中学受験理科｜気象観測の気球は真上へ昇る？｜高さごとの風を軌跡から読む

天気の観測に使う気球は、地上の観測所の真上を一直線に上がるのでしょうか。上昇しながら風にも運ばれるため、観測している場所は横へずれていきます。高度ごとの記録を読むときは、縦の移動と横の移動を分けて考えます。

ラジオゾンデは、気球につるして上空の状態を調べる観測装置です。気温や湿度のセンサーに加え、GPSなどを利用して位置や風の情報を得ます。本稿では仕組みの詳しい電波の計算ではなく、位置と時刻の表から上空の風を読む模型を扱います。

高さを上がる時間が、風を受ける時間

上昇の速さを一定の毎秒5mとする模型なら、1000m上がるのに200秒かかります。その200秒間に東へ600m動いたなら、水平移動の平均は毎秒3mです。斜めの軌跡全体の長さを求めて割ると、水平風以外の上昇も含む速さになります。

ここでは気球が水平方向には周囲の風と同じ速さで運ばれると仮定します。縦には気球の浮く性質による上昇があるため、上昇速度5m/秒をそのまま上向きの風速と考えないでください。縦と横で測定の意味が異なります。

実物では上昇速度も風も変化します。位置の記録から得る値は区間の平均であり、その高度範囲のどこでも全く同じ風が吹いたとまでは言えません。模型の条件を外すと、より細かい記録が必要になります。

例題1・2。横軸は東向きの位置、縦軸は高度。各1000mを200秒で通過します。

東へ流されたなら、風は西から吹いているので西風です。気球が向かった方角をそのまま風向欄へ書くと、百八十度逆になります。図では移動の矢印に「東へ」、言葉の欄に「西風」と両方記すと取り違えを防げます。

北へ流されたなら南風です。北東へ流された場合は南西風に対応しますが、斜めの距離を求める資料がなければ、東西・南北それぞれの成分を読むところまでにします。風向の名前を先に決めてから座標を合わせるのではなく、観測したずれから順に考えます。

地上から高度1000mまで、気球は毎秒5mで上昇しました。この間に東へ600m移りました。所要時間、平均の水平風速、風向を求めてください。水平には風と同じ速さで動く模型です。

答え・解説： 時間は1000÷5＝200秒、水平風速は600÷200＝3m/秒、風向は西です。高度1000mを600mで割って速さにはできません。縦の距離から求めた時間を、横の距離の計算へ渡すのが順番です。

高度1000mに達した瞬間の風速が必ず3m/秒という意味でもありません。これは0〜1000mの区間全体の移動を時間で割った平均です。上端だけの値を知りたいなら、その付近の短い区間を調べます。

次の1000mも毎秒5mで上昇します。高度1000m時点の東向き位置は600m、高度2000mでは200mでした。この層の平均の水平風速と風向、地上からの最終的な水平のずれを求めましょう。

答え・解説： 上の層では200−600＝−400m、つまり西へ400m動きました。200秒なので毎秒2m、風は東から吹く東風です。最終位置は出発点の東200mであり、上の層で東風が吹いていても、気球全体の位置はまだ東側にあります。

出発点から200m東という最後の数字だけを見て、上空も西風だったとは判断できません。区間の開始位置を引き算する必要があります。折れ線グラフで一つ前の点と結ぶ理由が、ここにあります。

例題では横に600m進み、反対へ400m戻ったので、横方向に動いた道のりの合計は1000mです。出発点からのずれは200mです。二つの値は同じ対象を違う方法で数えています。求められているのが移動した全距離か、着地点の位置かを確認します。

400秒全体の水平なずれを時間で割ると東向き0.5m/秒ですが、これは二層それぞれの風速3と2の平均ではありません。向きが打ち消し合う量と、道のりから求める平均の速さを混ぜないようにします。

上空の観測は地上と離れた地点を順に通っています。高い地点の気温が違っても、高さの影響だけか、水平方向の場所の違いもあるかを考える余地があります。縦に並ぶ表を見たら、同じ鉛直線上の観測と無条件に決めない。観測装置の動きまで想像すると、資料の読み方が一段具体的になります。