杉本 大一郎 (2003, 2009) 使える数理リテラシー

  • 杉本 大一郎, 2003: 使える数理リテラシー (放送大学教材 1271571-1-0311)。放送大学教育振興会 (発売: 日本放送出版協会), 215 pp. ISBN 4-595-23674-3.
  • 杉本 大一郎, 2009: 使える数理リテラシー。勁草書房, 179 pp. ISBN 978-4-326-60223-0.

物理や経済学などの知識を使えるようにしようと思うと、それが使っている数学(「数理」と言ったほうがよいかもしれない)のことばをも使えるようになる必要がある。数学の教科書や入門読みものはたくさんあるが、そのほとんどは数学を専門とする人(または数学教育を専門とする人)が書いている。数学者の数学は、抽象度が高く、そのおかげで多くの対象に適用できるのだが、それを説明した本を読んでも、具体的な対象への適用のしかたは身につかない。数学のことばを使う側の人による手引きがほしい。本書は、そういう意識で書かれた、まだ少ない本のひとつだ。

ここで扱われる数学は、微分積分など、連続量(数学の数の分類で言えば実数値や複素数値をとる数量)を扱うものだ。

著者は、物理を学び、それを適用して天体の物理を研究し、ながらく東京大学教養学部で大学初級の学生むけの地学(宇宙地球科学)の宇宙の部の授業を担当した。(わたしはその授業を受けた。その後ながく印象に残っていたことを[別の本の読書ノート]に書きこんでしまった。) その最後のころには天体力学の多体問題に特化した計算機の開発に取り組んだ。1997年からは放送大学教授として、宇宙科学に関する科目にくわえて、科学全体への入門的科目も担当した。そのひとつとして「使える数理リテラシー」という科目が企画され6年間ラジオで放送された。本書の初版はその講義のテキストだ。(わたしは、その科目の意義を感じてテキストを買ったものの、これまでしっかり読んでいなかった。) 開講が終わるとともに放送テキストとしての出版も終わったが、別の出版社から同じ題名の新版が出た。内容の入れかえがある。ここではまず新版にそって紹介し、あとで初版にだけある項目にふれる。

本書は、高校レベルの数学はだいたいわかるが、それと物理や経済や日常生活とのつながりが感じられない人にとって、そのつながりがわかるきっかけを与えてくれる本だと思う。数学が苦手な人には、残念ながら、本書は近づきがたいだろうと思う。

ここから、(まだていねいに読んでいないのだが) ひととおり読んで主要と思われた論点を紹介してみる。

第1-2章。本書でおもに扱うのは「量」だ。量どうしの演算(たとえば、たしざん)は、それぞれの量の性質(属性)によって、できる(意味がある)場合とできない(意味がない)場合がある。量は「次元」をもっている。量どうしのかけざん・わりざんをすれば、次元もかけざん・わりざんされる。物理量の単位は、この次元をふまえて組み立てられている。

第3-5章。
数量を扱う文脈には、たしざん・ひきざんがおもになるものと、かけざん・わりざんがおもになるものがある。本書では、両方とも出てくるが、どちらかといえば後者が重視されている。数量どうしの差よりも比のほうに注目するのだ。しかし、同じ次元だが大きさがけたちがいの量をいっしょに扱うときには、グラフの軸の尺度にはもとの量よりもその対数をとったほうがよい。もとの量のかけざんに対応するのは対数のたしざんで、もとの量の比に対応するのは対数の差だ。
無限大・無限小といった概念は、数学での使われかたと、それを応用する分野での使われ方はいくらかちがっている。例として、物理のうちの熱力学での「準静的」あるいは「実質上無限にゆっくり」とはどういうことか、という話がある。

第6章。数量のあいだの関係を関数であらわす。1次関数、べき関数(xのn乗という形)、指数関数。

第7-9章。微分と積分はどんなところに出てくるか。
微分が出てくる典型として瞬間速度がある。経済でいう「限界効用」は効用を財の個数で微分したものだ。関数を厳密に計算できないとき、微分を使って、関数を「テーラー展開」してそのはじめのほうの項によって近似する。
積分が出てくる典型は面積や体積を部分の和として求める問題だ。振動する現象の記述には、三角関数あるいは複素数の指数関数の微分・積分を使う。
微分・積分を含む計算をして何かを知ろうとする問題設定として、「ものごとを最適化する」「効果をよせあつめる」「局所的なものから全体を解く」「境界条件がものごとを決める」という話題がある。

9.5節(初版にはない)の「フローとストック」は時間とともに変化する物理量(経済量などでもよい)を含むシステムの考えかただ。たまっている水の量が流入と流出によって変化することが典型とされている。定常状態(「動的平衡」ともいう)がありうる。地球温暖化も、定常状態がゆっくりと変わっていく現象として説明されている。

第10章はべき関数と指数関数の話題にもどる。べき関数に関連して、フラクタル次元の話がある(あまり詳しくない)。指数関数は、ある変数の時間微分がその変数自身に比例するようなフィードバックがあるときに出現する。ある変数の時間による2回微分がその変数自身に比例するような問題では、指数関数型の増幅・減衰とともに、振動がおこりうる。それは複素数の指数関数でまとめて表現できる。このようなシステムでは、平衡状態が安定か不安定かを論じることができ、そのような考えかたはもっと複雑なシステムを考えるときにも使われる。

第11-14章は統計の基礎知識。このうち第11-13章は初版にはなかった。第14章は初版の第13章をひきついでいる。
第11章は数値データの基本的統計量。数値は実数値をとるが、データは有限個の場合。平均、分散、N次のモーメントなど。
第12章は連続量の分布関数。そして「微分スペクトル」と「積分スペクトル」の考え。これはたとえば、光のエネルギーの波長別の分布を考えるとき、横軸に波長、縦軸に単位波長あたりのエネルギーをとったグラフを考えたとき、そのグラフの曲線に注目するのが微分的とらえかたで、曲線の下の面積に注目するのが積分的とらえかただ。それから、2変量のデータの扱い。散布図、共分散など。
第13章は、データからシステムの性質をさぐること。そのために、システムがしたがっていると思われる規則から確率分布を導き、データがその確率分布にしたがう母集団からのサンプルであると見てよいかを評価する。理論的確率分布としてよく使われるのは、正規分布のほか、指数関数、べき関数がある。対象の全部がひとつの分布関数であらわせるとはかぎらない。(たとえば、乱流の空間規模別エネルギー分布では、渦の規模の大きいところと小さいところで、ちがう式にしたがう。)
第14章は相関について。数量のあいだの相関は、相関係数で表現できる1次相関だけではない。相関係数がほぼ0でも散布図をかけば明確な関係が見えることもある。データが複数のタイプの集団から来るものを含んでいることもある。時間(または空間)の関数でもある変数については、異なる時刻(または位置)の自分自身との相関を考えることができる(これを自己相関という)。これは現象やそれをおこす原因の時空間規模を知る手がかりになる。

むすびの第15章(ラジオ講座の最終回)は数学基礎論の 隈部 正博 教授との対談で、著者のいう数理リテラシーと、数学者のいう数学との関係などを論じている。

初版の第11章は「重ねあわせのできるものとできないもの」。「線形と非線形」とほぼ同じことだ。重ね合わせられるものの例としては、三角関数(sin, cos)で表現された波の重ね合わせをあげている。

初版の第12章は「ものごとを見るアスペクト」。おもに座標の回転の話。まず2次元の場合について、座標の回転を2×2行列であらわしている。そして、楕円(「長円」としている)の長軸に座標軸をあわせる変換。それから、一般の多次元に話をひろげている。

初版の第14章は「原因と結果の葛藤」。相互作用のあるシステムをどう扱うか。
たとえば太陽・木星・地球の三体問題は、因果関係を同時に考慮して式をたてると解けない。地球の運動に対する木星の引力は太陽の引力のε倍だとすれば、εは小さいので、太陽と地球の二体問題で決まる軌道から始めて、εの1次、2次と近似を高めていく「摂動論」が使われる。
相互作用が強くて摂動論が不適切な場合について一般的に有効な方法はない。熱力学的に非平衡な状態が定常的に持続しているシステムでは、エントロピーを考えることによって見通しがよくなる。社会のようなシステムを考える際には、システムの全体としてのふるまいは必ずしも部分のふるまいの総和ではないことが重要である。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading

フライシュ[Fleisch]、クレゲナウ[Kregenow] (2013/河辺 哲次 訳, 2014) 算数でわかる天文学

  • Daniel Fleisch & Julia Kregenow, 2013: A Student’s Guide to the Mathematics of Astronomy. Cambridge University Press.
  • [日本語版] ダニエル・フライシュ、ジュリア・クレゲナウ 著, 河辺 哲次 訳, 2014: 算数でわかる天文学。岩波書店, 254 pp. ISBN 978-4-00-005414-0.

日本語版は2014年に出た本。わたしは、2018年4月に、(もとの「岩波ブックセンター」のあとに) あらたに開店した、岩波書店の本をならべている「神保町ブックセンター」で見つけた。

天文学の話題に、数量を実際に計算してみることによって慣れようという、教科書的な本だ。とくに、計算の課題を、四則演算(たしざん、ひきざん、かけざん、わりざん)で計算できるものにしぼっているのが特徴で、日本語題名はそれを「算数」と表現した。理屈をしめす式では変数を文字であらわしていて、四則演算よりも複雑な数学(平方根、指数関数、対数など)がはいってくることはある。できあがった式に数値を入れるところが算数でできるようにしてあるのだ。(ただし、対数の計算をさせているところはあるかもしれない。1970年代ならば対数表をくばるところだろうが、いまでは電卓か「スマホ」の電卓機能を使えばよいだろう。)

天文にかぎらず数量の操作に慣れるための教材として、とてもよい本だと思うのだが、用語がうまくないと思うところがある。以下、おもにわたしの理解した要点の紹介だが、用語についての不満をはさんでいる。

第1章「単位がわかる」。
そのうち1.1節ではまさに物理量の単位の換算(本書の表現では「変換」)を扱っている。
本書の特徴は、単位換算の係数(「変換ファクター」)を、両方の単位を明示した分数で式に入れることを勧めていることだ。たとえば「1時間/60分」などを(斜線でなく)横線の分数で式に入れるのだ。そうすると、分母・分子に同じ単位があれば「約分」のような形で消えて、どの単位が残るかが明確になる。これは単位の扱いに慣れていない人の初歩の経験には勧められそうだが、慣れた人にはめんどうに感じられるだろう。
ベキ乗(平方、立方)による単位(「指数をもつ単位」という表現はわかりにくいが)の換算の注意もある。
物理量の次元の概念は、SIの複合単位の話などで、実質的には使われている。しかし「次元」ということばは、長さと面積のちがいの文脈で出てくるだけなので、物理量の次元という意味と空間の次元という意味が分離されていない。(しかも「線形な次元」ということばが出てくる。linear dimensionの直訳にちがいないが、線形代数での線形とはちがう意味であり、日本語表現としてうまくないと思う。「長さの次元」か「長さという次元」としてほしかった。)

1.2 節は「絶対法と比率法」とされている。これは、数量を扱う計算をするときの態度を分類したものだ。ここでいう「絶対法」は、物理量の次元をもった量を単位つきで扱う態度、「比率法」は、同じ次元をもった物理量どうしの比較 (多くの場合は比) を扱う態度だ。どちらをおもに使うにしても、他方をも知っておく必要がある。(高校生のとき、わたしはここでいう「絶対法」で考えるくせがあって、他の生徒が「比率法」で考えているのを知って、そのときの問題についてはそのほうが考えやすいので、感心した。)

1.3節は「比率の問題」とされている。この題目はわかりにくい。ここでの「比率」は、英語の rate で、何かの量の単位時間あたりの流れや変化量をさすのだ ([別ブログ2014-11-01の記事]参照)。Harte (1988)の本の日本語版(『環境問題の数理科学入門』, 2010年)[読書ノート]では、英語のrateを一貫して「率」としたが、日本語の慣用の科学用語とずれてしまった。しかし、用語の選択はともかく、単位時間あたりの量と、それを時間について累積した量との関係を理解することは重要だ。

1.4節は「科学的表記」とされている。この表現も英語からの直訳で日本語ではなじみがないが「なになにかける10のなん乗」という形の表現のことだ。「有効数字」のことも指摘されている。なお、計算問題に答えるときの有効数字のとりかたについて、一般的な指針はないのだが、著者自身が出す演習問題を想定した場合は、計算の過程では6-8けたの数値を使い、結果を書くとき2けたにまるめることを勧めている。

第2章は「重力がわかる」。万有引力の法則の式に数量を入れて計算する。運動方程式に数量を入れて計算する。ケプラーの法則に出てくる楕円軌道の数値による表現を理解する。ニュートンの理論によって裏づけられたケプラーの法則に数量を入れて計算する。

第3章は「光がわかる」。光を含む電磁波のスペクトルの概念を理解する。音などとも共通な波の概念として、周波数、波長、振幅、電磁波特有のこととして、光子のエネルギーと周波数の関係がある。それから黒体放射の話になり、ウィーンの法則、ステファン(・ボルツマン)の法則が示され、それに数量を入れて計算する。(「放射」と「輻射」は同意語とされながら両方とも使われている。) 次にドップラーシフトの話。視線速度と周波数のずれの関係。周回(公転)している天体の視線速度はどうなるか。視線速度から周回運動をどのように推定するか。

第4章は「天体観測がわかる」。視差とは、基準線の両側から対象物を見た角度のずれだ。基準線の長さと視差から対象物までの距離を知る。また、視直径(角度)、実際の直径(長さ)、対象物までの距離はどんな関係にあるか。ここまでは、幾何学の応用で、三角測量と同様だ。それから、望遠鏡の分解能の話に移る。ここは波としての光の干渉がからむ、わたしにとってはむずかしい話だ。

第5章は「星がわかる」。年周視差 (地球の公転軌道の直径を基準線とした視差の半分) と星までの距離の関係。星の光度と見かけの明るさ、見かけの等級、絶対等級(標準の距離で見たとしたときの等級)。そして、横軸に表面温度(の対数)、縦軸に光度(の対数)をとった「HR図」。恒星の質量などいろいろな物理量を、太陽のなん倍という「比率法」と、物理量の単位をもたせた「絶対法」の両方でとらえる。

第6章は「ブラックホールと宇宙論がわかる」。
前半はブラックホールの話。まず物質の密度 (質量わる体積)の概念の確認。それから「脱出速さ」(見慣れない用語だが、ベクトル量でないので「速度」としなかったのはもっともだ)。天体から打ち出された「投射体」の速さがこの値以上ならば、天体のまわりを周回しない軌道に達することができるのだ。そして、脱出速さが光の速さに等しくなるところがブラックホールの「シュバルツシルト半径」。

後半は膨張する宇宙の話。天体までの距離と、その天体の(見かけの)後退速度とには、比例関係が見られる(ハッブルの法則)。その比例係数「ハッブル定数」は、時間の逆数という物理量の次元をもつ。ハッブル定数の逆数が、宇宙の膨張率が一定と仮定した場合の宇宙の年齢だ。ただし、膨張率は一定ではないとする理論もいろいろある。
(ここでの「膨張率」は、膨張のrate (単位時間あたりの量)だ。しかも、距離の単位時間あたりの変化を距離自体で割った相対変化rateであり、[別ブログ2015-05-07の記事]で「相対変化率」としたものにあたる。熱膨張(温度による体積変化)の話題での「膨張率」とはちがう概念だ。)

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading

日本地質学会 (2017) はじめての地質学

  • 日本地質学会 編著, 2017: はじめての地質学 — 日本の地層と岩石を調べる。ベレ出版, 247 pp. ISBN 978-4-86064-522-9.

2017年9月の新刊。わたしは2018年3月に見つけ、4月からの地学概論の準備のために目をとおした。これは学生に勧める本に入れようと思っている。

地質学は地球科学の全体ではないが大きな部分をしめる。本書は日本地質学会(1893年に創立された)の125周年記念企画だそうだ。

執筆分担は明示されていないが、かかわった人は次のとおり。編集委員長: 天野 一男。その他の監修者: 矢島 道子(125周年記念行事実行委員長でもある)、斉藤 靖二。その他の編集委員: 荒戸 裕之、西山 賢一、平田 大二、星 博幸、向山 栄。その他の執筆者: 井龍 康文、浦野 成昭、須藤 茂、渡辺 寧。

第1章は、がけなどの露頭(地層や岩石が露出しているところ)を観察することから始めて、岩石の種類と性質、地質年代の考えかた、地層の形成や変形(断層など)などを紹介している。(02節の「地層と岩石に分ける」という表現はちょっと変で、堆積岩は地層でもあり岩石でもあるというべきだろうと思う。)

第2章は、地球全体の形、地球がどのように形成されたか、内部構造、大陸や海洋がどのように発達してきたか・それはどのようにしてわかったか、など。

第3章は、地質学が発達してきた過程の科学史。とくに、西洋での近代地質学の始まり、明治時代の日本への地質学の導入、大陸移動説とプレートテクトニクスの始まり。

第4章は、日本列島ができてきた過程の地史。04節に「付加体」の考えかたの説明がある。05節は日本の地質帯で、地名がついた地質帯の名まえの列挙は退屈な気がするが、自分の行動範囲の地方に関する部分の知識は野外観察と組み合わせると有効だろう。

第5章は地下資源の話。金属資源、化石燃料(石炭、石油、天然ガス、メタンハイドレート)、そして日本が自給できる鉱物資源である石灰石。

第6章は災害の話。地震災害とそれに関連する活断層、火山災害、土砂災害。

第7章は日本列島の地質の特徴、そしてそれを観察できる「ジオパーク」の話。ジオパークについては、2016年9月現在に日本ジオパークネットワークのメンバーになっている43の地域が一覧になっている。(2017年に追加や取り消しがあったがそれは反映されていない。) ジオパークについては、地理学関係者を中心に、大地と人間活動の関連を重視する立場もあるが、本書では地質や自然景観を知る場として紹介されている。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading

松森 靖夫 (2007) 学びなおしの天文学 基礎編

  • 松森 靖夫, 2007: 学びなおしの天文学 基礎編。恒星社厚生閣, 193 pp. ISBN 978-4-7699-1054-1.

2017年1月に出た本。わたしは、2018年3月、4月から担当する地学概論の授業の実習課題を考えようとしていたときに、教員養成課程をもつ大学に近い町の本屋の(理科教育ではなく)宇宙・地球科学の棚で見つけた。2冊もので、天文らしい話題は「応用編」のほうにあるのだが(たとえば、球に一方から光があたるとどう見えるかは基礎編に出てくるが、「月の満ち欠け」は応用編の話題なのだ)、わたしがいちばんやりたい地球上の季節ができるしくみの理解が基礎編の到達点になっているので、基礎編だけを買って読んだ。

本の趣旨は、小学校・中学校の理科の天文分野を学びなおすことだ。ただし、著者は大学の教員養成課程の理科(地学)教育の教員であり、本書は直接には教員志望の大学生向けの授業の教材として書かれたのだろうと思う。

演習課題がおもになる形で構成されている。演習課題には2つの部類があり、「クイック・ラボ」のほうは受講生が何かものを動かして観察することを期待している。「チャレンジ」のほうは頭で考える課題が多いが、計算する課題もある。

「クイック・ラボ」では受講生が簡単な道具を作って動かすことになる。

  • そのうち、数量を理解するための「数のものさし」「距離のものさし」は、(その概念を知っている人にとっては)対数目盛りなのだが、10の整数乗に限ることによって、対数の議論を避けている。
  • 視点の移動と方位の関係を2次元で考えるためには、「Mr. VIP」(VIPはviewpointだそうだ)という人形を動かしてみる。
  • 太陽や恒星を含む天体の位置を、天球の概念を使って表現する。その作業のためには、透明半球を用意し、そこにペン(「水性マジック」)でしるしをつける。著者によれば透明半球は100円ショップで売っているので100円+消費税で買えるそうだ。(しかし、わたしが行ってみた100円ショップのうちでは大型の店では見つからなかった。どんな商店が扱っているかから調べないといけない。[この部分2018-04-09改訂])

議論は、ふつうのおとなが考え落とすところにも注意して組み立てられていると思う。しかし、たまたま、わたしは気づいたが本書ではとばされている論点もある。

そのひとつは、水平面での4方位(東西南北)を考えるところで、地図のように上から見た図が使われているのだが、そのことが明記されていないことだ。地理の話題ならばそれでよいのかもしれないが、天体の話題では、人が空を見上げたときの配置を想定することもありうる。そうすると本書の演習課題の解釈が変わってしまうのだ。([別ブログ記事「時計の身になってみたら時計の針は時計まわりなのか」]参照)。この点について、ひとこと注意が必要だと思う。

もうひとつ、夏が冬より暑い理由のところは、エネルギー保存の法則に踏みこむのをさけたせいか、おおざっぱな議論になっているけれども、「単位面積当たりの光の量(日ざしの強さ)」を比較する、という、わたしから見てももっともな議論がされている。ただし、その「面積」が地表面(地面・海面)またはそれに平行な面での面積であることが明示されていない。もし太陽光に垂直な面の面積あたりの光の量をとるならば、夏も冬もほとんどちがわないのだ。この点もひとこと注意が必要だと思う。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading

井田 喜明 (2016) 人類の未来と地球科学

  • 井田 喜明, 2016: 人類の未来と地球科学 (岩波現代全書 092)。岩波書店, 211 pp. ISBN 978-4-00-029192-7.

2016年7月に出た本。わたしは発行直後に買ったのだが、読むのがあとまわしになり、2018年3月、地学概論の授業をするまえの勉強として目をとおした。

第1章のはじめに出てくる用語で言えば「地球と文明の緊張関係」を論じようとした本だ。だいたい、第1章で地球、第2章で文明、第3章で両者の関係を扱っている。著者の専門は地球科学、その内を分類すれば固体地球物理学だ。

章よりひとまわり細かい節のそれぞれのはじめに、4つか5つの問いを出し、それに答える形で本文を書いている。ただし、この問いの群が理論的体系を構成しているわけではない。おそらくこの本は大学の教養科目かなにかの教科書で、ねらいは著者の地球・文明観を伝えることではなく学生がそのような問題を考えるきっかけを与えることであり、授業の話題には著者の主張に直結しなくても学生に知っておいてもらいたいことを含めてあり、各回の話題をあらかじめ問いの形で出すことによって授業の効果を高めているのだと思う。

第1章の地球科学の話題は、気候システムに関するものがおもになっている。同じ著者の『地球の教科書』(2014年)[読書メモ]と同じ材料が多いのだが、配列は本書のほうがうまいと思う。地球や惑星の大気と海の存在条件を、放射収支と関連づけて示す。地球の歴史のうちでは全球凍結に重点をおき、これも放射収支と関連づけて示す。ここでは著者が『自然災害のシミュレーション入門』(2014年、朝倉書店、わたしはまだ読んでいない)で示した計算例が使われている。そして、現在の地球の気候の多様性を示して(ケッペンの気候区分を使っている)、それをもたらすしくみとして大気の循環の力学が出てくる。固体地球の話題は、地球内部の巨視的概観から、地下資源、地震災害、火山災害の話にとんでいる。

第2章は人間社会の歴史で、「公平に漏れなく描くことは意図していません。」と言い、その第2節では近代科学と産業革命をもたらした西洋文明、第1節はその源流となる中東や地中海周辺の文明に話題をしぼっている。第3節では(社会科学や歴史学を専門としない著者なりに)文明の発達のしくみとそれがもたらした問題を論じている。文明の駆動力は人間の意志であり、その主な目的は豊かになりたいことだと考えている。その結果として資本主義が発達し、人間社会全体としては豊かになったが、その内の格差も大きくなった。また戦争による破壊の規模も大きくなった。

なお、図2.1「最近数万年間の気温の変化」の出典は 木村靖二ほか監修(2014)『山川 詳説世界史図録』だそうだ。「旧石器時代、新石器時代」がいつかという情報については歴史学の文献によるのはもっともなのだが、気温の情報源としてはうまくない。まず、どこの気温かが示されていない。世界平均気温(の推定値)だとすると今から7千年前に今(人間活動起源の温暖化の始まる前)よりも2℃ほど高かったというのは現在の科学的知見に合わない(今とのちがいが大きすぎる)。北半球のどこかの地域の気温なのかもしれないが、それならば地域を明示してくれないと困る。背景情報として参照するのに適した図を、出版社の編集者が知っているとよいのだが、そのためには、気候の話題ならば気候の専門家がよいものを選んでよく見えるところに用意しておくべきなのだろう、と反省する。

第3章ではおもに、地球環境問題と天然資源枯渇の問題が論じられている。著者は狭い意味の専門家ではないのだが、地球科学者としてのしっかりした視点があると思う。それにくわえて、貧困、テロ、戦争の問題や、世界政府の可能性なども論じているが、こちらはしろうととしての議論になっていると思う。専門外でも論じないではいられない気持ちがあったのだろう。授業で学生に問われて誠実に答えようとしたのかもしれない。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading

釜堀 弘隆, 川村 隆一 (2018) 気象学入門

  • 釜堀 弘隆, 川村 隆一, 2018: (トコトン図解) 気象学入門。講談社, 244 pp. ISBN 978-4-06-155239-5.

2018年3月の新刊。気象学の入門書だ。これまで気象学を学ぶ人によく勧められてきたのは、小倉 義光『一般気象学[読書メモ]だが、これは中身が濃い本で、初心者にはむずかしいところがある。本書は、まえがきによれば、その本への「橋渡し」として書かれたそうだ。色刷りの図解を多く使っている。「数式は最小限にとどめた」ことは、近づきやすさにもなっており、限界にもなっているだろう。

基本とされた題材は、大気と海が存在する条件から始めて、大気の放射収支と鉛直構造、雲と降水、大気の力学(本書の章の表題は「運動学」となっているが)と熱力学の基本(対流に対する成層の安定性を含む)などだ。

一般的な気象学入門では必ずしも扱われないが本書では重点が置かれたことらがらは、大気と海洋の相互作用、観測技術、予測技術などだ。

他方、次のような内容は「割愛した」とまえがきでことわっている: 大気境界層内の乱流現象、雷雨・降水セルの現象、都市気候、大気汚染、局域の気象、熱帯の季節内変動など。

参考文献リストがない。さらに勉強したい人のための参考文献としては、まえがきで小倉『一般気象学』があげられているだけのようだ。図のうちには「著者(年)」の形の出典表示があるものもある。初心者が文献にたどりつくのには情報不足だが気象学の教員ならば文献検索可能だろう。数量の分布がかかれた図はこの本のためにつくられたものらしいが、データ源が明示されていないのが、わたしにはちょっと残念に思える。

釜堀さんのここ10年ほどのおもな仕事は気象データ再解析([別ブログ2016-05-18の記事]参照)なのだが、その話は出てこない。ただし、11.1-2節「天気予報の初期値と境界値」で「初期値は、前時刻の予測値を観測データで修正することにより作られます。」と書いているので、もうひといきでその話題につなぐことはできる。

川村さんがながらく研究の主題にしてきたモンスーンの基本は7.3節に書かれている。ここで「モンスーン」という用語は熱帯モンスーンをさしており、日本の冬の季節風などは話題に含まれていない。熱帯のプレモンスーン期(乾季の終わり)の循環は海陸風と同じしくみで理解できるが、雨季のモンスーン循環は水蒸気の凝結の潜熱が主役だ、という話がある。日本の梅雨はモンスーンと中緯度偏西風の両システムが結合したハイブリッド現象(と呼んでもよいかもしれない)と説明されている。

温室効果ということばは第2章に出てくるがその説明がごく簡単で、暴走温室効果の話に進んでしまう。地球温暖化に関する13.3節にある温室効果の説明をそのあいだにはさんだほうがよかったと思う。

ただし、その13.3-1節で、ガラスやビニールの壁をもつ温室の効果を大気の温室効果と同じものとみなしている。わたしは、温室に温室効果(赤外線の吸収・射出による効果)がないわけではないが、温室の温度調節のおもな働きは風をさえぎること(大気熱収支の用語を使えば乱流熱輸送を変えること)だ、と習ったことがある([別ブログ2012-05-20の記事]でもふれた)。ただし、まだ自分で定量的に確認していないので、本書の記述がまずいと言う自信がない。できれば、境界層気象学や農業気象学の人と協力して、明確にこたえられるようにしたいと思う。

氷期に関する13.1-5節には「発表当時、ミランコビッチの説は受け入れられなかったようです。」と書かれている。わたしは、そうではなく、発表された1930年ごろは見こみのある説とされたのだが、1950年代ごろに見捨てられた、と理解している。そのあとの「ミランコビッチの説が注目されるようになったのは、1970年代になってからです。」はよい。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading

Alanna Mitchell (2018) The Spinning Magnet [地磁気とその逆転の話]

  • Alanna Mitchell, 2018: The Spinning Magnet: The Electromagnetic Force That Created the Modern World — and Could Destroy It. New York: Dutton (an imprint of Penguin Random House LLC), 323 pp. ISBN 978-1-101-98516-8 (hardcover), 978-1-101-98518-2 (e-book).

2018年1月30日(アメリカの出版社サイトに書いてあった日付)の新刊。ネット上で「おもしろそうだ」と言っていた人がいたので(その人もまだ読んでいなかったようだが)、さっそくディジタル版(Amazon Kindle)で買って読んでみた。(なお、この本のKindle版には紙版のページ番号がはいっているし、索引は本文へのリンクにもなっている。)

地磁気とその逆転を主題とする科学読みものである。科学史をふりかえるところも多い。著者は科学ジャーナリストであり、科学読みものを書いた経験は豊富らしい。しかし自然科学の訓練を受けた人ではない。本文6ページに「a Latin scholar」とある。大学ではラテン語で書かれた古典を勉強したということなのだろう。一般向け講演をしたり野外観察会を開くなどしろうと向けに科学の内容を説明する意欲を示している科学者や科学史家を見つけて、その専門家から聞いたことを伝えたり、自分の表現で言いかえたりしている。現在や過去の科学者が主題にとりくむ態度を伝えることや、主題のキーワードを伝えることには成功していると思う。しかし地磁気に関する科学の理屈を伝えることはできていないと思う。電流が磁場をつくり、磁場の変化が電場をつくることはわかるものの、3次元空間のうちの電場の向きと磁場の向きの関係などはわからない。本書は、数式も図解も使わない方針で書かれたので、向きや量どうしの関係を伝えるのはあきらめたのだと思う。

地磁気の極が逆転するという事実の認識については、地磁気の極の逆転があったことを科学的に最初に指摘したBernard Brunhes (1867-1910)[注]の1900年代の仕事をふりかえることに重点をおいている。Motonori Matuyama (1884-1958)の1920年代の仕事は第19章に軽く出てくる。

  • [注] 本書ではBrunhesという名まえの読みかたは “brune” だとしている。Kornprobstによるフランス語読みを著者が英語で近似したもので「ブリュン(ヌ)」だろう。【おそらくオック語(オクシタン語)由来で、そうだとすると読みは「ブリュニェス」のような音らしいのだが、フランス語にとりこまれると語尾のesは発音されないだろう。】

地磁気の極が逆転するしくみについては、今でも充分に説明されてはいないが、地球内部の核(core)、そのうち外核(outer core)の流体の運動によるダイナモであることはほぼ確かだ。それは本書第3部の主題なのだが、そこでの話は現代の研究者の関心事に向かい、地磁気ダイナモ理論の発達の歴史はとばされている。Edward Lorenzのカオスのモデルは話題にしているのに、数学的にそれとほとんど同じTsuneji Rikitakeの2-disk dynamoモデルが出てこないのは残念だと思った。

地磁気の極が逆転する際には、地磁気の強さが弱まる時期がある。このとき、地上に達する宇宙線や太陽風の高エネルギー粒子が多くなる。これは現代の電気通信や電力網に事故をもたらすおそれがある(こちらは数量はともかく危険があることは確かだろう)。また生物に悪影響をもたらすおそれがある(こちらに関する知識はとても不確かだ)。著者が本書を出そうとした動機はこの問題を社会に知らせる必要を感じたことらしい。問題があることを伝えることはできていると思うが、その内容はわかりやすくなっていないと思う。科学者による本、たとえば、やや古くなったが、上出 洋介 (2011) 『太陽と地球のふしぎな関係[読書メモ]などを見たほうがよさそうだ。

ここから、順を追って、話題を書きだしておく。ただし、わたしにとって新しかった話題に偏った書きかたをしている。

序章は、カナダ北極圏を訪問してオーロラを見るところから始まる。19世紀の探検家がここに来た目的のひとつは、北の磁極の近くで地磁気がどうなっているかを調べることだった。

第1章から第9章までの第1部の主題は、地磁気と、その逆転があったことの認識だ。

Brunhesは1900年から在職中に亡くなるまでフランスのClermont-Ferrand (クレルモンフェラン)のl’Observatoire de Physique du Globe (「地球物理観象台」というところだろうか?) の所長をしていた。1989年ごろから1998年まで同じ職にあった(いまはそこからは引退して火山などに関する科学普及活動をしている) Jacques Kornprobst がBrunhesの業績に光をあてる活動をしていて、著者はそれを伝えている。Kornprobstがつとめていた大学はUniversité Blaise Pascalという。Pascal が義兄に高さによる気圧のちがいを知る実験をしてもらった場所がPuy de Dôme火山だった。その後、その山に気象や地磁気を含む地球の物理現象を観測するobservatoryがつくられたのだ。のちにその本拠地は市内に移ったが、山頂の観測所も続いており、WMOのGlobal Atmosphere Watchに参加してCO2濃度などをはかる仕事もしている。

第2章の話題は、電磁気力が宇宙の4つの基本的な力のひとつであること、電子のスピンの向きがそろうと磁気があらわれること、など、磁気に関する物理の基本的なことがらだ。

第4章の話題は、磁石に関する理解が古代からどのように発達してきたか。

古代から天然の磁石である magnetite (磁鉄鉱)が知られていた。タレス以来のギリシャの哲学者が鉄が磁石にくっつく原因を論じた。ヒポクラテスが医療に利用しようとした。航海への利用は中国が早い。12世紀はじめには方位磁石の形がととのった。

1269年にPierre Pèlerin (Petrus Peregrinus)が磁石を論じた。磁石には2つの極がある。磁石を切るとそれぞれに極ができる。磁力は永続的だ。

第5-8章の話題は、地磁気に関する認識の発達。Stern (2002) のレビュー論文の前半と共通の話題が多い。(この文献は本書の参考文献にもはいっているが、参照箇所は第20章のWegenerのところである。)

地磁気は、偏角、伏角、強さの3要素で表現される。偏角の認識は、中国のShen Kuo [沈 括]が1088年に書いた「夢渓筆談」に見られる。伏角の認識は、イングランドのRobert Normanが1581年に書いたThe Newe Attractiveに見られる。

William Gilbertは医者だったが、1580年代から地磁気を研究し、1600年にDe Magneteという本を出した。実験をおもんじ、磁石による地球の模型 terrellae をつかって実験した。地球内部にmagnetic soulがあってそれが引力や斥力を働かせる、という考えにいたった。

静電気にも気づいた。それに electricity という名まえを与えたのはGilbertだ。ただし電気は一時的、磁気は永久的で、同類ではないと考えた。

Gilbertはそれぞれの場所の地磁気の偏角は時とともに変化しないと考えていた。

Gilbertの死後1651年に出版された De Mundo という本(英語訳はない)では、地球は自転しているという考えを述べている。Gilbertは、地球は磁力があるから自転していると考えた (これは今からみるとまちがい)。太陽中心説への賛同を明言はしなかった。

Edmund GunterとHenry Gellibrandがロンドンで偏角をはかったら、54年間で7°変化していた。地磁気のsecular variationと呼んだ(出版は1635年)。

Halleyは1700年に大西洋航海で偏角をはかり、地図上の等値線で表現した。航海で経度を知ることに使うことを期待したが、残念ながらそれには役だたなかった。(経度の測定の問題は、1759年、Harrisonの時計で、いちおう解決した。) また、地磁気分布には、西へのdriftが見られた。Halleyは「地球の中心部には複数の双極子があり、ちがう速さでまわっている」という考えで説明しようとした。

Gaussは、1832年に地磁気の強さについての数式を示した。また、磁力計を発明し、1840年以来の地磁気の定量的観測のデータがとれるようになった。1838年には地磁気の主要部分は地球内部でつくられていることを数学的に証明した。

Alexander von Humboldtは、Gaussやロシアのニコライ1世の賛同を得て、1834年にGöttinger Magnetische Vereinという団体をつくり、世界の地磁気の情報を集めようとした。Edward Sabineは1830年代に地磁気に関心をもち、イギリス植民地に観測所をたてた。1840年には世界(ロシア、イギリス植民地、アメリカ合衆国など)に30以上の地磁気観測所があった。地磁気の分布が時とともに変わることも知られてきたが、地磁気の法則への関心はおとろえた。ただし、Sabineは地磁気と太陽黒点の関係をみつけた。

岩石は残留磁気をもつ。Pierre Curieが1895年に、固体は高温(Curie点)で磁気を失うことを示した。残留磁気は岩石が高温にさらされたあと冷却されたときの地磁気を反映しているのだ。Curieより前、1854年に亡くなったイタリアのMacedonio Melloniは、火山岩の磁気をはかり、実験で熱残留磁気を認識した。ただし定量的には不確かだった。Giuseppe Folgheraiterは1899年までに古代の土器の残留磁気をはかった。Brunhesはそれを参考に、焼けた土 terracotta の残留磁気をはかる研究をしたのだった。

第9章で話はBrunhesにもどる。クレルモンフェランの近くのPont Farin (旧名 Pontfarein)で、1905年、Bruhnes はterracottaを採集した。1-1.5千万年前のterracottaで、5百万年前の溶岩で700℃に加熱されたものだった。Bruhnesがサンプルの伏角をはかったら、現在と逆だった。論文は1906年に出たが、当時、大部分の科学者には、事実と思われなかった。Brunhesは古地磁気の研究を続けたが、続く論文を出さないまま、1910年に42歳で亡くなった。

第10章から第16章までの第2部は、いったん地磁気を離れて、19世紀までの電磁気の物理学が発達してきた歴史。

そのうち第10-13章は、コペンハーゲンのNiels Bohr InstituteのAndrew D. Jackson (理論物理学者)[注]とその妻 Karen Jelved (英文学者)の研究にもとづいて、おもにHans Christian Ørsted (1777-1851)の業績を追いかける。Ørstedは地磁気にも関心をもち、1823年の航海のときには地磁気観測もしているし、1827年にはHumboldtやGaussとともに地磁気に関する会議に参加している。しかし科学技術史にとって重要な業績は、電気と磁気の関係を示した1820年の実験だ。

  • [注] 本書には別のAndrew Jacksonという地球物理学者も出てくる。しかもØrstedの名がつけられた地磁気観測用の人工衛星も出てくる文脈である。本文中に別人だと注意しているが、索引では混同しているところがある。

人は長いあいだ電気と磁気を別々のものごとと考えてきたが、いまでは両者は同じものごとの側面だと考えている。「電磁気」という表現をつくったのはØrstedだ。

電気のうち早く認識されたのは、摩擦によってできる静電気だ。しかし静電気には磁石ほどの持続性がない。宇宙にとって重要ではない現象と考えられた。

Gilbertがはじめて電気の実験に継続的に関心をもち、electricityとなづけた。1733年にdu Fayが静電気の実験をし、静電気を別の物体に移せること、静電気には2種類があることを示した。オランダの大学町ライデンで、Pieter van Musschenbroekが1746年に(それまでにアマチュアの人がやった実験を再現・改良して) のちに「ライデンびん」、今ではコンデンサー(キャパシター)といわれるものを発明した。Benjamin Franklinはライデンびんで実験をし、電気には正と負があると考えた。そして1752年6月に たこ で雷の電気をつかまえてライデンびんに入れる実験をし、それからは避雷針を宣伝した。そのころ、静電気は娯楽にも使われたが、人体に電気ショックを与える危険なものでもあった。電気の動力への実用にはほどとおかった。

Ørstedは、Kantの影響を受けて、自然には神の設計による秩序があると考え、統一理論を求めた。原子論には反対だった。Kantにしたがい、物質は引力と斥力によってなりたっていると考えた。

Ørstedは、両親の薬局をてつだっていたところから化学に関心をもち、当時、学術の中で地位が低かった化学の地位をそれを高めようとした。

Luigi Galvaniが「動物電気」を発見し、Alessandro Voltaが、それは2種類の金属と液体がからんだ化学反応によることを示した。亜鉛と銅と塩水で電池を構成し、論文を1800年に出した。

1799年に博士号をとったØrstedはVolta電池を宣伝して歩いた。それから医学部の教員となって化学を教えた。(1822年に化学の教授となった。)

1820年に実験で、電池からの電流で磁針がふれることを示した。そのときに力が直線状ではなく円環状に分布することを示した。Ampère が理論的説明をした。(それをFaradayに送ったがFaradayは数式がわからなかった。Ørsted自身によるKant流の「力のconflict」による解釈は他の学者に通じなかった。)

第14-15章は、Michael Faradayについて。Royal InstitutionのFrank James (Faradayの5千通の手紙を25年かけて編集したそうだ)の話にもとづいている。

Royal Institutionは1799年に科学普及のためにつくられた。公衆向け講演(有料)をした。講師はHumphry Davyだった。Faradayは製本屋で働いていた。Jane Marcetの “Conversations on Chemistry” を読んだ。それは会話型で化学を教える本で、Davyの講演にもとづいていた。1812年に20歳のFaradayはDavyの講演をきき、ノートを製本して贈った。Davyは1813年にFaradayを実験助手に採用した。

Faradayは1821年にAnnals of Philosophyの編者Richard Phillipsから電磁気現象の解説を求められた。Ørstedの哲学的理屈も、Ampèreの数式も理解できなかった。実験で再現を試みて、いくつか解説を書いた(匿名で M. と署名している)。そして、電線のまわりの空間に力の輪がある、という考えにいたった。水銀槽で、電線と磁石の一方を固定し、他方が回転するのを見る実験をした。最初の電気モーターともいえる。

FaradayはプロテスタントだったがAnglicanではなくスコットランド長老派に近いSandesmanianだった。Faradayの科学への姿勢には、神が創造した世界を理解したい(神が創造した微妙な法則性を知りたい)という意志があった。原子論は受け入れられなかった。物質は無限に細かくわけられると考えた。
Faradayの思考を他人が追うことはできないことが多かった。しかし結果は正しいことが多かった。

1820年代、Davyは経度委員長をしていた。経度を知るため、(地磁気には関心を向けず) 天文観測によって安く経度を知れないかと考えていた。Faradayには、望遠鏡のためのガラスの開発をさせた。1829年にDavyが亡くなると、Faradayはその仕事をやめた。

Faradayは1831年に、磁気から電気をつくる実験をした。電磁石をつくれることはすでにわかっていた。鉄心をふたつにわけてそれぞれに銅線をまいてコイルにし、induction ring, のちに変圧器といわれるものをつくった。磁気が変化するときに電流が流れることがわかった。次に、鉄心にコイルをまいただけの、のちの発電機にあたる装置をつくり、コイルの内側に磁石をとおして動かすと、ガルバノメーターが動いた。磁気を与えるのが電磁石でなく永久磁石でも電流をつくれるのだ。

Faradayは1846年の公開講演で、電気力線と磁力線でおおわれた世界像を述べた (数学は使わなかった)。

第16章はJames Clark Maxwellの業績。Maxwellは、1861年の論文で、電磁気の4つの方程式を示し、電磁波が存在し、光も電磁波であることを示した。Faradayの考えた「力線」に数学的表現を与えた。これは物理の標準モデルとなった。

科学の思想は、「聖書が真実」から「観測事実だけが信頼できる」そして「標準モデルが信頼できる」と変遷し、観測されていなくても、標準モデルから演繹されることは、現実にありそうだと考えられるようになった。

第17章から第24章までの第3部は、地磁気がつくられるしくみと、観測されている地磁気の変化について。そのうち初めの部分(どこまでかはよくわからない)は、おもにGrenoble大学のPhilippe Cardinの話によっている。

第17章。今の地球物理学の知識によれば、地球の核(core)のうち、内核は固体、外核は液体だ。核が熱を失いつつあることによって、外核には対流がおきる。これはコリオリの力の影響を受ける。対流は南北にのびる柱状になる。核はおもに鉄(不対電子が4つ)とニッケル(不対電子が2つ)でできており、溶融金属は導体なので、ダイナモ(発電機)の原理によって電流が作られる。地球がじゅうぶんひえて核が固体になると地磁気はなくなるだろう。火星や月はそうなった。太陽や惑星は自転するので、自転軸に近い向きの双極子磁場がつくられやすい。太陽磁場は11年ごとに逆転する。それは黒点の変動と関係があって、黒点のほうは1612年(ガリレオ)以来 記録されている。地球磁場も逆転する。逆転の間隔は一定ではないが最近の時代ではおよそ30万年ごとで、最新の逆転は78万年まえだ。地球磁場は双極子以外の成分ももつ。もし双極子が非常に弱まれば、四重極か八重極がおもになるだろう。それは数千年つづくだろう。そして、まえとは逆の双極子があらわれるだろう。

第18章。1897年6月12日に、インド北東部のShillong高原を震源とするAssam 地震(マグニチュード8.7)があった。(地盤液状化で地すべりがおき、1500人以上の死者が出た。) ヨーロッパの12ほどの地震計がこれを検知した。インドにいたアイルランド人の地震学者Richard Dixon Oldhamが調査し、1906年に論文を出した。地震波のP波とS波のつたわりかたから、地球内部に物質の不連続があると推論した。

Inge Lehmann (1888-1993)は、男女平等を徹底するHanna Adlerが校長をする学校で学び、Cambridge留学を経て、コペンハーゲン大学で数学・物理の学位をとって、デンマーク測地局に勤務し、デンマークとグリーンランドの地震観測網をつくった。1928年には地震部長のような職につき、25年間つとめた。ただし(観測所の現場勤務者は別として)オフィスには部下のいない職だった。研究は職務ではなかったが、複数地点の地震波を読んで波の伝搬を解読する研究をした。 1929年06月07日、ニュージーランド南島を震源とする Murchson 地震(マグニチュード7.8)で、デンマークの観測網に、予想外のP波が観測された。これを解析した結果、Lehmannは「流体核の内側に固体内核がある」と結論し、1936年に論文にした。Jeffreysをはじめとする学者たちが納得するまでにはしばらくかかったが、1947年には内核は地球物理の教科書に書かれる知識になった。

第19章。岩石の残留磁気が現在の地球磁場と対応しない理由としては、地磁気の極の逆転のほかに、大陸の移動・回転、局所的に岩石が動いたこと、岩石が地球の磁極と関係なく磁化を変えたこと、などの可能性がありうる。

しかし、Matuyama (1929年)の日本、朝鮮、「満州」の玄武岩の研究、Jan Hospers (1951年)のアイスランドの溶岩の研究、Allan Cox, Doell, Darlymple (1964年)の世界の64件の溶岩の研究などによって、年代別に正逆が分かれ、複数回の磁極逆転があったことは確からしくなった。

岩石が磁化を変えることがあるかという疑問については、Louis Néelが1949年に、Fe, Ni, Coなどがふつうにもつ磁性であるferromagnetismとならんで、磁鉄鉱などは非常に安定なferrimagnetismと名づけられた磁性をもつことを示した。Carlo Lajが2002年に、Brunhesが調べたのと同じ場所のサンプルで、他の影響を取りのぞいて自然残留磁気を取り出し、結論は変わらないことを示した。

第20章。大陸は動くのか? Humboldtは南アフリカとアフリカの海岸線が対応することから、かつてはつながっていた可能性を示唆した。Wegenerが1915年に大陸移動説の本を出版したが、1950年代まで大陸移動は異端視された。Edward IrvingとKenneth Creerが、みかけの極移動軌跡を考え、1954年に発表した。実際には、極ではなく岩石(地殻)のほうが動いたと考えた。

第2次大戦後、海底探査が進み、海底地形の可視化がはじまった。Lamont地質研究所のEwingのもとでMarie Tharpが測深データをまとめ、1956年に大西洋中央海嶺の地形を示した。1960年ごろから船に積んだ磁気計による海底岩石磁気の観測がはじまり、それを作図すると海嶺を中心として両側に対称に広がるしまもようが見られた。

Lawrence Morleyは、1961年に海洋底拡大の論文を出したあと、それと大陸移動、磁極逆転をあわせた論文を書いたが、それが出版されないうちに、Vine & Matthewsの論文がNatureに出た。海洋底拡大説はVine-Matthews-Morley説として知られるようになった。Cox, Doell, Dalrymple (1964)によって海底にも地磁気逆転年代がはいった。プレートテクトニクスの理論が形成され、1970年代なかばからは地質学の基礎として認められた。

地磁気逆転の編年が進められた。2.52億年前のペルム紀/三畳紀(古生代/中生代)境界以後、だいたい百万年以内に逆転しているが、逆転のない長い期間(superchrons)が2つある。逆転までいかない弱まり(excursion)は逆転の10倍くらいある。最近は4万年まえのLaschamp eventだ。

第21章。地球の核に関する知見は確定しておらず、研究は進行中だ。
Edinburgh大学のKathy Whalerは、CambridgeでDavid Gubbinsのもとで博士号をとった。そのとき、NASA+USGSのMAGSATという衛星のデータ(1979-80の半年)で、地磁気の全球構造を見た。さらに過去380年の地磁気の変動をまとめた。Gubbinsが1989年のScientific Americanで解説している。地磁気のパターンは、17世紀以来、西へドリフトしている。強さの観測値は1840年からだが、そのとき以来、双極子の強さは弱まる傾向にある。Terracottaにもとづく研究によれば、2千年前から弱まってきている。

マントルと地殻の影響をとりのぞいて核の表面での磁場を知りたい。1985年にWhaler, Gubbins, Jeremy Bloxham ほかが、それを推定し、1777-1980年の時系列を示した。磁場は双極子ばかりではない。アフリカに、西に速く動くパッチがある。

衛星による地磁気の観測は、1999年からのØrsted衛星 (デンマーク)、2000年からのCHAMP衛星 (ドイツ)、2000年からのSAC-C (NASAを含む連合)、2013年からのSwarmミッション (ESA、3つの衛星で全磁場をはかる)がある。

2000年に、Andrew Jackson (地球物理学者)は、核・マントル境界の磁場の数値モデルの結果を示した。(話題としては衛星観測に続いて出てくるのだが衛星観測との関係は不明。) Gubbinsたちが見つけたパッチが持続し西へ移動しているほか、1984年に南極にも同様なパッチが現われた。非双極子成分が強まっている。地表でみた双極子磁場の強さは1840年から10%弱まった。

第22章。 Copenhagen工科大学にあるNational Space Instituteは、Potsdam, Parisとともに、Swarmのデータを扱う中心だ。そこで働くChristopher Finlayは、ダイナモの数値モデルによって、現在の磁場を再現し、将来の動きを予測しようとしている。

地表では磁場の93.2%が双極子だが、核・マントル境界では38.6%だけだ。

南大西洋異常(逆向き磁場のパッチ)は、地表にも弱まりとしてあらわれている。この弱まりは人間が観測をしている時間範囲でも大きく進行し、60年で6.7%減った。地表でみた双極子の弱まりかたは 16 nT/年で、もしこのまま続けば2千年以内に0になる。

これは地磁気逆転に向かう現象なのか? Finlayはyesともnoともいえない。地磁気逆転が100年くらいかかるのか1万年くらいかかるのかもまだわからない。ダイナモは非線形であり、Lorenzのいうようなカオスの性質をもち、小さなちがいが増幅するだろう。

研究者たちは、今の科学知識による磁場の予測可能性は5年だと考えている。そこで5年ごとに会合をして地表での全磁場の予測計算をやってInternational Gemagnetic Reference Fieldをつくっている。Finlayはその2010年版の主著者になっている。

第23章。 Nantesに集まった地磁気ダイナモ研究者たちは、もし地磁気逆転が予測されるならば社会にそれを警告する責任がある、と感じていた。

Peter Olson (Johns Hopkins大学名誉教授)は、いまの南大西洋異常が地磁気逆転につながるかはわからないが、いまの20%(面積比?)から30%になったら逆転になりそうだ、と言っていた。

Cathy Constable (Scripps海洋研究所)は、統計的方法で過去なん百万年もの磁場のモデルをつくっている。Korte (GFZ Potsdam)と共著の論文によれば、最新の逆転からの78万年は、逆転の間隔として異常に長いというほどではない。近ごろの磁場の弱まりかたは、過去7千年の傾向からはずれていない。いまの磁場は、過去1.6億年の平均よりも強い。そこで Constable は逆転については「自分の寿命のあいだにはない」だろうという。

Carlo Lajたちは、堆積物、火山岩、氷コアなどの、放射性のベリリウムや塩素から、過去7万5千年の磁場を推定している。Laschamp事件のような「逆転しかける」ことがおこりかけていると考える。逆転しなくても、磁場が弱まるので、地表に達する放射線がふえる心配はある。

John Tarduno (Rochester大学)は、アフリカの西暦1000年ごろの遺跡の焼かれた粘土を調べたところ、700年まえにも磁場は弱かった。それからいったん強まって、いまの弱まる傾向に至る。また、Levantの紀元前750-前150年の土器を調べたところ、紀元前700年ごろにも、磁場が弱まったことがあった。

Jean-Pierre Valet & Alexandre Fournier は堆積岩からの地磁気逆転検出の精度をあげるためにはどうしたらよいかを論じた。

第24章。外核のダイナモのしくみについて、数値モデルのほかに、物体によるモデルを使って実験している人もいる。Daniel Lathrop (Maryland大学)は、ステンレスの二重の球のいれものの中で、金属ナトリウムを液体にして対流させている。これまでのところ、自己維持するダイナモはできていない。磁極逆転も起きていない。

第25章から第30章までの第4部は、地磁気の逆転や弱まりが起きたら、生物や人間社会にどのような影響が起きるだろうかという話。おもにDaniel N. Baker (Colorado大学のLaboratory for Atmospheric & Space Physics 所長)の話にもとづく。LASPはNASAの4つの衛星missionを動かしていて、雇われている人が500人、大学院生が50-60人いる。そのひとつ、Solar Anomalous and Magnetospheric Particle Explorerでは、地上数百kmでの荷電粒子濃度を見ている。

第25章。Bakerは太陽が地球にどう影響を与えるかを専門にしている。1960年代、IowaでVan Allenのもとで学んだ。Van Allen は1958年に(Van Allen帯ともいわれる)放射線帯を発見した人で、2006年に亡くなった。

太陽からは、X線、γ線などの電離放射線や、陽子、電子などの荷電粒子からなる「太陽風」が来る。荷電粒子や電離放射線は生命にとって危険だが、地球の生物は、磁気圏、大気、Van Allen帯によってまもられている。磁気圏やVan Allen帯の存在は、地球内部のダイナモに依存している。(このようなことがわかってきた歴史は、Stern (2002)では終わりのほうには書かれているのだが、本書では省略されている。)

火星では、40億年まえ、ダイナモが止まった(その原因はまだ確定していないが)。太陽風によって大気がふきはらわれ、二酸化炭素もなくなったので、生命維持はできないだろう。

地球の磁場が逆転するときには、磁場は数百年から数千年、弱い状態になるだろう。文明への影響は? ヒトをふくむ生物への影響は?

第26章。地磁気の弱まりではなく太陽フレアなどの太陽活動の強まりによって、地上に達する荷電粒子がふえたことならば経験がある。1950年以来でも70回以上ある。

1989年3月13-14日には、カナダ(ケベック)、アメリカ(ニュージャージー)、イギリスなどで、変圧器がこわれるなどの理由で、広域停電が起きた。

2003年10月28-29日に太陽表面で爆発があり、31日ごろに、南アフリカで変圧器がこわれる、スウェーデンで停電、北アメリカで多数の予防停電があった。国際宇宙ステーションの宇宙飛行士はシールドの比較的多いロシア製の部分に避難した。(本書では日本の衛星ADEOS II (みどり2号)の故障もこのフレアのせいにしているが、別の情報源によればフレアよりも前であり直接の関係はないようだ。)

1859年8月28日から9月2日の事件は、Richard Carringtonがはじめて太陽フレアを観測したので、Carrington eventと呼ばれる。現代の用語でいえばcoronal mass ejectionがおきていた。氷コア分析によれば、最近500年のうちでいちばん強い太陽放射線eventだ。オーロラが赤道近くにまで見えた。電信網が被害をうけた。ピッツバーグでは電池が発火、スウェーデンではスパーク。ノルウェーではスパークから紙が燃えた。バッテリーがこわれても「天からの」電力で電信が働いたところもあった。地磁気の乱れは11日続いた。

2012年7月23日、Carrington級のeventが、太陽の地球からみて裏でおきた。

太陽フレアから地球の電磁場への因果連鎖は、磁気圏・電離層の電流のパルスが、地表の磁場を変動させ、地殻・マントル上部の電流 (geomagnetically induced currents, telluric currents)をつくる、というものだ。

(順序を入れかえて) 第28章。磁気の乱れが経済に与える影響。
イギリスでは2015年、保険業者はextreme space weatherのリスクを考慮せよと法制化した。しかし根拠となる科学は未熟だ。ひとつの研究では、アメリカ合衆国の電力網被害によるアメリカ合衆国経済への影響、その続編では、そこから貿易を通じて他国への間接的影響を扱っている。別の研究では、電力網、鉄道や電化された大量輸送、通信(とくに衛星通信)、GNSS… への影響がはかりきれないと論じている。

冷戦時代、太陽起源の磁気あらしを敵国による通信妨害と思って核戦争になりかけたこともあった。

もし地磁気逆転が起きるならばその進行中は、電力や通信に影響のある乱れの頻度が高くなるだろう。

第27章。地磁気逆転で生物の死滅をもたらす可能性。
1963年にRobert Uffenは、地磁気逆転のときは、Van Allen帯がこわれ、生物の突然変異がふえるだろうと考えた。

地質の古地磁気と化石の証拠を見ると、地磁気逆転がかならず大量絶滅をおこすわけではないが、古生代の終わり、中生代の終わりの大量絶滅のときには、地磁気逆転が何度もあった。長期間地磁気の逆転がない時期(superchron)には大量絶滅がなかった。(いまの生物は頻繁な逆転に適応したものなのかもしれない。) 1971年にIan Crainが種の絶滅と地磁気逆転とに相関がある(磁場が弱いとき種の絶滅が多い)ことを示した。

因果関係をつなぐのは何だろうか? 地磁気が南北をしめさないとnavigationができなくなるのか? 地磁気が弱いと地表に達する有害な放射線が多いのか? (放射線のうち二次宇宙線が多かったことは放射性ベリリウムでわかっている。) オゾン層が失われ地表に達する紫外線Bが多いのか? 2010年に Glassmaier & Vogtのレビュー論文があるが、因果説はまとまっていない。

第29章。生物は地磁気をどのように感じるか? 地磁気をnavigation (ここでは地球上の方向あるいは位置を知ること)に使っている生物はどのようなしくみで使っているのか? Michael Winklhofer (Duisburg-Essen大学)の話にもとづいて考える。

地磁気をnavigationに使うしくみとしては、 磁鉄鉱などのferrimagnetic物質をもちそれが方位磁石のように働くことと、たんぱく質分子のうちに磁性をもつものがありそれが伏角にそった向きにならぶことがある。鳥の場合は後者が多いようだ。

Winklhoferによれば、生物種は、地磁気逆転に伴うようなあまり急でない地磁気の弱まりには適応できるだろう。しかし、野生生物は、人間活動(漁獲・狩猟や、生息可能場所の破壊)などの地磁気以外の理由で危機にあるものが多い。それと地磁気の弱まりとの組み合わせで絶滅するリスクがある。

第30章。放射線の健康影響。
地球のVan Allen帯を通ってその外の宇宙空間に行った人は、アポロの24人だけだ。アポロの飛行のときには出会わずにすんだが、16号と17号のあいだの1972年8月に大きな太陽フレアがあった。もし月面に人がいたら、穴をほってもぐっても耐えられなかったかもしれない。

X線、放射性物質の放射線、原子爆弾の放射線の健康影響はだいぶよくわかっている。基本的には、電磁波でも荷電粒子でも、放射性物質起源でも太陽や宇宙線でも、害は同様だ。粒子や波のもつエネルギー、粒子の大きさ、近さにはよる。放射線があたるとからだの組織中に不安定なイオンをつくる。それがDNAをこわすことがある。大きくわけて急性と慢性の害がある。急性のものは免疫がおとろえて感染症にかかりやすくなることなど、慢性のものはガンなどである。(ほかにもあげられているがメモを省略する。)

有人火星飛行の計画のために、長期の放射線の人への影響の研究が進められている。人体を近似するプラスチックを2009年に月周回軌道に送った。結果は解析中だ。また、火星探査機で地球から火星まで移動中に受ける放射線をはかろうとしている。もし強い太陽高エネルギー粒子eventがあると致死量に達するだろう。

著者による結びよりも、第28章第30章のそれぞれBakerの話を引用した部分がまとめになっていると思う。

太陽のダイナモの数値モデルは作られているが、まだ予測が合わない。地球のダイナモモデルによる磁場の予測能力もまだ高くない。不確かさの大きい状況で、リスクにそなえることになる。

地磁気逆転の際には、磁場が完全になくなるのでなく、双極子成分がほぼなくなり、全体の強さも弱くなるだろう。世界全体でなく地域で、ただし高緯度だけでなく中緯度でも、磁場による粒子線遮蔽やオゾンによる紫外線遮蔽がなくなることがありうる。

地質時代とちがう現代の特徴は、多数の人がいること、多くの野生生物が絶滅の危機にあること、電力や電気通信に頼った工業文明があり、地表だけでなく上空(飛行機)や宇宙空間(人工衛星)も利用していることだ。

文献

折り返しのあとに詳しい目次(Kindle版にもとづく)をつける。

Continue reading

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、こういう結論にはならないはずだ。

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。) なお北半球平均のほうの文献は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。
Continue reading

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。
Continue reading

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。】

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading