カール＝グスタフ・ロスビーの生涯（4）MITでの業績

 MIT准教授への就任

　この時期は、アメリカの航空は飛行船から飛行機へ拡大する過渡期にあり、海軍では飛行船や飛行機の安全な運航に必要な大勢の気象士官を必要としていた。1925年にアメリカ海軍の硬式飛行船「シェナンドー」が雷雨で墜落するという事故が起きた。これを契機に気象学の研究に注目が集まるようになり、マサチューセッツ工科大学（MIT）に気象学講座が設立されることになった。この航空気象を扱う講座を率いる人物としてロスビーはうってつけだった [5]。

　1928年にロスビーはMIT航空学科の気象学の准教授になり、この講座は数年後にはアメリカ初の気象学科となった。そこにベルゲンへ留学させていたウィレット（Hurd Willett）を呼び寄せて、ベルゲン学派気象学の普及と熱力学の気団解析への応用研究を開始した [2]。また1931年からはウッズホール海洋研究所の研究員も兼ねて、そこで海洋上の大気境界層の研究を行い、気象学に初めて混合距離（mixing length）や粗度（roughness）という概念を導入し、乱流の研究にも取り組んだ [2]。

海洋学へ貢献

　ウッズホール海洋研究所では、アメリカ東部の湾岸流（Gulf stream）の解明にも取り組み、そこの海洋学者スピルハウス（Athelstan Spilhaus）と共同で、水温と水圧の鉛直分布が測定できるバシサーモグラフ（bathythermograph）を開発した。これは、動く船から水温と水圧の鉛直分布を測定するもので、現代でも海洋の測定器として欠かせないものである [5]。そして、これを用いた観測と解析から、湾岸流の構造の解明に取り組んだ。さらに、その研究の延長から「地衡流調節」という概念を生み出した [5]。これは地衡流平衡にある流体のある部分に外から突発的なショックを与えると、流れは再び徐々に平衡状態に戻るが、その状態は初めの状態と異なることを定量的に説明したものである [6]。これは大気にも当てはめることが出来る。

ロスビー波の導出

　アメリカ中部では1930年代に入ると干ばつが頻発し、「ダストボウル」と呼ばれる砂塵嵐による気象災害が多発した。これは干ばつに加えて農民がトラクタという新しい機械を使ってむやみに広大な土地を耕したためと言われている [7]。このため、約50万人の農民が土地を放棄して移住するという事態に発展した。アメリカではこの対策のためバンクヘッド・ジョーンズ法が制定され、MITなどではその資金で数日前からの予報の可能性を調査することになった。ロスビーは高度5000 m位の上層の大気波に注目した。彼は、1939年に順圧大気の絶対渦度の鉛直成分の保存を使って、以下の有名な式を力学的に導出した。

c＝U-βL²/4π²

ここで、cは波の位相速度、Uは背景風の速度、βはコリオリパラメータと呼ばれる緯度の変化率を近似したもの、Lは波長である。これは大気上層で蛇行する大規模な風を波として、その振る舞いを理論的に説明するものである。これはロスビー式とかトラフ式などと呼ばれることもある。

発生したダストボウルの写真

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d9/Dust_Storm_Texas_1935.jpg/800px-Dust_Storm_Texas_1935.jpg

　この大規模な上層波はロスビー波またはプラネタリー波と呼ばれている。この上層大気の波の動きはその波長と波がある緯度に依存するだけでなく、その影響は下層にまで及んだ。この波が伴う地上付近の暖気と寒気の移動は、地上での総観規模気象の原因にもなった。これによって、それまで地上での気象を引き起こす主要因と考えられていた気圧分布は、この波の動きの結果に過ぎないという2次的な要因へと位置づけが変わった [3]。実際のロスビー波は、翌年にナミアス（Jerome Namias）の洋上の観測を含めた大気解析によって発見された [本の9-5-3ロスビー波の定式化参照]。

ロスビー波の模式図

　ロスビー波の式は、1940年にアメリカに滞在していたドイツ人気象学者ハウリッツ（Bernhard Haurwitz）によって球面体での厳密な理論に拡張された。しかし、それでもロスビー波の理論は2次元の順圧大気で使われ続けた。それはロスビー波が、2次元の順圧大気でも大気の本質的な重要性を捉えていたからである [1]。ロスビー波を用いた順圧モデルは初期の数値予報においても使われて、その発達に重要な役割を果たした （本の「10-4 実験的な数値予報の成功」参照）。

（カール＝グスタフ・ロスビーの生涯（5）気象予報への貢献へとつづく）

Reference（このシリーズ共通）

[1] Norman Phillips-1998-Carl-Gustaf Rossby: His Times, Personality, and Actions. American Meteorological Society, Bulletin of the American Meteorological Society, 79, 1097-1112.
[2] Horace Byers-1960-Carl-Gustaf arvid Rossby 1898-1957. National Academy of Sciences.
[3] John D. Cox, （訳）堤 之智 -2013- 嵐の正体にせまった科学者たち-気象予報が現代のかたちになるまで, 丸善出版, 978-4-621-08749-7.
[4] Fleming Rodger James-2016-Inventing Atmospheric Science: Bjerknes, Rossby, Wexler, and the Foundations of Modern Meteorology. The MIT Press, 978-0262536318.
[5] M. J. Lewis-1996-C.-G. Rossby: Geostrophic Adjustment as an Outgrowth of Modeling the Gulf Stream. Bulletin of the American Meteorological Society, American Meteorological Society, 77, 2711-2718.
[6] 小倉義光-1978-気象力学通論. 東京大学出版会.
[7] 田家康-2016-異常気象で読み解く現代史. 日本経済新聞出版 978-4-532-16987-9.