらなかった。)

本書の論調は、「地球システム」の概念の形成にとって D-O 振動の認識が重要だった、ということになっている。わたしは、むしろ、それにさきだつ1970年代の氷期サイクルの認識のほうが重要だったと思う。D-O振動が、氷期サイクルにもとづいて形成された概念では説明しがたい速い変動だったので、地球システムの概念の再構築が必要になった、とはいえるかもしれない。

第8章
著者はつぎのようにまとめている。ひとまず原文のまま引用しておく。なお、GFDはgeophysical Fluid dynamics (地球流体力学)である。本文にはつぎの引用部分のまえに、WHOIで毎年ひらかれているGFDセミナーの話がある。

The interplay between people “doing” observing, people “doing” theory, and people “doing” modeling has been a central theme to this book.

While it is tempting to assert an increasing mathematization of the earth sciences —along the lines of GFD— it seems more accurate to say instead that the need for iteration between theory, observation, and modeling has intensified, and the cycle has sped up. Theorists need data, as much if not more of it than they ever did. And those who generate data —through observations or through modeling— need theory with which to shape their research focus and even, as Paul Edwards has convincingly explained, to see their data at all.

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