【地学基礎】大気の大循環を図解で総まとめ—緯度ごとの熱収支・ハドレー循環・偏西風｜武蔵野個別指導塾

赤道で余った熱はどの風に乗って高緯度へ届くのか。4 つの気圧帯と 3 つの風を断面図で描き分け、緯度別の熱収支グラフの読み取りやジェット気流の一周計算まで例題で試せます。

よくあるのは、塾の自習室の白板の前で、赤道から持ち上げた空気の矢印をどこへ下ろすか決められず、マーカーを握ったまま止まるという場面です。貿易風も偏西風も亜熱帯高圧帯も、用語としては覚えています。ところが緯度の線を引いて「ここで上昇、ここで下降」と描こうとすると、どの風がどの帯から吹き出すのかがつながらず、消しては描き直すことになります。

大気の大循環は、暗記の表ではありません。緯度ごとに生じた熱の過不足を、大気がどう運んで埋めているかという一つの話です。ここを通ると、4 つの気圧帯と 3 つの風を何も見ずに描けるようになり、亜熱帯に砂漠が並ぶ理由や、日本の天気が西から変わる理由を自分の言葉で説明できるようになります。

この単元で押さえること

• 緯度ごとの熱の過不足：太陽放射の吸収は低緯度ほど多く、地球放射の放出は緯度による差が小さいので、およそ緯度 35〜40° を境に低緯度は過剰、高緯度は不足になります。
• 熱の輸送：大気と海洋が低緯度から高緯度へ熱を運び、過不足を埋めています。水蒸気の形で運ばれる潜熱も大きな運び手です。
• ハドレー循環と貿易風：赤道付近で上昇した空気は緯度 20〜30° 付近で下降し、地表を赤道へ戻ります。この戻りの流れが転向力で曲げられたものが貿易風です。
• 亜熱帯高圧帯と偏西風：下降域が亜熱帯高圧帯で、乾燥地帯と重なります。その高緯度側の中緯度帯では、地表から上空まで西寄りの風が吹きます。
• ジェット気流と温帯低気圧：偏西風のなかで特に強い流れがジェット気流です。偏西風の蛇行と温帯低気圧が、中緯度で熱を高緯度へ運びます。

前の単元の太陽放射と地球放射の収支を緯度ごとに分けて見るのがこの単元で、ここで学ぶ風は次の単元の海流を動かす力になります。

基本の考え方

緯度によって熱が余る場所と足りない場所ができる

懐中電灯で机を照らす場面を思い浮かべてください。真上から照らすと明るい丸ができます。斜めから照らすと同じ光が細長く広がり、明るさは薄くなります。太陽放射でも同じことが起こります。春分の日の正午を例にとると、赤道では太陽がほぼ真上にあり、緯度 60° では太陽高度が 30° になります。このとき同じ太さの光の束が照らす地面の広さは、緯度 60° では赤道の 2 倍です。地面 1 m² が受け取る量は赤道の半分になります。高緯度には雪や氷が多く、反射率が高いことも吸収を減らす方向にはたらきます。

一方、地球が宇宙へ放つ地球放射は主に地表と大気の温度で決まり、緯度による差は吸収ほど大きくありません。その結果、地球全体では吸収と放出がつり合っているのに、緯度ごとに見ると合わなくなります。およそ緯度 35〜40° より低緯度では吸収が放出を上回って過剰になり、それより高緯度では放出が吸収を上回って不足になります。

もし熱が運ばれなければ、低緯度は年々暑くなり、高緯度は年々冷えていくはずです。実際にはそうなっていません。大気と海洋が、低緯度から高緯度へ熱を運び続けているからです。大気の運び方は 2 通りあります。暖かい空気そのものを動かす方法と、低緯度の海面で蒸発した水蒸気が潜熱を持ったまま移動し、雲になるときにその熱を放す方法です。海洋の運び方は次の単元で扱います。

ハドレー循環と貿易風

図1は、北半球の大気の動きを緯度と高さの断面で描いた模式図です。右へ行くほど高緯度で、高さは大きく引き伸ばしてあります。対流圏の厚さ約 11 km は地球の半径約 6400 km の約 600 分の 1 しかないので、実際の大気はごく薄い膜の中で動いています。

赤道付近では地表が強く暖められ、軽くなった空気が上昇します。南北から貿易風が集まる場所でもあり、積乱雲がよく発達して雨が多くなります。この帯が赤道低圧帯で、熱帯収束帯ともよばれます。上昇した空気は対流圏の上部を高緯度へ向かいますが、極までは届きません。進むうちに転向力で東向きに曲げられ、冷えて重くなった空気は緯度 20〜30° 付近で下降します。ここが亜熱帯高圧帯です。下降した空気の一部は地表を赤道へ戻ります。図1の左側の輪が、この一周を示すハドレー循環です。

転向力（コリオリの力）は、地球の自転によって生じる見かけの力です。回っている円盤の上でボールを転がすと、外から見ればまっすぐ進んでいるのに、円盤に乗っている人にはボールが曲がって見えます。地球でも同じことが起こり、動く空気は北半球では進む向きの右へ、南半球では左へ曲げられます。赤道ではこのはたらきがなく、高緯度ほど強くなります。亜熱帯高圧帯から赤道へ向かう北半球の風は右へ曲げられて北東からの風になり、南半球の風は左へ曲げられて南東からの風になります。これが貿易風です。

偏西風と極付近の循環

亜熱帯高圧帯から高緯度側へ流れ出す地表の空気も、転向力で曲げられます。北半球で北へ進む風は右、つまり東へ曲がるので、西寄りの風になります。これが偏西風です。中緯度では上空でも西風が吹いていて、地球をぐるりと取り巻いています。図1では地表の風を南北の動きだけで矢印にしたので、偏西風が右向き、つまり北向きに描かれています。東西の向きまで見るときは、後で出てくる図3を使ってください。

極付近では、強く冷えた空気が下降して極高圧帯をつくります。地表を低緯度へ流れ出す空気は右へ曲げられて東寄りの風となり、これが極偏東風です。緯度 60° 付近では偏西風と極偏東風がぶつかり、空気が持ち上げられて亜寒帯低圧帯ができます。暖かい空気と冷たい空気の境目には寒帯前線が現れます。図1の右側の輪が極循環です。

ハドレー循環と極循環の間にある中緯度には、図1で輪を描いていません。ここでは南北の輪よりも、次に述べる偏西風の蛇行と温帯低気圧が熱を運ぶ主役になるからです。

ジェット気流と温帯低気圧

偏西風のなかで特に強い流れをジェット気流といい、対流圏と成層圏の境界付近（高度約 10 km）を吹いています。緯度 30° 付近の上空を流れる亜熱帯ジェット気流と、それより高緯度で寒気と暖気の境の上空を流れる寒帯前線ジェット気流があります。図1の点の入った丸がその位置です。図の右が北なので、東へ向かう風は紙面の手前へ出てくる向きになります。日本付近の上空では冬に特に強く、風速が 100 m/s を超えることもあります。日本から北米へ向かう航空便が帰りの便より短い時間で着くことが多いのは、この追い風に乗れるからです。

偏西風はまっすぐ東へ流れるのではなく、南北に波打ちながら流れます。これを偏西風の蛇行といいます。南へ張り出したところには高緯度の寒気が、北へ張り出したところには低緯度の暖気が入り込みます。この波と重なるように、地上では南北の気温差をエネルギー源として温帯低気圧が発達します。低気圧の東側では暖気が北へ、西側では寒気が南へ流れるので、結果として熱が高緯度へ運ばれます。日本付近の天気がおおむね西から東へ変わるのは、温帯低気圧や移動性高気圧が偏西風に流されて動くからです。

例題で解き方を確かめる

例題1　気圧帯を見分ける

次のア〜エの説明にあてはまる気圧帯を、赤道低圧帯・亜熱帯高圧帯・亜寒帯低圧帯・極高圧帯からそれぞれ選んでください。

• ア　南北の貿易風が集まり、積乱雲がよく発達する。
• イ　下降気流におおわれて雲ができにくく、砂漠が多い緯度帯と重なる。
• ウ　偏西風と極偏東風がぶつかり、寒帯前線ができやすい。
• エ　強く冷えた空気が下降し、地表の空気が周囲へ吹き出す。

解き方は次の順です。

1. 空気が上昇しているか下降しているかを文から読み取ります。上昇する場所は地表の気圧が低く、下降する場所は高いので、これで低圧帯か高圧帯かが決まるからです。アとウは空気が集まって上昇するので低圧帯、イとエは下降するので高圧帯です。
2. 緯度の手がかりで 2 つずつに分けます。同じ低圧帯や高圧帯でも、場所で名前が変わるからです。貿易風が集まるのは赤道付近、偏西風と極偏東風がぶつかるのは緯度 60° 付近、砂漠と重なるのは緯度 20〜30° 付近、強く冷えるのは極付近です。
3. 図1の緯度の軸の下に並んだ名前と照らします。位置と名前を一緒に確かめると、取り違えに気づけるからです。

答え　ア 赤道低圧帯、イ 亜熱帯高圧帯、ウ 亜寒帯低圧帯、エ 極高圧帯

例題2　緯度ごとの過不足をグラフから読む

次の表は、北半球の年平均の放射の量を問題用に丸めた値で、単位は W/m² です。図2はこの表をグラフにしたものです。（1）各緯度の過不足を求めてください。（2）吸収と放出が等しくなるのは、およそ緯度何度ですか。（3）大気と海洋は熱をどちら向きに運びますか。

解き方は次の順です。

1. 各緯度で吸収から放出を引きます。差を出すと、どこで余りどこで足りないかが数字で見えるからです。緯度 0° は 60 の過剰、20° は 30 の過剰、40° は 10 の不足、60° は 70 の不足、80° は 90 の不足です。
2. 図2で 2 本の線が交わる位置を読みます。過剰から不足へ変わる境目が交点だからです。赤い線と紺の線は緯度 20° と 40° の間で入れ替わり、縦の格子の 30° と 40° のちょうど真ん中で交わるので、およそ 35° と読めます。
3. 熱の向きを決めます。余っている側から足りない側へ運ばれなければ、緯度ごとの温度が保たれないからです。過剰な低緯度から不足する高緯度へ向かいます。

答え　（1）緯度 0° と 20° は過剰で 60 と 30、40°・60°・80° は不足で 10 と 70 と 90　（2）およそ緯度 35°　（3）低緯度から高緯度へ

図2を読むときに、注意が 1 つあります。不足の塗りのほうが過剰の塗りより広く見えても、地球全体で放出が多いわけではありません。高緯度ほど緯線が短く、同じ緯度の幅でも地表の面積が小さいからです。緯度 30° より低緯度だけで半球の表面積の半分を占めるので、面積を考えに入れて平均すると吸収と放出はほぼつり合います。

例題3　ジェット気流が地球を 1 周する日数を見積もる

緯度 30° の上空を風速 50 m/s で東へ流れるジェット気流に乗った空気が、同じ速さで同じ緯度を進み続けるとします。地球を 1 周するのに約何日かかるでしょうか。地球の全周を約 4 万 km とし、緯度 30° の緯線の長さは全周の 0.87 倍とします。

1. 緯線の長さを求めます。東へ進む空気がたどるのは赤道ではなく緯線だからです。4 万 km × 0.87 で、約 3.5 万 km です。
2. 1 日に進む距離を求めます。距離と時間の単位をそろえてから割るためです。50 m/s は 1 秒に 0.05 km で、1 日は 86400 秒なので、0.05 × 86400 = 4320 km です。
3. 緯線の長さを 1 日の距離で割ります。何日分にあたるかを出す計算だからです。35000 ÷ 4320 = 約 8.1 です。

答え　約 8 日

実際の流れは蛇行し、風速も変わるので、これは大きさをつかむための見積もりです。それでも、上空の風が 1 週間あまりで地球を回る規模だと数字でつかめると、遠くの天気が数日で日本へ届く話が身近になります。

例題4　中緯度の熱の運び方を説明する

緯度 40〜60° 付近では、ハドレー循環のような南北の整った輪がはっきりしません。それでも熱が高緯度へ運ばれるのはなぜですか。「偏西風」「温帯低気圧」の語を用いて 60 字程度で説明してください。

1. 問われているのは熱を運ぶしくみだと確かめます。偏西風がどの向きに吹くかだけを書いても、熱の話にならないからです。
2. 原因から結果の順に材料を並べます。偏西風が南北に蛇行する、温帯低気圧が発達する、暖気が北へ寒気が南へ動く、熱が高緯度へ運ばれる、の順です。因果の順に書くと読み手が追えるからです。
3. 指定の語を入れて 1 文にまとめ、文末を問いへの答えにします。「なぜ」に対して最後の一文節で返すと、答案の筋がぶれないからです。

答え　偏西風の蛇行にともなって温帯低気圧が発達し、暖気が高緯度へ、寒気が低緯度へ入れ替わるように動くため、熱が高緯度へ運ばれる。

まちがえやすいところと直し方

風の名前を進む向きと読んでしまう

誤った書き方は「北東貿易風は北東へ向かって吹く」「偏西風は西へ向かって吹く」です。

どこが違うかというと、風の名前につく方角は吹いてくる方角です。北東からの風なら、空気は南西へ進みます。図3は地表付近の風を地球の全体で描いたもので、帯ごとに矢印の向きがそろい、赤道をはさんで南北が鏡に映したような配置になっています。右側の破線の矢印は転向力がないとしたときの進み方、赤い線が実際の曲がり方です。ここで「風は西へ曲がる」と覚えると、偏西風で行き詰まります。西へ寄るのは赤道へ向かう風だからで、高緯度へ向かう風は同じ「北半球では右」のきまりで東へ寄ります。

正しい書き方は「北東貿易風は北東から南西へ吹いて赤道へ向かう。偏西風は西から東へ吹く」です。

暑い赤道は気圧が高いと考えてしまう

誤った書き方は「赤道付近は暑いので高圧帯で、亜熱帯は気圧が低い」「亜熱帯高圧帯では上昇気流で雨が多い」です。

どこが違うかというと、暖められた空気は軽くなって上昇するので、その下の地表の気圧は低くなります。地表の気圧が高くなるのは空気が下降する場所です。天気も逆になります。上昇する空気は膨張して冷え、水蒸気が凝結して雲ができます。下降する空気は圧縮されて約 1℃/100 m の割合で暖まり、相対湿度が下がって雲が消えます。亜熱帯に砂漠が多いのはこのためです。

正しい書き方は「赤道低圧帯は上昇気流で雨が多く、亜熱帯高圧帯は下降気流で乾燥しやすい」です。

ハドレー循環が極まで熱を運ぶと書いてしまう

誤った書き方は「赤道で上昇した空気は上空を極まで進み、極で下降して赤道へ戻る」「大気の熱の輸送はハドレー循環だけで説明できる」です。

どこが違うかというと、ハドレー循環の下降は緯度 20〜30° 付近で、そこから先の中緯度で熱を運ぶのは主に偏西風の蛇行と温帯低気圧です。図4は、北を上、東を右にして中緯度を見下ろした模式図です。破線の緯線に注目してください。低気圧の西側では寒気が緯線を南へ越え、東側では暖気が緯線を北へ越えています。同じ緯線を暖かい空気が北へ、冷たい空気が南へ通るので、差し引きすると熱が北へ運ばれたことになります。風の全体の流れは西から東でも、熱は南から北へ移るのです。

正しい書き方は「低緯度ではハドレー循環が、中緯度では偏西風の蛇行と温帯低気圧が熱を運び、海流も熱を運ぶ」です。あわせて、温帯低気圧は前線をともなって南北の気温差で発達し、熱帯低気圧は前線をともなわず水蒸気の潜熱で発達するという違いも区別しておいてください。

用語のまとめ

練習問題

練習1　次の文の空欄にあてはまる語を答えてください。赤道付近で上昇した空気は、緯度（ア）付近で下降して（イ）をつくります。下降した空気が地表を赤道へ戻る一周を（ウ）といいます。戻る風は転向力で曲げられ、北半球では（エ）となります。

練習2　例題2の表で、緯度 0° と 80° の差を吸収と放出のそれぞれで求めます。吸収の差は放出の差の約何倍ですか。小数第 1 位まで求め、この結果から緯度による差について言えることを 1 文で書いてください。

練習3　春分の日の正午に、太陽が真上にある赤道の地面と、太陽高度が 30° になる緯度 60° の地面を比べます。大気による吸収や反射を考えないものとすると、緯度 60° の地面 1 m² が受ける太陽放射は赤道の何倍ですか。また、太陽定数を約 1.37 kW/m² として、その値を求めてください。

練習4　北半球の貿易風が北東から吹く理由を、「亜熱帯高圧帯」「転向力」の語を用いて 50 字程度で説明してください。

答えと解説

練習1の答えは、ア 20〜30°、イ 亜熱帯高圧帯、ウ ハドレー循環、エ 北東貿易風です。図1の左側の輪を指でたどりながら語を当てはめると、順序を間違えません。

練習2の答えは約 2.9 倍です。吸収の差は 310 から 80 を引いて 230、放出の差は 250 から 170 を引いて 80 で、230 ÷ 80 = 約 2.9 となります。放出の緯度差は吸収の緯度差よりずっと小さいと言えます。これが過不足の生まれる理由です。

練習3の答えは 0.5 倍、約 0.69 kW/m² です。太陽高度が 30° のとき、辺の比が 1:2:√3 の直角三角形を考えると、同じ光の束が照らす地面の広さは 2 倍になり、地面 1 m² あたりの量は半分になります。1.37 × 0.5 = 約 0.69 です。

練習4の答えは「亜熱帯高圧帯から赤道へ南向きに吹き出す風が、転向力で進む向きの右、つまり西へ曲げられるから」です。空気がどこからどこへ動くかを先に書き、その後で曲がる向きを書くと筋が通ります。

次の単元へのつながりと確かめ方

次の単元の海流では、貿易風や偏西風が海面を押して海流の大きな環をつくるしくみを扱います。海も熱を運ぶもう一つの担い手なので、この単元の続きの話です。その先のエルニーニョや日本の四季の天気でも、貿易風と偏西風がそのまま土台になります。

夕食の前の 5 分で試せることが 2 つあります。1 つ目は、白紙に緯度 0°・30°・60°・90° の縦線を引き、4 つの気圧帯と 3 つの風を何も見ずに書き込んでから、図1と図3で答え合わせをすることです。2 つ目は、天気予報の雲の画像を 3 日分続けて見て、日本付近の雲のかたまりが西から東へ動いているかを確かめることです。

個別指導では、風の名前で止まっているなら転向力の向きまで、過不足のグラフで止まっているなら太陽放射と地球放射の収支まで戻り、白板に自分の手で描いてもらって確かめます。

まとめ

4 つの気圧帯と 3 つの風の名前は、ばらばらに覚えるものではなく、緯度ごとの熱の偏りから順に描き起こせるものです。白板の前で手が止まったら、用語を思い出そうとせず、どこで熱が余っているかから線を引き直してみてください。太陽が照らすかぎり赤道の余りは毎日生まれ、大気は配る手を止められません。その配る途中の姿を、中緯度に住む私たちは毎日の天気とよんでいます。