気象学入門：イントロダクション

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気象学入門

１．イントロダクション

北海道大学・環境科学院

藤原正智

http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/

1

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気象学入門：講義内容

• 「天気」に関するさまざまな現象を、図や写真

などを見ながら学ぶ

• 「気候とその変動」に関するさまざまな話題

（オゾン層破壊、地球温暖化など）を、図や写

真などを見ながら学ぶ

• 気象予報士？

• 「気候変動を科学する」、「地球惑星科学II」

₂

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気象学入門：講義内容

• イントロダクション（

10月3日）

• [10月17日：カナダ出張のため休講]

• 日本の四季（

10月24日）

• 身近な気象現象（

10月31日）

• 日本付近の地上天気図＜演習＞（

11月7日）

• 熱帯・極域の気象現象（

11月14日）

• 気象観測ネットワーク（

11月21日）

• 天気予報のしくみ（

11月28日）

3

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気象学入門：講義内容

• 気象と歴史（

12月5日）

• [12月12日：米国出張のため休講]

• オゾン層破壊の科学（

12月19日）

• 海洋学事始（

12月26日）

• 東日本大震災と気象学（

1月16日）

• 気候変動（

1月23日）

• 地球温暖化の科学（

1月30日）

• 地球温暖化の影響と対策（

2月6日）

10/17(月): カナダVictoria出張のため休講

12/12(月): 米国San Francisco出張のため休講

4

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気象学入門：成績評価など

成績評価

• 毎回最後にミニレポート（出席の確認にも使用します）

• レポート課題（

1回）（2月頭〆切予定；内容は年末（12月末）

頃に予告します）

参考図書

• 話題に応じてその都度紹介

講義資料：

http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/edu/kishou2016/

（欠席時は、資料を読んでミニレポートを後日提出してください）

5

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6

http://www.jma.go.jp/jma/index.html

台風情報について

×印：現在の台風の中心位置

赤太線：暴風域（風速（

10分間平均）が25m/s以上）

白破線：台風中心の予報円（

70%確率）

赤細線：暴風警戒域

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地球大気の概観と気候の形成

太陽系第

3惑星・地球

(8)

“Earth Rise” : December 1968, Apollo 8

月（38万km）上空から見た地球（アポロ8号：初の月周回）

―写真右上より太陽光 <http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html>, <http://www.skyimagelab.com/ap8earris.html>

宇宙から見た地球の特徴は？

•巨大な衛星、月の存在

•大気の存在（青色部）

•H

_２

Oの雲の存在（白色部）

cf.月面

•広大な海洋（液体の

H

₂

O）の存在

•大陸とプレートテクトニクス

•強い磁場の存在（内部に液体鉄）

•酸素（O

₂

）主成分の大気

•オゾン（O

₃

）層の存在

•生命の存在/人類・知性の存在

8

(9)

1997年8月台風“Winnie” （スペースシャトル Discovery、高度300～500 km）

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html

地球半径：

6370 km

対流圏の厚さ：

～

10 km

大気圏の厚さ：～

100 km

海洋の平均水深：～

4 km

（cf. 北海道：～400 km×400 km） 9

(10)

（

2000年4月、ベトナム・ラオス・カンボジア国境付近、旅客機（高度約10km）より撮影）

対流圏界面

対流圏

成層圏

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大気の温度構造

（小倉義光著、一般気象学、東京大学出版会）

［熱圏］

数

100kmにわたり極めて高温（分子運動活発）

ただし、空気は希薄（気圧極低）

電離層の存在、

オーロラ

の存在

（太陽からのプラズマ粒子が大気分子に作用）

［成層圏・中間圏］

オゾン層が存在し太陽紫外線を吸収

 気温極大層を形成

・雲は基本的には存在しない

・対流活動がない代わりに波動活動あり

・火星や金星にはオゾン層がない

気温極大層ない

（ジャンボジェット機～

10-11 km）

［対流圏］

気温減率～

6℃/1 km

鉛直対流運動活発

 雲（積乱雲）が存在

（0℃＝273K） 11

(12)

（北海道大学大学院環境科学院編、オゾン層破壊の科学、北海道大学出版会）

地球大気の成分

大気の主成分：

N

₂

（

78.084%）、O

₂

(20.946%)：

長波放射（赤外線）と相互作用しない

大気の微量成分：短波放射・長波放射と相互作用する、化学反応する

（紫外線・可視光線・近赤外線） 0.01 0.1 12

(13)

地球の気候を決める要素

どのような物理的・化学的過程が

かかわっているのだろう？

（北海道大学大学院環境科学院編、オゾン層破壊の科学、北海道大学出版会）

温室効果の図

13

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(J. Williams, The Weather Book, 1997)

地球の自転と公転

放射（光・電磁波）の観点：

昼と夜（１日）、春夏秋冬（１年/季節）

力学の観点：

コリオリ力・遠心力（渦巻運動等）、潮汐（海洋、大気）

1 day （太陽で測る1日、1年平均）= 24 h

1 sidereal day （恒星で測る1日、春分点）= 23 h 56 m 4.090530833 s

太陽地球間距離：

1.52×10

8

_km

1.47×10

8

_km

http://ja.wikipedia.org/wiki/ (自転) 14

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(μ=10-6_{, T=10}12_{, G=10}9_{, M=10}6_{, k=10}3₎

短波放射（太陽放射）と長波放射（地球放射）

• 放射＝光＝電磁波：

真空中を光速約

3x10

8

m/sで進む電磁波。波動性と粒子性（“光子”）の二面性を持つ。

波長により名称・利用法等が異なる

• プランクの法則

物体は自分自身の温度に対応した光・放射（波長・エネルギー）を出す

（色（＝波長）で温度が分かる、高温ほど短波長）

＜例＞太陽（恒星）、白熱電球

：紫外線～可視光線～近赤外線

人間、動植物、地球大気・地表：赤外線

宇宙背景放射（

3K）

ビッグバンの名残り

：マイクロ波（～

1mm、～300GHz）

（１９世紀末、鉄鋼業の発展（溶鉱炉）やエジソンによる白熱電球の発明）例： X線（レントゲン）、紫外線（日焼け）、紫外・可視・近赤外（太陽光）、赤外線（暗視カメラ、地球放射）、マイクロ波（電子レンジ）、電波（テレビ、ラジオ、携帯電話（800MHz, 1.5GHz, . . .）） 15

(16)

短波放射（太陽放射）と長波放射（地球放射）

地球大気・地表系のエネルギーの源は太陽からの光である

太陽放射（短波放射）：太陽表面温度

5800K （0℃＝273K, 5800K～5500℃）

紫外線（

<0.36μm）（μ=10

－6

_）

_：

O

3

層などにより吸収

可視光線（青：

0.48μm、緑：0.53μm、赤：0.7μm）： O

₂

や

N

₂

等により一部散乱

他は地表を暖める

近赤外線（

1～5μm）

：

H

₂

Oなどにより一部吸収

他は地表を暖める

地球からも宇宙へ光の形でエネルギーを捨てることで、

エネルギー収支を保っている（温度をほぼ一定に保っている）

地球放射（長波放射）：地表・大気温度

200～300K

赤外線（

5～100μm）：温室効果ガス（H

₂

O, CO

₂

, O

₃

, . . .）により吸収・射出

下向き射出分の一部が再度地表を暖める（温室効果）

16

(17)

・短波放射エネルギーのうち：

3割：雲・大気・地表面により宇宙へ反射（“散乱”）

2割：大気（微量）成分（

O

₃

、H

₂

O、雲、塵・ダスト・エアロゾル粒子

）により吸収（大気を加熱）

5割：地表面に到達し地表面を加熱する

・大気微量成分（ H

₂

O、CO

₂

、O

₃

、CH

₄

、N

₂

O、フロンなど）や雲やエアロゾル：

赤外線を吸収・射出する性質（温室効果＝赤外線閉じ込め効果）を持つ

 大気からの下向き長波放射も地表面を加熱（短波放射の2倍の加熱量！）

 地表温は大気がない場合よりも昇温している（－20℃  ＋15℃）

地球大気・地表系のエネルギー収支

（地学図表、浜島書店） 17

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大気分子による太陽光散乱

 “レイリー散乱”過程

・強度は波長の4乗に反比例

・赤い光よりも青い光の方が

5倍近く強く散乱される

雲粒子による太陽光散乱

 “ミー散乱”過程

・波長依存性弱い

 白色

2004年12月ミクロネシア連邦・チューク（熱帯西太平洋、グアムの南、北緯7度） 1996年9月イタリア・ヴェネツィア（運河都市、迷路の街）

大気による太陽光の散乱と空の色・雲の色

18

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温室効果：大気分子による赤外線閉じ込め効果

• 3原子以上の分子（H

₂

O、CO

₂

、

O

₃

、

CH

₄

、

N

₂

O、CFCなど）は、振動・回転状態の

遷移に伴い、固有の波長の赤外放射を吸収・射出する性質を持つ

• 地表から出た赤外放射は、大気中の上記分子に吸収・射出を受け、一部は地表を

再度暖める（温室効果）

結果的に地表温は大気がない場合よりも上昇している。

“空気塊”の図

CO

₂

：

15μm帯

O

₃

：

9.6μm帯

H

₂

O ：

6.3μm帯、回転帯（>10μm）

（北海道大学大学院環境科学院編、オゾン層破壊の科学、北海道大学出版会） 19

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オーロラ（極光）

“

Aurora Oklahoma”

“

Dueling Auroras” (Yukon, Canada)

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html 高度：最頻110 km、400～700 kmあたりまで地域：両極地方の磁気緯度65～70度付近で最頻（“オーロラ帯”）色：酸素原子の緑（557.7 nm）、電離窒素分子の青（427.8 nm）、酸素原子の赤（630.0 nm）オーロラ帯においては、緑色の“カーテン”オーロラ太陽活動度（11年周期；2013年前後に極大だったが以前と比べて低い）が高い時には、北海道（陸別町）でも（ぼんやりとした）赤いオーロラが見える 20

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オーロラ（極光）

http://pansy.nipr.ac.jp/members/kaoru/Doc/KidsScience/ http://www.nipr.ac.jp/japan/ [  http://www.nipr.ac.jp/ ] 南極昭和基地上空を舞うオーロラ（魚眼レンズにて撮影）南緯69.0度、東経39.6度、インド洋側の東オングル島（沖合い4 km）磁気緯度も南緯70度程度でありオーロラ帯の真下に位置する 1957年建設、以降、測地・地質・氷床・氷床コア・海洋・気象・オーロラ・隕石・陸上/海洋生物・医学等、様々な研究調査。現在第57次隊。 21

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オーロラ（極光）

“

Aurora from Space”

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html 国際宇宙ステーション（カナダ上空；高度330～480 km）から見たカーテンオーロラ

（手前の円地形はカナダ北部のManicouagan Impact Crater）

International Space Station (ISS、国際宇宙ステーション) アメリカ、日本、カナダ、ヨーロッパ各国、ロシアの共同計画各種実験研究を行う有人施設 1984年米国提案 1998年建設開始 2009年日本実験棟「きぼう」完成 22

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http://www.archive.org/details/CIL-10076 (2016.9.23 accessed) （コンピューター・アニメーション） (“Magnetic Fields” by NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

1. 太陽風（黄色）は電荷を帯びた希薄な気体（プラズマ）で、太陽表面から常時400km/s程度の高速で噴き出している 2. 太陽風が地球磁気圏（青線が磁力線を表す）に衝突すると、次々と磁力線のつなぎ替えが生じる 3. この時巨大な電流が生じて電離層が加熱され、イオン化した酸素原子（緑色）が高速で（地球の重力を振り切って）宇宙空間へ排出される 4. しかし、地球磁場に捕捉されているため最終的には地球を囲むような高温のプラズマ雲（赤色）を形成する（青いドーナツ状の領域は、高速プラズマ流を表す） 5. 極域のリング状の“火”は、このようなプラズマ粒子によるオーロラの形成を示す 23

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