地学基礎⑪：大気の大循環

この記事で探究すること

赤道ちかくのあまった太陽エネルギーは、どうやって北極や南極に運ばれるんだろう？ 日本の上空をふきぬける「偏西風」の正体って、いったい何？ この単元では、地球という巨大なスケールで、空気がどのように循環しているのか、「大気の大循環」のダイナミックなしくみを探究するよ。日々の天気のうらにかくされた、地球規模のエネルギーの流れを見ていこう！

1. 大気の大循環のモデル

前単元で学んだように、地球は低緯度でエネルギー過剰、高緯度でエネルギー不足の状態にある。このエネルギーの不均衡を解消するために、大気と海洋が、熱を低緯度から高緯度へと運んでいる。その大気による熱輸送のしくみが「大気の大循環」だ。

地球の自転の影響により、大気の循環は、北半球と南半球で、それぞれ３つの巨大な循環細胞（セル）に分かれている。

• ハドレー循環（低緯度）：赤道付近で上昇した空気が、緯度30°付近で下降する循環。地表では、亜熱帯高圧帯から赤道低圧帯へ向かう「貿易風」が吹く。
• フェレル循環（中緯度）：ハドレー循環と極循環の間に位置する、間接的な循環。地表では、緯度30°付近から緯度60°付近へ向かう「偏西風」が吹く。
• 極循環（高緯度）：極付近で下降した冷たい空気が、緯度60°付近で上昇する循環。地表では「極偏東風」が吹く。

2. 帯状の気圧帯

この３つの循環に対応して、地表付近の気圧は、緯度ごとに帯状に分布する傾向がある。

• 赤道低圧帯：ハドレー循環の上昇気流が起きる場所。雲ができやすく、雨が多い（熱帯雨林）。
• 亜熱帯高圧帯（中緯度高圧帯）：緯度30°付近。ハドレー循環の下降気流が起きる場所。雲ができにくく、乾燥している（世界の砂漠の多くが、この緯度帯に分布する）。
• 亜寒帯低圧帯（高緯度低圧帯）：緯度60°付近。フェレル循環と極循環の空気がぶつかり、上昇気流が起きる場所。前線が形成されやすく、天気が悪いことが多い。
• 極高圧帯：極循環の下降気流が起きる場所。

コレクトの発展ラボ：コリオリの力と地衡風

豆知識ですが、なぜ風は、高気圧から低気圧に向かってまっすぐ吹かないのでしょうか？ その原因が、地球の自転によって生じる見かけの力、「コリオリの力」です。北半球では、コリオリの力は、風の進行方向に対して常に右向きに働きます。

上空では、摩擦の影響が小さいため、気圧の差によって生じる力（気圧傾度力）と、コリオリの力がちょうどつり合った状態になります。その結果、風は、等圧線に平行に吹くことになります。この風を「地衡風」とよびます。偏西風は、この地衡風の一種です。

コレクトの数理的アプローチ：思考実験

【思考実験】もし、地球の自転が今と逆（東から西）だった場合、北半球の偏西風と貿易風の風向は、それぞれどのようになると考えられるか？

【論理的考察】
① コリオリの力は、自転の向きに依存する。自転が逆になれば、コリオリの力が働く向きも逆になり、北半球では進行方向に対して左向きに働くようになる。
② 貿易風は、亜熱帯高圧帯（緯度30°）から赤道低圧帯へ向かう、北から南への流れが基本。これに左向きの力が加わるため、風は西へ曲げられ、北西風になると考えられる。
③ 偏西風は、亜熱帯高圧帯から亜寒帯低圧帯へ向かう、南から北への流れが基本。これに左向きの力が加わるため、風は東へ曲げられ、南東風になると考えられる。

共通テスト対策まとめ

大気の大循環は、全球的な視野で天気を理解する鍵だ！

1. ３つの循環細胞（ハドレー、フェレル、極）の名称と、おおよその緯度帯を覚える。
2. それぞれの循環に対応する地表の風（貿易風、偏西風、極偏東風）の名称と、おおよその風向を理解する。
   特に、日本に影響する「偏西風」が、なぜ西風になるのかを、コリオリの力と結びつけて説明できるようにしておくこと。
3. 緯度ごとの気圧帯と、降水量の関係を理解する。
   「上昇気流＝低圧帯＝雨が多い（赤道、緯度60°）」「下降気流＝高圧帯＝乾燥（緯度30°、極）」という関係は絶対！世界の砂漠がなぜ緯度30°付近に多いのか、という問いは頻出。

練習問題

問１：中緯度帯の上空を、一年を通して西から東へ吹く風を何というか。

問２：赤道付近に形成され、上昇気流が卓越することで、降水量が多い気圧帯を何というか。

問３：世界の砂漠の多くが、南北の緯度30°付近に分布している。その理由を、「大気の大循環」と「気圧帯」という語句を用いて、簡潔に説明しなさい。