気象予測の科学化とノーベル賞

 真鍋淑郎氏がノーベル物理学賞を受賞した。気象学は物理学なのかと驚いた方もおられるかもしれないが、気象学においてはこの「ノーベル物理学賞」受賞の意義は深いと思う。20世紀初頭まで気象学は、当時の物理学、化学、数学などと比べて科学とは見なされていなかった。本の「8-8-1 気象学におけるベーコン主義の破綻」で述べているように、大学に気象学部はなく、気象学として学位授与課程はなかった。気象学専門の先生はおらず、他分野の専門家が片手間に気象学を教えていた。気象学に明確な理論体系はなく、一部の熱力学的な法則を除くと、経験に基づく定性的な内容がほとんどだった。例えば、当時の気象予測の原理の一つは「天気は西から東へ移動する」だった。それから先の予報手法は経験ごとに予報者の数だけ異なった。

その状況を変えようとしたのはドイツの物理学者のヴィルヘルム・ビヤクネスだった。彼は電磁気学の研究者だったが、やはり科学者だった父親を手伝うために流体力学も研究した。その過程で彼は1897年に「ビヤクネスの循環定理」を発見した。これは流体力学の一般的な理論だったが、気象にも当てはめることが出来た。これをきっかけにしてビヤクネスは気象学へ足を踏み込んでいく。一方で、本の「9-1-3 ビヤクネスの気象学への転向」で述べているように、当時古典物理学から相対性理論・量子論への急激な変革が進んでいた物理学分野では、彼は評価されなくなっていった。

その彼が当時の気象学の状況を見て、1904年に唱えたのが「気象予測の科学化」である。これは本の「9-1-4 気象予測の科学化という目標」で述べているように、気象予測を物理学方程式を用いて行おうという壮大な考えだった。これは容易なことではなかった。なぜならば、仮に理論が出来たとしても予測を決定するためには、予測の対象時刻の前までに観測結果を用いた解析を終えて結論を出さなければならない。各地の観測結果を集めて膨大な計算を行って1日あるいは数日先の気象予測を行うのは、簡易的な手動計算機しかなかった当時は、事実上実現不可能だった。しかし、ヴィルヘルム・ビヤクネスはこれに挑んだ。1914年に彼はこう述べている。

誰しも直ちに達成できることだけを目的とするとは限りません。おそらく到達不能なほど遠い目的であっても、それにまっすぐに向かう努力は1つの針路を定める役目を果たします。

ヴィルヘルム・ビヤクネス

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ヴィルヘルム・ビヤクネスは、気象予報のための物理方程式群を作成するとともに、「大気力学でのソレノイド」で述べたように、気象予報に視覚的な手法を利用しようとした。ところが、イギリスのリチャードソンは、第一次世界大戦中に当時新しかった差分法という数学手法を用いて、物理方程式群を改良した独自に数値計算による気象予測の試算を行った。もし成功すれば、64000人の計算者からなる「予報工場」の設立を夢見ていた。しかし、リチャードソンが計算した予測値は実際の値と大幅に異なり、彼の試みは失敗に終わった。これは本の「10-3-3 数値予報の課題」で述べているように、気象予報は原理としては可能だったが、数値計算の過程で起こる問題点がよく解明されていなかったためである。

その後、第二次世界世界大戦後に、本の「10-2-3 数値予報への胎動」で述べたように、天才フォン・ノイマンが電子コンピュータを使った気象予報を推進し（フォン・ノイマンについて（9）数値予報への貢献1参照）、また「10-3 傾圧不安定理論と準地衡風モデル」で述べたようにジュール・チャーニーという数学に長けた気象学者が物理方程式を改良したおかげで、電子コンピュータを使った数値予報が実現された。そして、「気候学の歴史(7)：気候モデルの登場」で述べたように、この気象予報モデルを利用して生まれたのが、地球大気の平均的な流れ再現する大循環モデルである。これを真鍋淑郎氏などが改良して、気候をシミュレーション・予測する気候モデルへと発展させた。これにより地球温暖化研究という分野が生まれて、気候学は実証可能な（と考えられる）科学となった。これが真鍋氏のノーベル賞受賞につながったと私は見ている。

これはもとはと言えば、ヴィルヘルム・ビヤクネスが当時学問としてはひ弱だった気象学に、気象予測の科学化という当時から見ると到達不可能な目標を敢えて設定したおかげである。彼が敷いたレールに沿って、彼の弟子たちが気象予測を長年かけて科学化することに成功した。そして、それから気候モデルが生まれた。ヴィルヘルム・ビヤクネスは5回にわたってノーベル賞候補に挙がったが、受賞するには至らなかった。しかしながら、今回の真鍋氏のノーベル物理学賞受賞によって、気象学は気候学を含めて世間からも名実ともに「科学」と広く認知されたのではないかと考えている。そういう意味で、気象学にとって真鍋氏のノーベル賞受賞は意義深いと感じている。

私は本の「9-2-8 ヴィルヘルム・ビヤクネスのその後」の中で「もしヴィルヘルム・ビヤクネスがノーベル賞を受けていたら、その後に気象学の発展に貢献した人たちの中からもノーベル賞を受けた人が出たかもしれない」と書いた。真鍋氏のノーベル賞受賞を機に、気象学の分野からさらにノーベル賞受賞者が出ることを期待したい。