高校地学基礎 大気の大循環—緯度別の熱収支と風の帯をつなげて読む｜武蔵野個別指導塾

偏西風の名前と矢印を照らし、低緯度の熱の余りと高緯度の不足を自作資料で計算します。ハドレー循環を上空と地表の流れに分けて説明する練習も用意しています。

よくあるのは、偏西風という名前から、高校生が風は西へ吹くと読む場面です。風向は吹いてくる方角で表すので、西から東へ向かう風が偏西風です。矢印の先と名前の関係を取り違えると、風帯の図全体が反対になります。まず学校の範囲表と授業ノート、ワーク、小テストの該当箇所を確かめ、授業で扱った図に緯度と方角を書き入れてみましょう。ここでは風の帯と熱の移動を扱い、力学方程式は使いません。

何を手掛かりに問われるか

出方の1つは、風帯の名前と矢印を対応させる問題です。赤道側から極側へ並ぶ帯を読み、貿易風、偏西風、極東風を選びます。北半球と南半球を混同せず、東西方向と南北方向を別々に見ることが要点です。名前だけでなく、矢印の根元と先を示せるかを確かめます。

もう1つは、緯度帯ごとに受け取る熱と外へ出す熱を比較する資料です。低緯度では受け取る分が多く、高緯度では出す分が多いという傾向を読み、その差と熱輸送を結び付けます。比較するのは同じ期間、同じ領域の出入りです。差があることと、熱がどちらへ運ばれるかは別の問いなので、順に答えます。

記述では、赤道付近の上昇、上空の流れ、亜熱帯付近の下降、地表付近の戻りをつないで説明する型もあります。図を暗記したつもりでも、地表の風と上空の流れを同じ高さに描くと輪が閉じません。答案には高さと向きを入れ、熱収支の説明に戻れるようにします。

熱の差から風の帯へ

太陽から受け取るエネルギーと宇宙へ出ていくエネルギーの差は、緯度によって一様ではありません。年平均で見ると、低緯度には受け取る分が出る分を上回る傾向があり、高緯度にはその逆の傾向があります。差をその場所に積み重ねるままではなく、大気や海洋が低緯度から高緯度へ熱を運ぶことで、地球全体の熱の偏りが緩和されます。これは長い時間で平均した見方で、毎日同じ風が同じ強さで吹くという意味ではありません。

図1のように、ハドレー循環は赤道付近で空気が上昇し、上空を高緯度側へ流れ、亜熱帯付近で下降し、地表付近を赤道側へ戻る循環として表せます。実際の大気は季節や陸海の違いで変動しますが、模式図では主要な流れを取り出します。上昇域と下降域を先に置くと、上空と地表の矢印の向きを逆にしにくくなります。

図1の矢印は北半球側の南北断面を表し、地球表面の距離や循環の高さを縮尺どおりに描いたものではありません。赤道付近で温められた空気が上昇し、上空では極側へ向かいます。下降後に地表付近を赤道側へ戻る流れは、地球の自転の影響を受けて向きが曲がります。北半球では進行方向の右、南半球では左へ曲がる向きに働く影響を考えます。

地表付近の卓越風は、低緯度の貿易風、中緯度の偏西風、高緯度の極東風に整理できます。貿易風は北半球では北東から南西へ、南半球では南東から北西へ吹く傾向です。偏西風は西寄りから東寄りへ、極東風は東寄りから西寄りへ吹きます。風帯は平均的な傾向であり、個々の地点の風向が常に一定という意味ではありません。偏西風の「西」は行き先でなく、吹いてくる側を指します。

緯度帯の境目は季節などによって移動し、地表付近の風も日々変化します。図の帯を固定した境界線と考えるより、平均してどの向きが卓越するかに注目しましょう。資料に北半球だけが示されていれば、その図だけから南半球の矢印まで読み取ったことにはなりません。

風の矢印が斜めなら、まず東からか西からかを見ます。次に、赤道側からか極側からかを見ます。東西成分が同じでも、半球によって南北成分は変わり得ます。図に北と東を明記すれば、紙を回して見たときにも方位と矢印を混同せずに済みます。

基本例題：風向と熱の差を読む

次の自作モデルは北半球の年平均を単純化したものです。低緯度帯では同じ期間に受け取る熱を80単位、宇宙へ出る熱を50単位とし、中緯度帯の地表付近には西から東へ向かう風が卓越するとします。実測値ではありません。低緯度帯の受け取る熱から出る熱を引いた差を単位付きの整数で求め、この風の名前と、熱を運ぶ大まかな方向を答えてください。

図2のように、まず熱について同じ期間の入りと出を対応させます。風の矢印は熱の輸送量を表すものではなく、別の条件として示しています。

図2の低緯度帯の差は、入りから出を引くので次のようになります。

80単位 − 50単位 = 30単位

正の30単位です。出る量より入る量が30単位多い、という意味です。検算では、出る50単位に差の30単位を加えると80単位となり、条件の入りに戻ります。50単位を80単位から引く順序が逆だと、過不足の符号も反対になるので注意します。

風は西から吹いて東へ向かっています。風向は出発側で呼ぶので西風であり、中緯度の卓越風としての名前は偏西風です。矢印の先の東を名前に使うのではありません。熱は大まかに低緯度から高緯度へ運ばれます。ただし、提示された偏西風の東向きの矢印だけから、極向きの熱輸送量を算出することはできません。風向を読む情報と熱の差の情報を分けて使います。

答えを条件に戻すと、名前にある西は矢印の根元と一致し、風の進行先は東です。熱の差は入りと出の両方に戻して照合しました。熱の収支を示す矢印と風向を示す矢印が同じ図にあっても、何を表す線かを確認することが資料読解の第一歩です。

応用例題：不足と輸送を結ぶ

ある自作モデルでは、北半球の低緯度帯は同じ期間に熱を90単位受け取り、60単位出します。高緯度帯は40単位受け取り、65単位出します。両帯の差をそれぞれ「受け取る量 − 出す量」で整数と単位を付けて求め、低緯度帯から高緯度帯への熱輸送がそれぞれの差にどう働くかを説明してください。このモデルでは、数値は比較の条件であり、現実の観測値ではありません。帯の境界を越える熱の量は与えていません。

低緯度帯は90単位 − 60単位 = 30単位です。正なので、入りが出より30単位多いと読めます。高緯度帯は40単位 − 65単位 = -25単位です。負なので、出が入りより25単位多いと読めます。確かめると、60単位に30単位を加えれば90単位、65単位に-25単位を加えれば40単位です。どちらも元の入りに戻ります。

分かれ目は、差の符号と輸送量を区別できるかです。低緯度帯から熱が出て高緯度帯に入れば、前者の余りと後者の不足を小さくする方向に働きます。しかし、提示した2帯の差が30単位と-25単位であることだけから、両帯の間を25単位または30単位が必ず移動すると決めることはできません。他の領域との出入りや蓄積などの条件が与えられていないからです。必要な条件が足りない問いでは、方向と量を分けて答えます。

また、上空の空気が高緯度側へ流れることと、地表の風の東西成分は異なる見方です。ハドレー循環の断面図では高さと南北方向を追い、風帯の図では地表付近の方角を読みます。2枚の図を重ねるときには、矢印がどの高さの何の動きかを先に確かめます。

間違いを答案から直す

誤答の例は「偏西風は東から西へ吹くので、低緯度の熱をそのまま西へ運ぶ」です。原因は、風の名前を行き先として読み、さらに風向の矢印を熱輸送の向きと同一視したことです。図3のように、風の矢印の根元に西、先に東を書き直してみます。

図3では、西から東へ向かう矢印が偏西風です。修正した答案は「偏西風は西から東へ吹く傾向がある。低緯度から高緯度へは大気や海洋によって熱が運ばれる」です。2つの文は関係する大気の動きを扱いますが、東向きの矢印一本で熱輸送の全体を表してはいません。

別の誤りは、低緯度帯の入りと出の差が正であることから「高緯度帯も必ず同じ差になる」とすることです。帯ごとの入りと出をそれぞれ比べないまま、片方の符号をもう片方へ移しています。各帯に別々の式を書き、条件にない輸送量は決めないようにします。差が0の場合も、熱が全く移動しないとは限りません。収支がつり合うことと、個々の流れが存在しないことは別です。

図が途中で切れているときも、見えていない矢印を勝手に補って結論を決めないことが必要です。地表と上空のどちらか、方位の表示があるかを確認し、欠けている条件を明示します。模式図に縮尺がないときは、矢印の長さから速さや熱の量を読み取らず、示された向きに限って説明します。

練習：資料を分けて読む

次の問題はすべて自作です。数値は各問題の条件であり、実際の観測値ではありません。解答を見る前に、根拠となる方角や式も書いてみてください。

問題

1. 南半球の低緯度の地表付近で、南東から北西へ向かう卓越風があります。風の名前を答え、「吹いてくる方角」を含めて理由を書いてください。
2. 同じ期間の自作資料で、ある低緯度帯が受け取る熱は70単位、出す熱は45単位です。受け取る量から出す量を引いた差を整数と単位で求め、過不足を説明してください。
3. 自作資料の高緯度帯では、同じ期間に受け取る熱が35単位、出す熱が55単位です。差を「受け取る量 − 出す量」で整数と単位を付けて求め、低緯度側から熱が運ばれると不足にどう働くかを答えてください。
4. 赤道付近で上昇した空気を、ハドレー循環の模式図で追います。「上空」「下降」「地表付近」の3語を使い、亜熱帯付近を経て赤道側へ戻るまでを説明してください。
5. 地表付近の風が東から西へ吹くという情報だけがあります。その風が貿易風か極東風かを決められるか答え、判断に必要な追加情報を1つ挙げてください。

解答と考え方

1. 貿易風です。南半球の低緯度で、吹いてくる方角が南東という条件に対応します。答えを風の動きに戻すと、南東を根元、北西を先とする矢印になり、問題の向きと一致します。北半球の貿易風の南北成分をそのまま持ち込まないようにします。

2. 70単位 − 45単位 = 25単位です。受け取る量が出す量より25単位多い状態です。45単位 + 25単位 = 70単位と戻せるので、差の大きさと符号が条件に合います。引く順番を出す量からに変えると符号の意味も変わります。

3. 35単位 − 55単位 = -20単位です。出す量が受け取る量より20単位多く、不足の向きです。55単位 + (-20単位) = 35単位で入りに戻ります。低緯度側から熱が入れば、この不足を小さくする方向に働きます。ただし輸送量が与えられていないので、不足がちょうど解消するとは断定できません。

4. 赤道付近で上昇した空気は上空を高緯度側へ流れ、亜熱帯付近で下降し、地表付近を赤道側へ戻ります。上昇と下降の位置を図に戻すと、上空と地表の矢印は反対向きになり、循環としてつながります。上空も地表も同じ方向と書いた場合は、どこで戻るかを見直します。

5. 決められません。必要な情報の例は、その風が低緯度と高緯度のどちらの風帯にあるかです。東から西という条件は東寄りの風を示しますが、貿易風と極東風の両方に当てはまります。低緯度なら貿易風、高緯度なら極東風という各答えを条件に戻しても、どちらも東から西へ向かうため、元の情報だけでは区別できません。

要点を持ち帰る

低緯度の熱の余りと高緯度の不足は、大気や海洋の熱輸送で緩和されます。 ハドレー循環は上昇、上空の極側への流れ、下降、地表付近の戻りをつなぎます。 貿易風、偏西風、極東風は緯度帯と吹いてくる方角で区別します。

答案のどこを見直すか

風の名前が逆になる人は、矢印の根元に方角を書いてから名前を付けてみましょう。半球が違う図で誤る人は、赤道の位置と北・東の向きを図の外に書き、東西と南北の成分を別々に読んでください。収支の符号が逆になる人は、式の前に「入り − 出」と書き、答えを出に足して入りに戻るか試します。

個別指導で確かめるなら、答案の矢印、上空と地表を示す語、収支の引き算を順に見ます。名前だけが正しくても根元と先を説明できなければ、別の向きの図で取り違えることがあります。図にない輸送量を断定していないかも一緒に点検すると、資料から言える範囲が明確になります。風の名前は、吹いてくる方角に立ち返ると読み直せます。