中緯度でエネルギー輸送が最大である理由

子供たちにエネルギー輸送について説明していると、時々このような質問を受けることがあります。

エネルギー輸送がなぜ中緯度で最大なのでしょうか？

現在、2015年の改訂教育課程ではこの種類の問題は出ていませんが、今日は突然中緯度でエネルギー輸送が最大である理由を書いてみたくなりました。それ

で地球科学模擬試験の問題を2つ利用してこれを解いてみようと思います。

1. 緯度別エネルギー分布とエネルギー輸送

この図は放射平衡を達成している地球が吸収した年間平均の太陽放射エネルギーと放出した年間平均の地球放射エネルギーを緯度別に示したものです。

地球上の緯度別エネルギー分布を見たとき、低緯度地方はエネルギーが余り、高緯度地方ではエネルギーが不足しています。

これは地球が球形であるために発生する現象です。

低温の物体と高温の物体を接しているとエネルギーが移動するように、低緯度地方から高緯度地方へ余剰エネルギーが輸送されます。

もちろん、地球上でエネルギーを伝える物質はすべて流体であるため、対流、伝導、放射によってエネルギーが輸送されます。

しかし、なぜ中緯度でエネルギー輸送が最大なのでしょうか？

先生が前から後ろのそれぞれの生徒にキャンディを分け与える状況を仮定してみましょう。

前列の生徒は自分が持つべきキャンディよりも1〜3個多く持っていて、後列の生徒は1〜3個足りません。

このとき、生徒間でキャンディが移動する量を考えてみましょう。

後ろにキャンディを渡すとき、最初の生徒は自分が持っている3個だけを渡します。

次の生徒は受け取った3個に余ったキャンディを2個追加して渡し、次の生徒もまた余ったキャンディを追加して渡します。

キャンディが余っている人が渡すたびに、余分が累積されます。

そしてキャンディが不足している生徒に渡ると、不足分だけを持って余分なキャンディを渡します。

次の生徒も同じでしょう。

このとき、キャンディの移動量が最大の地点はキャンディの不足量が0の地点、つまり平衡である地点でキャンディの移動量が最大であることがわかります。

地球でのエネルギー輸送も上記の例と同じです。

エネルギーが過剰な地点ではエネルギー輸送過程で余分なエネルギーが継続的に累積されます。

したがって、受け取る太陽放射エネルギーと放出する地球放射エネルギーが同じ、平衡である地点でのエネルギー輸送が最大となります。

高校の過程では、この地点が大まかに緯度38度と学びます。

図は大気と海洋の南北方向への年間平均エネルギー輸送量を緯度別に示したものです。

海洋と大気はそれぞれ輸送量、輸送量が最大の地点が若干異なりますが、それはエネルギー輸送の方法、潜熱の伝達、海洋の位置など多様な原因が寄与しています。

大気と海洋は両方とも低緯度地方から高緯度地方へエネルギーを輸送し、輸送量の合計をすべて加えると、大まかに中緯度地方である緯度38度地点で最大になります。

低緯度地方から高緯度地方へエネルギーが輸送される過程で余ったエネルギーが累積するため、吸収する太陽放射エネルギーと放出する地球放射エネルギーが同じ平衡である地点でエネルギー輸送が最大になります。

今日はこの簡単な一文を非常に長く説明してみました。

地球科学が好きな学生たちに役立つことを願っています。