大気循環

地球の大気循環：複雑な熱輸送システム

地球の大気は、絶え間なく動いています。一見ランダムに見える大気の流れですが、地球規模で長期的に見ると、規則的な大規模な循環パターン、すなわち大気循環が形成されています。この循環は、太陽からの熱供給の不均一性が原動力となっています。

太陽放射と地球放射：熱輸送の必要性

太陽からの熱（太陽放射）は、赤道付近で最も多く、極地方に向かうにつれて減少します。一方、地球から宇宙へ放出される熱（地球放射）も緯度によって変化しますが、太陽放射ほど大きな差はありません。この結果、低緯度では入ってくる熱の方が多く、高緯度では出ていく熱の方が多くなります。もし熱の輸送がなければ、低緯度は灼熱地獄となり、高緯度は極寒の世界となるでしょう。しかし、実際はそうはなっていません。海流、大気の流れ、そして水蒸気などによる潜熱輸送が、低緯度から高緯度への熱輸送を担っているからです。

大気循環の主要なパターン

大気循環は、大きく3つの循環セルと、東西方向の循環から成り立っています。

1. ハドレー循環：熱帯の熱を中緯度へ

赤道付近の熱帯収束帯（ITCZ）では、暖められた空気が上昇し、上空で中緯度に向かって移動します。この空気は次第に冷やされ、北緯・南緯約30度付近で下降します。下降した空気は地表付近を貿易風としてITCZへと戻り、閉じた循環を形成します。これがハドレー循環です。地球の自転の影響（コリオリの力）により、貿易風は北半球では北東風、南半球では南東風となります。ITCZの位置は季節によって変化し、熱赤道と呼ばれることもあります。ハドレー循環は、直接的に熱帯の熱を高緯度へ運ぶ「直接循環」です。

2. フェレル循環：中緯度の複雑な熱輸送

ハドレー循環と極循環の間にある中緯度（約30～60度）では、フェレル循環が働いています。これは、ハドレー循環からの下降気流と極循環からの上昇気流によって生じる二次的な循環です。フェレル循環は、偏西風波動と呼ばれる大気の流れの蛇行によって熱を輸送します。この波動は、低緯度の暖かい空気と高緯度の冷たい空気を混合することで熱輸送に貢献します。熱の輸送は南北方向の循環ではなく、水平方向の波動による熱輸送が主となります。これは「ロスビー循環」と呼ばれます。偏西風はジェット気流として知られ、亜熱帯ジェット気流と寒帯前線ジェット気流が存在します。

3. 極循環：極地の寒冷な空気

極地方では、寒冷な空気が下降し極高圧帯を形成します。この空気は極東風として低緯度に向かって流れ、上空では高緯度から極地に向かって風が吹くことで閉じた循環を形成します。極循環は、ハドレー循環やフェレル循環に比べて規模が小さいです。

4. 中層大気の循環：ブリューワー・ドブソン循環

対流圏上空の中層大気（成層圏、中間圏）では、ブリューワー・ドブソン循環が重要な役割を果たしています。この循環は、成層圏オゾンの生成に深く関わっています。

5. 東西方向の循環：ウォーカー循環とエルニーニョ現象

太平洋では、ウォーカー循環と呼ばれる東西方向の循環があります。赤道付近の暖かく湿った空気が西太平洋で上昇し、東太平洋で下降する循環です。この循環は、西太平洋と東太平洋の海水温差を生み出します。ウォーカー循環が何らかの原因で弱まると、東太平洋の海水温が上昇し、エルニーニョ現象が発生します。エルニーニョ現象は、大気と海洋の相互作用による異常気象を引き起こす大きな要因となります。

結論

大気循環は、地球上の熱輸送を担う重要なシステムです。ハドレー循環、フェレル循環、極循環、そしてウォーカー循環といった様々な循環パターンが複雑に絡み合い、地球全体の気候を調節しています。これらの循環の理解は、気象予報や気候変動研究において不可欠です。

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