3 気象学

●積乱雲は孫球

階層球列モデルでは、地表付近や地下に同心球面状に球面らせん軌道が存在する。そこには親球列や子球列が存在し、プレートテクトニクスや地震の原因となっている。しかしこの仮説にはまだ続きがある。球面らせん軌道が地表や地下だけに存在すると考える理由はない。空中にも親球や子球に対応するものが存在していてもおかしくない。

そんなものどこにあるんだと思われるだろう。たとえあったとしても目に見えないのなら確かめようがないともお思いだろう。だが、直接目に見えなくとも何らかの痕跡が見つからないか探してみよう。おそらくその痕跡はかなり巨大で、目の前にあっても誰も不思議に思うことがないような存在だ。たとえば積乱雲のように。

積乱雲

積乱雲を知らない人はいないだろう。もくもくと沸き上がる白い入道雲は夏の象徴とも言える。雷を伴う突然の夕立に立ち往生させられた経験はだれにでもあるはずだ。だが積乱雲は単に雲の一形態であって、不審を抱くようなものではないと誰もが考えているだろう。しかし、一口に積乱雲と言ってもいろいろある。積乱雲についてわれわれはどれだけ理解しているのだろうか。

ウイキペディア:積乱雲

積乱雲ができる基本的な仕組みはわかっている。暖かく湿った地表付近の空気が上昇する。そして水蒸気が凝結して大気の不安定さが解消される過程で積乱雲が生じる。それは事実だし、すべての積乱雲が階層球に該当するとは私も思わない。しかし、近年増えてきた集中豪雨をもたらすような超巨大積乱雲や連鎖する積乱雲には、特殊な機構が働いていると私は考える。高さ10km程度という大きさから考えると、これらの積乱雲は親球ではなく孫球に該当するだろう。


まず、空中の階層球のモデルを確認しておこう。地下と空中とでは階層球の性質は多少違うかもしれない。励起してない場合、親球や子球や孫球の表面軌道は球面の式で表される。励起した場合、4次元超球面の3次元断面の式で表される。それは地下でも空中でも同じなのだが、空中のほうが励起していることが多いようだ。表面軌道が1本なのか2本なのか、あるいは中心軸の向きが鉛直なのか軌道に沿うのかなどもはっきりしない。

空中の階層球はすべて表面2軌道を持つか、もしくは持ちうると考える。この表面2軌道は同軸回転することができる。仮に2軌道の形が同じで、同軸回転の方向と速度と位相が同じなら、1軌道が回転しているように見えるだろう。その場合2軌道に存在する球列がすべて互いに重なり合い、球対列になることがあると思われる。

階層球が励起すると、表面の球面らせん軌道は超球面らせん軌道に変化すると考える。3次元の球面らせんでは極方向の回転数は常に1と仮定した。それに4次元の回転を加えた軌道の形を超球面らせんと呼ぶことにする。超球面らせんは4次元超球面の3次元断面の式で表される。たとえば4次元の回転数がn=1のとき、超球面らせんはこのような形になる。

超球面らせん

この超球面らせんは球体を上下に押しつぶしたような形をしているが、中央にふたつの円錐を逆向きに重ねたような形の穴が開いている。この砂時計のような形をした穴の壁面を「超球面らせんの内管」と呼ぶことにする。

超球面らせんの内管

さらにエネルギー準位が上がると超球面らせん軌道は形が変わる。4次元の回転数をnとすると、たとえばn=2の軌道とn=3の軌道は次のような形になる。

n=2   n=3

もっとエネルギー準位が上がると超球面らせん軌道はこのような形になる。全体の形は球形だが、細かく見ると多層になっている。赤道付近の層に注目すると、内管の内側に上の層の下部が何重にも収束して収まっている。赤道付近の層の立場からこれらの内側の層を見たとき、内層と呼ぶことにしたい。

n=n


積乱雲は孫球だと私は考える。孫球にすっぽり重なった積乱雲さえ珍しくない。ただし、大きな孫球の高さは数十qもあるので、雲が存在可能な高さ約10qの対流圏には全体が納まりきらない。背が高い積乱雲は上部を切り落としたように見えることがある。また、一般に空気の温度が露点温度より高いと雲はできないので、雲ができる高度には下限がある。したがって積乱雲を下から見ると、球面らせんあるいは超球面らせんの下端を切り落としたように見える。また、孫球の下半分が地下に存在することも多い。これは地震の項で見た親球表面軌道のポテンシャル分布のせいかもしれない。

もっともありふれた積乱雲は球面らせんの形をしている。冒頭の画像の積乱雲をシミュレーションするとこのようになる。

積乱雲   積乱雲

円錐形の積乱雲や、頭頂部が上に突き出た積乱雲もよく見かける。この積乱雲も球面らせん軌道に変わりはない。孫球を一回り小さくしたようなひ孫球が積乱雲の頭頂部に存在し、大きく発達することがあるのだろう。

積乱雲

発達した積乱雲は縦に細長い。孫球が励起していると思われる。この写真の積乱雲は縦長の形から考えてn=3だろう。この積乱雲の足元を見たら、おそらく地上付近の横に広がった雲とつながっているだろう。このように頭頂部がこんもりと丸くなっているのは、上空から内管を吹き降ろしてくる内層軌道が存在しないからだ。

積乱雲   n=3

積乱雲が発達すると対流圏界面でかなとこ雲が発達する。しかし、作ったかのように形が整ったかなとこ雲が出現することがときどきある。これはn=1の超球面らせんの上部が見えていると思われる。孫球の外層は雲になる条件に達していないが、内管と上部はその条件に達しているのだろう。n=1の積乱雲は、不可視の部分が可視部の外に広がっていることになる。軌道を下向きに移動するひ孫球は下降気流と同じく水蒸気が凝結しにくいと考えれば理解しやすい。かなとこ雲の下部にたまに現れる乳房雲はひ孫球列によるものだろう。
積乱雲が移動中の場合、かなとこ雲の形はやや斜めに傾く。シミュレーションするとこのようになる。本当は球面らせん形の積乱雲でも移動中ならば中心軸がやや傾いている。

積乱雲   n=3

(c)Hussein Kefel

しかし、かなとこ雲の形は単独では積乱雲と呼べない気がする。積乱雲はかなとこ雲よりもずっと太いからだ。かなとこ雲が現れた積乱雲の形は、孫球が励起して世代交代した結果だ。孫球が励起してn=1になる前には、n=0の孫球が存在する。これは普通の球面らせん形だ。かなとこ雲が出現した後の中央の積乱雲は、言わば蝶が羽化した後のさなぎが見えているようなものだ。時間が過ぎて積乱雲が消えるときには、かなとこ雲よりも中央部のほうが先に消えたりするようだ。



ところで、積乱雲の周囲には上昇気流を伴った小規模な前線が出現することがある。積乱雲からの冷たい下降気流が水平に吹き出し、周囲の暖かい空気と衝突する際に、言わば小さな寒冷前線ができる。この前線には複数の上昇気流が並び、それぞれに風の循環がある。これをガストフロントと呼ぶ。上昇気流を伴った激しい突風が発生するため、ガストフロントは突風前線、陣風前線とも呼ばれる。

ウイキペディア:ガストフロント
ガストフロント

ガストフロントが発生する機構は本当は次のようなものだろう。励起した積乱雲の内層あるいは内管だけが雲として見えており、その外側に不可視の外層があるとする。外層は積乱雲からかなり離れた場所で地表に達する。孫球表面軌道のひ孫球列のそれぞれがその場所で風を発生させ、複数の上昇気流として観測される。

ガストフロントが発生すると、その上空に低く横に長いアーチ雲ができることがある。アーチ雲は冷たい気流と暖かい気流の境界にできると考えられている。アーチ雲は何段にも重なることがあるが、その理由はわかっていない。推測すると、外層の表面軌道が何段にも重なっているからだろう。


また、積乱雲はダウンバーストという尋常でない下降気流を伴うことがある。時折発生するこの下降気流が起こす突風は風速50mを超える場合さえある。

ウイキペディア:ダウンバースト
ダウンバースト

ダウンバーストは、積乱雲から密度の高い空気塊が地上に落下する現象である。積乱雲が移動してないときは、地上の強風域は正確に同心円状になることが知られている。ダウンバーストの強風域(地上発散部分)は特徴的な渦構造を持ち、ドーナツ状の強風域の埃をローターのように巻き上げる。ガストフロントの個々の渦巻きが一律に横になり、全体としてドーナツ状になっているような状況だ。もっとも、ダウンバーストを発生させるような積乱雲は高速で移動していることが多く、その場合は地上の強風域は同心円状にはならない。

気象庁:ダウンバーストのはなし
ダウンバースト

ドーナツ状の強風域の形を見ると、このシミュレーションに該当すると思われる。孫球表面軌道のひ孫球ではなかろうか。

ダウンバースト

ダウンバーストとは太陽のプラズモイド噴出のような現象ではなかろうか。積乱雲の孫球が励起していると仮定する。その内管の中心点で孫球表面2軌道のひ孫球が衝突し、磁気リコネクションを起こしたと思われる。そして衝突したひ孫球が軌道から外へ弾き飛ばされ、内管を真下に下降したのだろう。広がりが約4km未満の局地的なマイクロバーストは、広がりが約4km以上のマクロバーストよりも風速が速く強い。磁気リコネクションが起きた内管の中心に距離が近いのかもしれない。



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