風はなぜ吹くのか：気圧、コリオリ、そして地球規模の循環

1735年の夏、カナリア諸島の西のどこかで、一隻の木造のブリッグ船が安定した東風を受けて西へと進んでいた。風は決して気まぐれを起こさないように見えた。それは二世紀にわたってイベリア、オランダ、イングランドの船を大西洋の向こうへと押し進めてきた同じ貿易風であり、大航海時代の信頼できるベルトコンベアだった。船長はこの風を当てにして航海を計画できた。なぜならそれは常にそこにあり、来る日も来る日もほぼ同じ方角から吹き続けていたからだ。

その同じ年、ロンドンでは、ジョージ・ハドリーというクエーカー教徒の弁護士でアマチュアの自然哲学者が、王立協会の前に立ち、短い論文を読み上げた。彼はその中で、この風は決して気象の偶然などではないと論じた。彼の主張によれば、それは惑星全体を包み込む巨大な循環の地表側の腕であり、太陽の熱に駆動され、地球の自転によって曲げられたものだった。あの一隻のブリッグ船の背を押す風は、半球ほどの大きさをもつ機械の、目に見える一本の糸にすぎなかった。では、なぜ風は吹くのか、そしてなぜそこで、そのように吹くのか。

空気は常に気圧の坂を転がり落ちている

複雑さを取り払ってしまえば、風は単純なものだ。それは気圧の高いところから低いところへと流れる空気である。この流れを駆動する力は気圧傾度力と呼ばれ、それはちょうど水が坂を下って流れるのと同じように働く。坂が急であるほど、動きは速くなる。大気の二つの領域の気圧差がわずかなところでは、風はおだやかだ。差が大きく、それが短い距離に詰め込まれているところでは、風はうなりをあげる。

次の問いは、そもそもその気圧差がどこから生まれるのかということであり、その答えは太陽の光だ。太陽は地球を不均一に温める。赤道は一年を通してほぼ正面から太陽の光を受けるが、極地は同じ光線を浅い角度ではるかに広い面積に薄く塗りつけられて受け取る。地表近くで温められた空気は膨張するので、暑い地面の上にある空気の柱はより大きな高さを占め、冷たい地面の上の柱とは違ったかたちで押し下げる。不均一な加熱は、地表の各平方メートルの上に立つ空気の柱の不均等な膨張を生み、不均等な膨張は気圧差を生み、その気圧差を風が消し去ろうとするのだ。いわば、太陽は絶えずテーブルを傾け続け、空気はその上を滑り続けている。

惑星の自転が、動くものすべてを曲げる

もし気圧がこの物語のすべてだったなら、風は高気圧から低気圧へとまっすぐに吹き、それで話は片づくだろう。だがそうはならない。その理由は、風が吹いていく地表が回転しているからだ。地球は二十四時間ごとに一度、東向きに自転しており、回転する球面の上では、地表を自由に動くどんな物体もまっすぐな経路から逸れて曲がるように見える。北半球では運動方向の右側へ、南半球では左側へとそれは逸れる。

この見かけの曲がりがコリオリ効果であり、1835年にその数学を導いたフランスの技師で数学者であったガスパール=ギュスターヴ・ド・コリオリにちなんで名づけられた。風を理解するうえで重要なのは、この効果の二つの特徴だ。第一に、その強さは緯度に依存する。それは赤道でゼロ、極で最大に達するので、同じ風でも熱帯ではほとんど偏向を感じず、高緯度では強い偏向を受ける。第二に、それは惑星を横切って持続的に自由運動するものすべてに作用するのであって、空気だけではない。だからこそ海流や長距離砲弾の弾道もまた押しやられる。コリオリ効果がなければ、風は高気圧から低気圧へとまっすぐに走るだろう。それがあるからこそ、流れはねじれて、私たちが実際に地表で観測するあの大きく湾曲したパターンになる。そしてハドリーが思い描いたブリッグ船を運んだ貿易風は、まっすぐな押しではなく、曲げられた押しになるのだ。

ハドリーの環と熱帯のエンジン

ハドリーの貢献は、熱帯の風を一つの環の一部として見たことだった。1735年の論文で彼は、赤道沿いの強烈な太陽加熱が各半球に一つの巨大な対流回路を駆動すると提唱した。暖かく湿った空気が赤道沿いで上昇し、下層大気の頂上まで昇り、極へ向かって広がる。移動するにつれて空気は冷えて密度を増し、緯度三十度あたりで地表に向かって再び沈み込む。そこで向きを変えて地表近くを赤道へ向かって流れ戻り、その際に地球の自転がそれを西向きに曲げ、ヨーロッパの帆船を大西洋の向こうへと押し進めた安定した東風の貿易風を生み出す。

この回路がハドリー循環であり、それは大気がもつもののなかで、一枚の紙に描けるような熱機関にもっとも近いものだ。赤道での熱の流入、上昇、上空での極向きの流れ、亜熱帯での沈降、そして貿易風へと曲げられた地表の戻りの流れ。先の節で述べた二つの力が、ここでは同時に見てとれる。気圧傾度力が空気を持ち上げて循環させるのは、赤道が暑くて地表気圧が低く、亜熱帯が涼しくて気圧が高いからだ。そしてコリオリの偏向が、戻ってくる地表の流れを、まっすぐな北向きや南向きの流れではなく東風へと曲げる。同じ組み合わせは、はるか上空にも再び現れる。そこでは下層大気の頂上近くの最も鋭い温度差が、惑星上で最も速く、最も集中した風を駆動している。

三つの循環、三つの風帯

ハドリーは熱帯については正しかったが、一つの環だけでは極まで届くことはできない。この絵は1856年にアメリカの気象学者ウィリアム・フェレルによって完成された。彼は各半球にさらに二つの循環を加えたのだ。その結果が三循環モデルである。赤道から約三十度まで広がるハドリー循環、約三十度から六十度までのフェレル循環、そして六十度から九十度までの極循環。これらの循環は歯車のように噛み合い、一つの循環の沈降する枝が次の循環の上昇する枝に空気を送り込むので、半球全体が赤道から極まで隙間なく敷き詰められる。

それぞれの循環は、その下の地表に特徴的な風を刻みつける。ハドリー循環の下では東風の貿易風が吹く。フェレル循環の下では中緯度の卓越偏西風が吹く。極循環の下では極偏東風が吹く。これら三つの風帯は地域的な気まぐれではない。それらは地球規模の循環の地表に現れた署名であり、それを生み出す物理がどこでも同じであるために、すべての海洋と大陸でほぼ同じ場所に現れる。このモデルは理想化であり、雑然とした惑星の上に重ねられたきれいな図にすぎないが、それでも空気が世界をめぐって動く様子の骨格をとらえている。

なぜ緯度が気候を決めるのか

それぞれの循環が特定の地表風と特定の気圧の特徴を生み出すために、三循環の循環は惑星全体の気候を、赤道と平行に走る帯へと組織する。ある場所の緯度を知るだけで、それ以外に何も知らなくても、その天候について驚くほど多くのことがわかる。そしてその理由は、頭上にある循環なのだ。

二つの帯がこのことを鮮やかに示している。両半球の緯度三十度あたりでは、ハドリー循環の空気が下降している。沈み込む空気は圧縮されて温められ乾燥するので、雲と降雨が抑えられる。そして世界の大きな砂漠が連なっているのは、まさにこの下降する枝に沿ってなのだ。サハラ砂漠、アラビアの砂漠、アメリカ南西部とオーストラリアの砂漠、これらはすべて三十度付近に集まっている。対照的に緯度六十度あたりでは、冷たい極の空気が寒帯前線に沿って暖かい中緯度の空気と出会う。そしてこの衝突地帯こそ、世界の主要な暴風雨の通り道が居を構える場所であり、中緯度に移ろいやすく荒れ模様の天候をもたらす低気圧系の行列を生み出している。三十度に砂漠、六十度に暴風雨。その地理は循環から導かれるのだ。

貿易風と卓越偏西風は、それ自体に少しの時間を割く価値がある。なぜなら、この二つを混同することは、大気地理学全体のなかで最もよくある誤りだからだ。どちらも地表風だが、それらは異なる循環に属し、反対の方向に吹き、二つのまったく異なる海洋世界を築いた。貿易風は熱帯を東から吹き、偏西風は中緯度を西から吹く。帆船はこの両方を利用し、低緯度では往路に東風の貿易風に乗り、高緯度では復路に偏西風をつかまえた。大航海時代の大きな交易路が海洋を横切るまっすぐな線ではなく巨大な環を描いているのは、そのためである。

ジェット気流と、整った模型の限界

これらの循環には、はるか下の天候を形づくる高空の対の片割れもある。循環どうしの境界、すなわち高度九から十二キロメートルあたりの圏界面にある下層大気の頂上付近では、境界を挟んだ温度の差が最も鋭くなり、温度勾配が最も急なところでは風が最も速くなる。その結果がジェット気流であり、高速の偏西風が作る細いリボンである。寒帯ジェットは六十度付近を、亜熱帯ジェットは三十度付近を走り、どちらも時速二百から四百キロメートルに達することがある。それらは本質的にすべての中緯度の気象系の進路を操る。だからこそ予報官はそれらを注意深く見守っているのだ。

二つの注意点が、この絵を誠実なものに保ってくれる。一つ目は有名な俗説に関わる。コリオリ効果は確かに風や海流や砲弾を曲げるが、浴槽の排水口や流すトイレで水がどちら向きに渦を巻くかを決めはしない。流しほどの規模では、その効果は水盤の形状、排水口の形、そして水が到着したときにどう動いていたかによって完全に飲み込まれてしまう。浴槽の話が生き残っているのは、方角を割り当てた版が記憶に残りやすいからにすぎず、規模を小さくしたときに物理が成り立つからではない。二つ目の注意点はもっと広い。三循環モデルは理想化であって、写真ではない。実際の大気は、陸と海の不規則な配置によって、貿易風が出会う熱帯収束帯の季節ごとの南北移動によって、陸と海が温まり冷える速度の違いに駆動されるモンスーンによって、そしてエルニーニョやインド洋ダイポールのようにシステム全体を変調させる年ごとの揺れによって、寸断されている。これらの循環は天候がぶら下がる骨組みであって、天候の完全な記述ではないのだ。

重要なポイント

風とは、気圧傾度力のもとで高気圧から低気圧へと流れる空気である。この力が存在するのは、太陽が地球を不均一に温め、不均等な加熱が場所ごとに空気の柱を異なるかたちで膨張させるからだ。そして回転する惑星が、その流れをコリオリ効果によって偏向させる。北半球では右へ、南半球では左へ、赤道ではゼロ、極で最強となる。ジョージ・ハドリーは1735年に熱帯の環を素描し、ガスパール=ギュスターヴ・ド・コリオリは1835年に偏向の数学を導き、ウィリアム・フェレルは1856年に三循環の絵を完成させた。こうして各半球はハドリー循環、フェレル循環、極循環をもつことになり、それらが貿易風、卓越偏西風、極偏東風を生み出し、圏界面付近の循環の境界に沿って高速の偏西風ジェット気流が走る。これらの帯は、なぜ砂漠が三十度付近に集まり暴風雨の通り道が六十度付近にあるのか、なぜ貿易風と偏西風が反対の方向に吹くのか、そしてなぜ緯度が気候のこれほど強い予測因子となるのかを説明する。しかしこのモデルは理想化であり、陸、海、移動する熱帯収束帯、モンスーン、そしてエルニーニョのような周期がすべてそれを複雑にしている。そして俗説に反して、それは流れ落ちる流しの渦を支配しはしないのだ。