日本の天気は何故西から変わるか

　　 地表速度

　理科年表・地学部に「地球に関する定数」が記載してあり、「赤道半径」を基準に各北緯度数での値を算出した。地球は「真円」ではないので「扁平率ｆを考慮しなければならないが、本稿ではそこまで厳密な話ではないので割愛する。
　地球の地軸は傾斜しているが、西から東に回転している。大気は地球の引力でいくらかは地球の回転に引きずられているので、地球外から見れば西から東に移動しているはずだ。しかし『貿易風』という言葉があるとおり、これは「東風」つまり地表を東から西に向かって吹いていることになる。つまり空気の自重と慣性とのバランスで地表から置いてけぼりをくっていることになる。そしてその南北の範囲、つまり幅は、赤道を中心線とし、おおよそ北および南の回帰線の範囲内に限られている。では北（あるいは南）回帰線を超え、緯度が高くなった場合はどうかと言えば、マクロに言えば平均的に西風、つまり貿易風とは逆の方向である。どうしてこんなことになるかを検証する前に、自分が住んでいる地点の情況を調べてみると、次表のような「地表速度」の欄の数値となる。
　現在茨城県のひたちなか市に住んで60年近くになるが、その地点を含めて、各地点の地表速度は猛烈なスピードで、万一地球の回転が止まれば、運動量保存の法則からすると、慣性で軽々とすっ飛ばされてしまう。正に音速ジェット機並みの速度で回転している。
　その様に西から東に猛スピードで回転しているのに「西風」が吹けるのか？　しかし実際には、下表の速度値を追い越して空気が移動しているのだ。台風や強い低気圧は、局部的には西風ばかりではないが、それにしても風速３０ m/sec でも時速に換算すれば高々１０８km/hr で、日本国内の地表速度の 1/10 以下だ。ますます「なぜ西風が吹くのか？」ということになる。



表１：地　球　の　諸　元

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　　大気の流れ、なぜ西風？

　地上で熱せられた空気は密度が小さくなり上昇する。そして上空は宇宙空間への放射冷却で冷やされ、密度が大きくなって下降せざるを得ない。しかし全体が不規則に移動している訳でなく、地球の自転・赤道付近と北極（あるいは南極）の気温差・緯度の高低による地球表面の速度の差など、複雑に絡み合っていて、研究者らによって空気の「循環域」が形成されていることが判っている。ここでは話を北半球に絞って、話を進めることにする。
１・フェレル循環域
　北緯２３.５°には北回帰線があり、宗谷岬より北の北緯４６°位まで「フェレル循環域」という名前で呼ばれている。つまり西風が多い循環帯だ。
　循環の方向は北緯３８°付近の上空で、後述のハドレー循環域に接していて、その下降気流に引っ張られて上から下に斜めに移動し、北回帰線付近の地表に当たって、南から北に方向転換する。そして北緯４６°付近で地表から上空に方向を変え、（北緯４６°付近の）上空で南方向に方向転換する。その後はハドレー循環域にぶつかる緯度まで南下する。
　以上の説明は循環域の断面での状況であるが、この循環域全体が地表では西から東に向って移動するので「西風」となるのである。ではなぜそのようなことが起こるのかが、本稿の最大テーマなのだ。

２・ハドレー循環域
　一方、赤道から北緯２３.５°までは東風寄りの貿易風が吹いている。空気に対する地球の引力の影響が小さくて、空気が置いてけぼりになっていて、地上の人間は東風と感じる。この東風、正確には「北東貿易風」であるが、三次元の循環があって「ハドレー循環域」と言う循環帯を形成している。この循環帯では、まず赤道付近の空気が熱せられて上昇すると上空では放射冷却と地球の引力で、上昇に限度が生じる。下から次々と湧き上がってくる気流のためにその場所から下降は出来ず、流れの行き先は、北半球では北に向かはざるを得なくなる。この北向きの流れはおおよそ北緯４６°付近迄といわれており、ほぼ日本全体をカバーしている。但し大気圏の最上部を流れて徐々に放熱の上、北緯４６°の辺りから下降し始め、北緯２３.５°の地上までフェレル循環帯と接しながら、斜めに南方に向かって気流が降りてきているようだ。

　・下の図は説明用北半球の断面で、大気層の厚さは誇張して表示してある。赤道の半径は6378ｋｍであり、空気層は
　　10ｋｍ程度であるから、図１で表示したほど厚くはない。ここでは大気の流れの説明のため、過大に表示した。
　　　　　　　　　　

　『英語で「 Angular Momentum 」,ドイツ語で「 Winkelige Bewegungsgrüsse 」。
　・「Ｏ軸の周りに角速度ωで回転している質点が、運動量の値 mv=mrω と回転半径 r との積
　　　mvr=mr²ω　をその質点の軸Ｏに関する「角運動量」という。』
　・「角速度とは運動質点ＰのＯを原点とする径ヴェクトルＯＰが基線Ｏｘと張る角θの時間的変化割合たる
　　　ｄθ/ｄｔ＝ω　を角速度と言う。

　以上は学生時代の物理の教科書(一瀬正巳著；物理学要説）に記載されているものを、復習の意味で転載した。
　・インターネットで西風となる仕組みの説明は、小生の頭の能力のせいもあるが「帯に短し、襷に長し」の感
　　があって、余りにも定性的で理解しにくい。そこで、私流の考え方で説明したい。
　・（１）の説明で、『「ｒ」 が変化しても角運動量が保存されるといういう事は、
質点の質量「ｍ」は一定値なので「ω」が変わることになる。すなわち
　　　　　「ｒが大きくなれば（腕を伸ばしてスピン）ωが小さくなり回転は遅くなる」。
　　　　　逆に「ｒが小さくなれば（腕を縮めてスピン）ωが大きくなり
　　　　　回転は速くなる。』
＊＊私の理解が未達であったのはこの点だ。「地球の自転の角速度が変化する」
　　　　　ことはないから、北極点に自分が立っていて，回転とは無関係な独立した台
　　　　　に乗っているとすれば、地球は右から左へ反時計周りに回転している。例えば
　　　　　北緯N 26°10'；回転半径5,724.2ｋｍの那覇と北緯>N 45°30'；
　　　　　回転半径4,470.4ｋｍの宗谷岬の経度方向の距離関係は不変である。
　　　　　つまり、北極点を回転中心とすれば、角速度は同じ値である。このことは、
　　　　　地軸からの距離「ｒ」に差があっても無関係という事になる。言い方を
　　　　　変えれば、２４時間経てば、地球上のあらゆる地点は同じ位置に戻ってくる。
　　　　　　ここで最も重要なのは「地球の角運動量保存」でなくて「空気団の
　　　　　角運動保存」を明確に文章で表現して無いと迷いが生ずる。「空気の
　　　　　流れの話をしているのであるから、そこまでくどく断らなくとも良い」とは言え
　　　　　明確化すべきだ。一方、空気の密度は１㎥辺り２０℃の時、約１.１ｋｇ(ｋｇ・ｍ－3）
　　　　　である。普通人間の感覚では体内と体外の圧力がバランスしているので重さを
　　　　　感ずることはないが、空気に対す地球の引力を考える時、外力が全く無ければ
　　　　　地表では角速度が同じ値で西から東に移動していることになる。つまり人間と
　　　　　空気は一体となって西から東に向かって移動していれば、人間は無風状態の中
　　　　　の感覚だ。そこで「何故西風が生じるのか？　地球の自転速度以上の速度で西
　　　　　から東に空気が移動するとは、どのような力が空気（団）にかかっているのかを
　　　　　理解しなければならないことになる。
　・（２）の説明で、「ｒ」は前表の「回転半径」に相当する。
　・（３）の説明で、「回転」の中身が重要な意味を持つことになる。「何処が回転中心か？」
　　　　　が明記されてないと疑問が生じる。これは「空気団の回転中心がハドレー循環域では
　　　　　回転半径に対して、半径が小さい方から大きい方へ移り「空気団ωの値が小さくなる」
　　　　　ので、赤道までは自転速度より遅くなり、北東からつまり地表に静止した人間の感覚は
　　　　　北東風と感じることになる。これはまさに「北東貿易風」である。
　　　　　そして、フェレル循環域では、地球の回転半径が大きい方から小さい方に
　　　　　空気が移動するので、空気の移動速度は空気団のωの値が徐々に大きくなり、その緯度
　　　　　での地表速度より空気団の角速度が大きくなる結果、地表にいる静止した人間の感覚は
　　　　　西からの風に感じるはずである。この風こそが「西風」なのだ。

　図２で地軸をNP～Ecとする。図は球を1／8に切り取った形状で（仮称・1/8球）、北緯23.5°の北回帰線（Bo-B3）北緯46°のフェレル循環域の北限線（Ao-A2）を示している。
　フェレル循環域は1/8球の右側のように、大気は地表で南から北へ進み、北緯46°付近で上昇し、上空１０ｋｍ付近でハドレー循環域の大気とぶつかり、その後は引きずられて南に下って行く。フェレル循環域では矢印の様に大気が動いている。
　ここで、フェレル循環域の地球表面B1～B3間の厚さ１０ｋｍの大気(幅は薄くて任意）はそのまま北に移動する。これは角運動量保存則から北緯46°付近まで北に移動するがB1～B3は、A1～A2より長いので、当然のことながら図の右、すなわち東にはみ出してしまう。このことが「西風」となってバランスが保たれることになる。
　更に詳しく角速度ωの面から見てみると、∠A1-O1-A2＝∠B1-O2-B2＝∠C1-O3-C2 は同じ値で、角速度は同じ。これを仮にω1とする。フェレル循環域の下端線上の、若干厚みを持った線分「B1-B3」が北に向かって移動すると、移動前の角速度ω1ではなくω2を保有したままずれたことになるので、このままA0-A2のフェレル循環域の上限線上では右（東）側にはみ出す。これは前記の角運動量「ｍｒ2ω」でみると、「ω1＜ω2、すなわち大きい値」に相当することは、保存則からすれば「ｒ」が小さくなることを意味する。すなわち「O2-B1＞O1-A1」であることを意味するので矛盾しない。
　３次元の現象を文章で説明するのは、いささか厄介であるが、筆者の「西風論議」は以上の通りである。
　ただ追記が必要なのは「基本的には西風が吹いているが、局部的には台風とかエルニーニョあるいはラニーニョとかややこしい現象と絡み合って、常に西風ばかり吹いている訳ではないし、高気圧の中心が上空にあれば無風状態になるが、いずれ東に移動する」。強いて言えば「偏西風」が纏まった西風と言えるのではないかと思う。

　　コリオリの力

　・「コリオリの力」という用語がある。フランスの数学・物理学者Coriolis が発見した現象で
　　　　「転向力」とも呼ばれている。インターネット検索で、この用語を調べてみると、様々な
　　　　説明がなされているが、定性的でぴったりする説明が少ない感じだ。
　　・　私の考えはでは「お互いに運動している２個の物体間を、どのような座標系から見たか？
　　　　で、その動きがあたかも外力で曲げられたように見えるか」というのがコリオリの力と
　　　　称する「見かけ上」のものだと思う。
　　・　「何故西風か？」の説明に、いきなりコリオリの力で説明されているものがあるが、
　　　　かえって素人には理解しにくい。例えば「北極点から赤道に向かってボールを投げたとする
　　　　と、西あるいは右に曲がるように見える」というのがある。私もそのように理解できるが、
　　　　むしろ「赤道上から北極点に向かってボールを投げた場合、どちらに曲がるか？」の説明
　　　　の方が現実的だ。台風に見立てることも可能だ。
　　・　ある説明では「東方向すなわち右方向」との説明で有るが、直ぐには納得しかねる。
　　　　なぜならば《デスク上に地球儀を置き、赤道上の一点から北極点にボールが投げられたと
　　　　仮想する。ボールは地球中心に対して一定角速度で、赤道上のある地点でスタートした
　　　　瞬間の子午線上、且つ北極点に向った場合にボールの軌跡を描いてみると、右に曲がった
　　　　ように見える》と思う。
　　・　一般に「北半球では右に曲がる論」が多い様な気がするが、「赤道から北極点に向かって
　　　　ボールを投げる説明例が見当たら無い」。しかし、これは不思議だ。「フェレル循環域で
　　　　西風が吹く理由を論じているので身近な，例えば台風が発生する地点からの説明の方が適切
　　　　ではないかと思う。
　　・　そこで「フェレル循環域の西風は《空気団が北へ移動し、空気団の角速度ωの値が移動前
　　　　と異動後で異なり、角運動量保存則で結果的に西風になる論》が正しいような気がする。
　　　　今後も検証してみたいと思う。
　　・　下表は「地球上の経度・緯度共ゼロの地点から北極点に向ってボールを飛ばした時、時間
　　　　経過と共にボールが地表上に投影する位置を緯度・経度で示したものである。但しボール
　　　　は引力・摩擦・空気抵抗等の影響は無く、地表面上の何の影響も受けず、等速度で飛んで
　　　　いくのと仮定する。
　　・　地球は２４時間で一周するが、経度・緯度共ゼロの地点を原点＝出発点とし、地球１周の
　　　　２４時間後に地球上のどの地点に到達するのかを表で確認する。
　　　　地球１周は３６０°故、１時間で経度は１５°ずれる。ボールは赤道上を出発し北半球から
　　　　南半球を経由する子午線を通り、２４時間で赤道上に戻ってくれば、やはり１時間に１５°
　　　　移動する。従って北極点まで６時間、更に北極点から赤道まで６時間で移動する。経度・
　　　　緯度共１時間で１５°毎移動することになる。という事は、地球中心に対するボールの
　　　　角速度は一定値で角速度は１５ deg/hr である。
　　　　　　　　　　表２：コリオリの力/ボールの軌跡

＊いろいろ図を描きながら思った。曲がり方は地球の角速度とボールの角速度によって変化することは解った。極端な場合「経度・緯度ゼロ地点からボールが投げられた時、地球が２４時間経過すればボールを投げた位置に戻る。そして、ボールが南北方向の子午線方向に”北極点”を通過し”南極点”をも通って一周した場合、ボールも２４時間かかったとすれば、地球以外の座標から見れば、その軌跡は直線状である。観測者の立位置によって、変わることは当然なので、表現に注意が必要だ。私の「コリオリの力」の理解力はこの程度なので、識者のアドバイスを戴ければ幸い。３次元の話は楽しい老化防止策だ。

　　黄砂＆・PM2.5・核分裂生成物

　長々と西風にこだわり書いてきた最大の理由はこの節にある。中国が「環境侵略を止め」
、真の大人の国に成らない限り、残念ながら現状如何ともしがたい。
　加えて，韓国や台湾が福島県産の海産物の不買運動だ。最大の理由は「福島の原発事故由来」
のものだ。両国とも，海産物取扱業者等は，販売競争に勝つため，日本産にケチをつけて自分達
の利益誘導に利用していると思われる。もっと科学的に，そして国際的な視点から放射線問題を
とらえねばならない。３.１１事故後，日本の週間ポスト(2011年7月22・29日号)が纏めた記事がある。
それには，それ以前に常任理事国がやってきた数百発に上る原爆の空中爆発実験による汚染の
バックグラウンドが異常である。この核分裂生成物；Fission Product を考えずに，超単眼的に
「福島・福島」と騒ぎ立てているのはまさに児戯に等しい。特に韓国は「日本に対してノーベル賞
も取得できないコンプレックスインフェリオリティーがある」せいか，矢鱈に騒ぎたてることしか
能がない。もっと科学的な眼を見開いて貰いたい。

１・黄　砂
　　　主として中国西部の砂漠あるいは砂漠化した土地で舞い上がった小さな砂塵が西風や
　　偏西風によって、東に運ばれてきている。多分中国の東北地方・北朝鮮・韓国を始め、
　　日本にも大迷惑な代物である。九州でも風景が霞む程の黄砂の飛来が確認されている。
　　　中国山西省近辺の黄土高原では古代に山々の緑があったとされていて、黄砂現象は少なか
　　ったかも知れず、前記の様に「春一番」でなくても飛来し、東日本の当地まで迷惑する
　　ようになった経験がある。中国山西省近辺の山々の緑を、文革時流行ったスローガン
　　「下定決心，不怕牺牲，排除万难，去争取胜利！」の気持ちで植林しなければならない
　　と真面目に考えたこともあった。ＮＰＯ「黄土高原環境・緑化計画」に枯れ木も山の賑い
　　程度の協力ではあったが、いくばくかは役に立てたのであろうか。この種の団体がゴマン
　　と有ったが、尖閣諸島問題以降尻すぼみになったのは残念至極であるが、世界２位の
　　ＧＤＰ国になり、南シナ海で海洋権益拡大に力点を置き、岩礁を種に埋め立て工事を進め、
　　海軍基地や飛行場建設する金があるならば即刻対処し、自国は勿論のこと他国に迷惑を
　　掛けない道徳感を持つべきである。政権保持のための軍拡に走っている
　　のは遺憾なことだ。そもそも『明時代に宦官・鄭和が帆船でマダカスカル島を往復した際、
　　干潮のタイミングで岩礁をチラリと見ただけで、住民が住んだこともない岩礁』を「古来
　　から中国の領土」としているだけではないのか？これは侵略国の象徴的事件だ。日本でも
　　似たような岩礁を囲ったことはあるが「戦略的な飛行場」までは建設していない。
２・ＰＭ2.5：Particulate Matter
　　　同じ市民大学の講義の中に「ＰＭ２.５とは何か」という講義があった。『大気中に浮遊する、
　　液体あるいは固体の微粒子をエアロソル(エアロゾル)という。そのうち、粒径２.５㎛以下のもの
　　をまとめてＰＭ２.５と呼びます。』と定義されている。私が設計者として働いていた当時を思い
　　出す「走査電子顕微鏡の写真付き」である。厄介なことには『粒径数㎛より大きく、０.０１㎛
　　より小さいものは、のどや気管などで付着して体外に排出される。粒径が約２㎛より小さい
　　粒子は、気管支から肺胞まで到達しやすく、一部は体内に入り込む。』という研究結果が
　　あり、一時期大問題になった『塵肺・珪肺・中皮腫・ぜんそく・肺がん』を引き起こす原因と
　　なり、決して侮れない対象物だ。
　　　これも中国で暖房に使う品質の悪い石炭や車のガソリンから由来していることが多く、西風に
　　乗って日本に飛来している。テレビ等で北京の様子が時折放映されるが、筆者が１１、１２月に
　　滞在した頃の北京の面影は全くない。「時代が違う」と言うものの国際的には由々しい問題だ。
　　金持ちになり、中国技術は素晴らしいと言う前に、一刻も早く解消のために自国の軍事予算を
　　回して対処すべきだ。
３・核分裂生成物
　　　別稿でも述べたが、１９６６年１２月２９日、中国新疆ウイグル地区で第５回目の空中爆発
　　原爆実験を行った。このため北京出張から香港経由での帰国が年内にはできなかった。
　　それ以降も何回か空中爆発実験を行ったようであるが、その他の国連常任理事国が行ってきた
　　実験から生じた核分裂生成物も西風に乗って地球上のフェレル循環域を浮遊しており、一部は
　　地上に落下している。自然放射能に上乗せしていても、知らぬ顔の半兵衛を決め込んでいること
　　は許しがたい暴挙と言わざるを得ない。
　　　2011年3月11日，東日本沖で震度７（Ｍ９）の大地震があり，福島第一原子力発電所の４基
　　（すべて基本設計不良の沸騰水型原子炉）が大事故を起こした。この時に発生した各種の放射性
　　物質が大気中に放出された。このことは大問題であるが，国連の常任理事国が過去に行って
　　きたことによる大気圏中の放射線レベルと比較すると，瞬間的には確かに増えたが，過去の
　　バックグラウンドに比較するとチェルノブイリの１/ 10 程度と思われる。このことによる風評
　　被害の方が遙かに大きい感が深い。特に韓国・台湾の漁業関係は競争相手を叩くため，非科学的
　　で近視眼的な頭の持ち主の国である。
　　核保有国としては隠しておきたいデータなので，なかなか目に触れることができないのは
　　至極残念である。
　　

　　　　　　　　　　　　図６：核分裂生成物の降下量　　　＜週刊ポスト記載のグラフ＞

元　　素	元　　素
Sｒ ストロンチウム	Cs セシウム

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　　あとがき

　あとがき

　市民大学は毎年４～５講座が６月から１１月にかけて１０回の講義があります。過去にも２回受講したことがあります。どの講座も興味深く老化防止に大いに役立っています。受講者は高齢者が多い様です。
　受講希望者は毎年多く、過去に何度も抽選に外れましたが、今回は久々に受講の機会を得ました。学長は「ひたちなか市・本間源基市長」、今回の講師は「茨城大学理学部・北　和之教授」でした。充実したカラー入りの講義録で、中にはクイズ形式の質問があり、若干の緊張感を持って受講できました。一番前の席に陣取り，欠席無し、老齢と毎回早めの教室入りを認められて？修了証書を戴く代表にも選ばれました。有難うございました。

　黄砂・ＰＭ２.５・核分裂生成物の飛来を防ぐには、対処療法として「西風を東風に変える」、つまり地球の自転を東から西へ変えなければなりませんが、これでは多分銀河系の破滅に繋がるでしょう。こんなことは不可能です。人知を尽くして、発生国が努力せねばなりません。大国が何時の日にか真の大人の国に成れるのでしょうか。長江・黄河の「百年河清を待つ」・・・これは不可能を意味しますので、泣き寝入りするより方法がないのでしょうか？

　　ご感想をお寄せください。

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　　略歴と年表

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[20160505>20160525>20160602>20160621yxy]