原題は『Sounding the Ocean of Air』、著者は Abbott Lawrence Rotch です。
例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに御礼をもうしあげます。
図版は省略しました。
索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
以下、本篇です。（ノー・チェックです）
*** プロジェクト グーテンベルク 電子書籍「空気の海を聴く」の開始 ***
表紙
[2ページ目]
科学のロマンス。
空気の海を聴く
1898年12月に
ボストンのローウェル研究所で行われた6回の講義
による
A. ローレンス・ロッチ、SB、AM、
米国マサチューセッツ州ブルーヒル気象台所長、
国際雲・航空委員会委員。一般 文学委員会
の指示により発行。
ロンドン：
キリスト教知識促進協会、
ノーサンバーランド・アベニュー、WC；クイーン・ヴィクトリア・ストリート43番地、EC
ブライトン：ノース・ストリート129番地。
ニューヨーク：E. & JB YOUNG & CO.
1900
[3ページ目]
この小冊子は、 ローウェル研究所の理事として、 二大陸の科学者が 研究結果を 公衆に発表できるように尽力した 、米国ボストン の故オーガスタス・ローウェル氏
に感謝を込めて捧げられています。
[4ページ目]
訂正
50 ページ、11 行目の「isolation」を「insolation」に読み替えてください 。
59 ページ、21 行目の「direction」の前に「opposite」を挿入します 。
112ページ、 2 行目、115ページ、 2 行目と 15 行目、および索引の175ページと183ページで、「Viollé」を「Violle」に読み替えます。
112ページ、 23 行目、113ページ、 6 行目、および索引181ページの 「Muntz」を「Müntz」に読み替えてください。
123 ページの最後の行、「1889」を「1891 」に修正。
索引、177 ページの「Cotte (T.)」を「Cotte (L.) 」と読み替えてください。
索引、179ページ、「Hann (J.)、36」の後に「173」を追加。
索引、179 ページの「Hellman (G.)」は「Hellmann (G.) 」と読み替えてください。
索引、181 ページ、「Langley (SP)」の後に「28」を挿入します。
[転記者注: これらの修正は現在のバージョンに適用されています]
[5ページ]
コンテンツ
章。 ページ
私。 大気 ― 古代と現代の知識 ― 調査方法 9
II. 雲—形成と分類—ブルーヒルでの測定—国際観測 38
III. 気球 – 注目すべき上昇と得られた成果 – 係留気球 68
IV. 高度計用気球・ゾンデ- 国際高度測定 98
V. 凧の歴史とブルーヒルやその他の地域における気象観測への応用 117
- ブルーヒルでの凧揚げの成果 – 今後の課題 145
索引 175
[6ページ]
[7ページ]
図表一覧
ページ
プレートI。 比較高度 22
プレートII。 大気の高度を示す光学現象 26
プレートIII。 異なる緯度と高度における気温 31
図1. ブルーヒル天文台のネフォスコープ。 52
図2. ブルーヒル天文台の雲経緯儀 54
プレートIV。 雲の高さと速度 57
プレートV。 低気圧と高気圧における高度ごとの大気循環 61
図3. 気象観測用の装備を備えたドイツの気球 87
プレートVI。 4回の高気球飛行で観測された気温 91
図4. ドイツの凧風船。 95
図5. リチャードの気圧温度計 102
図6. エアロフィールの台頭 103[8ページ]
プレート VII。 巻雲の8回の上昇で記録された高度と気温 109
図7. 東洋の尾のない凧。 119
図8. エディ テールレス カイト 129
図9. ハーグレイブ・カイト 130
図10. ブルーヒルの改良型ハーグレイブカイト 133
図11. ラムソンのエアロカーブカイト 135
図12. ブルーヒルで凧によって持ち上げられた気象計 138
プレートVIII。 1896年10月8日、ブルーヒルでの凧揚げの気象図 148
プレートIX。 高度による平均変化と1896年10月8日の凧揚げ中の変化 150
プレートX。 ブルーヒルでカイトが記録した高度の変化 155
プレート XI. ブルーヒルでの凧揚げ観察、1897年9月5日～11日 163
プレート XII。 ブルーヒルでのハイカイト飛行中の自動記録 166
プレート XIII。 ブルーヒルでの高気圧とサイクロンの間の凧揚げの結果 168
[9ページ]
空気の海を聴く
第1章
大気 ― 古代と現代の知識 ― 調査方法
私たちが生き、動き、存在の基盤となっているこの最も重要な要素について、紀元1世紀のプリニウスは次のように記している。「天空の他の驚異について考察する時が来た。我々の父祖たちは、空気という名の生命力に満ちた流体が流れる広大な空間を、このように呼んだ。その流体は、その希少性ゆえに感覚には捉えられない。雲が生まれ、雷鳴も稲妻も、嵐や旋風の渦巻く場所である。そこから雨、雹、霜が降りる。そして、自然との戦いに続く、驚くべき、そしてしばしば破滅的な現象はすべて、そこから生まれる。……太陽の光は四方八方から大地を照らし、暖め、 [10ページ]そしてそれを強める。反射し、運び去れるすべての粒子を分離する。蒸気は下降し、再び上昇する。風は空からやって来て、土砂を積んで戻ってくる。動物たちは上空からこの生命の液体を吸い込み、それが彼らを活気づける。そして大地は、まるでこの方法で空虚を埋めるかのように、それを源へと送り返す。このように、自然はあらゆる場所で、あらゆる方向に作用することで、一見不調和に見える状態を生み出し、そこから宇宙の調和が生まれる。この全体的な動きこそが、万物をあるべき場所に導く。あるものは他のものの破壊によって保存される。すべては動き、すべては作用し、闘争は絶え間なく続く。もしそれが一瞬でも止まれば、万物は混沌に陥るだろう…。」
人類は歴史の始まりから遡る限り、最古の時代から気象現象に興味を抱いてきました。これは、古代の牧畜民族にとって天気がいかに重要であったかを考えれば当然と言えるでしょう。彼らは屋外での生活と鋭い知覚力を備え、自然現象を研究するのに適した環境でした。大気圏で起こる多くの現象の美しさや壮大さ、そしてその原因に対する好奇心が、人々の関心を惹きつけたのでしょう。気象学は、2000年以上も前にギリシャの哲学者アリストテレスによって、天文学や占星術とは区別して体系的に初めて扱われたようです。 [11ページ]「流星」はギリシャ語の「高所」に由来し、大気圏で発生する特定の現象を指して用いられました。これらは空中流星、水中流星、発光流星に分類され、いずれも気象学という用語に含まれていました。アリストテレスはこの名で著した論文の中で、それ以前および同時代のどの著述家よりも詳細な記述をしており、彼の弟子テオプラストスは風と雨の兆候に関する二冊の本を著し、それらはラテン語と英語に翻訳されています。ほぼ同時期にアラトスは、当時の気象に関することわざを詩『ディオセメイア』に取り入れました。ギリシャの歴史家や詩人は大気現象に頻繁に言及し、その例はローマ人にも引き継がれ、プリニウスの詩も引用されています。
人間は常に空へ昇りたいという願望を抱いていたことは疑いようもないが、古代人たちが山に抱いていた畏敬の念のせいで、彼らの著作には登山のことや、高山に登った際に必ずと言っていいほど明らかだったであろう生理学的効果についてはほとんど触れられていない。現存する数少ない物語の一つを引用し、アリストテレスはこう記している。「オリンポスの山頂に登る者は、湿った海綿を携行しなければ生き延びることができなかった。そうでなければ呼吸できないほど薄い空気の中で、彼らはその海綿によって呼吸することができたのだ。」この山は [12ページ]標高1万フィート未満の山は、頂上に雨が降らないほど高かったと言われており、空気は常に静かだと考えられていました。さらに高い山で、古代世界から容易にアクセスでき、登頂されたことが知られているのはエトナ山です。
古代ローマ時代からヨーロッパにおける知識の復興に至るまでの気象学の発展については、中世においては他の学問と同様に修道院に限られていたこと以外、ほとんど何も語られていない。大気の範囲については様々な憶測が飛び交っていたが、11世紀半ば、アラブ人の博識家アルハゼンが薄明の長さから大気圏が地上19リーグ（約19キロメートル）まで広がっていることを算出するまで、様々な憶測が飛び交っていた。同じ手法は、ティコ・ブラーエ、ケプラー、そして16世紀と17世紀の他の天文学者たちによって、より精密に応用された。最古の気象記録は、修道士たちが暦やミサ典礼書に時折記したものと考えられるが、それがいつ頃初めて行われたのかは不明である。現存する最古の気象日誌は、1337年から1344年にかけてオックスフォードでウィリアム・マールが記録したものです。この写本をはじめとする多くの古い記録が明るみに出され、出版されたのは、英国の気象学者であり愛書家であった故シモンズ氏のおかげです。ヘルマン博士はドイツでさらに多くの研究を行い、この歴史的研究は [13ページ]気象学の科学の重要性が高まっていることを示す証拠。
大航海時代の到来とともに、地球の気候的特徴は主に赤道からの距離、海への近さ、そして海抜高度によって決まることが明らかになりました。特に熱帯地方では、山の斜面では豊かな植生が衰え、高地では雪に覆われる様子は、高度とともに気温が低下することの目に見える証拠だったに違いありません。ダニエル教授が指摘したように、山は万年雪の線を氷点とする巨大な温度計だからです。気温と気圧を測定する機器の発明により、大気を支配する法則を推論するためのデータを提供する定量的な観測が可能になりました。最も古い気象観測機器は、間違いなく気象計、あるいは風向計であり、その起源は紀元以前に遡ります。次に古いのは湿度計、つまり空気中の水分を測定する機器です。吸収によって作用するタイプのものは15世紀半ばに遡り、凝縮湿度計はさらに1世紀新しいものです。年代順で次に来るのは雨量計で、これは1639年にガリレオの友人カステッリによって使用されたようです。この重要な機器の歴史は、 [14ページ]温度計の歴史は不明であるが、16世紀後半にパドヴァのガリレオが空気温度計を使用していたことは確かで、1631年にフランス人医師レイがそれに液体を満たした。この温度計は他の物理的計測機器と同様にフィレンツェのアカデミア・デル・チメントのメンバーによって完成された。これらの計測機器は1666年に書かれ、ラテン語と英語に翻訳された「自然経験の記録」に記載されている。フィレンツェの温度計は、凍結した水という固定点が1つあり、アルコールまたは水銀が入っていた。1724年にダンツィヒのファーレンハイトは水銀温度計の目盛りに3つの点を定め、氷と塩化アンモニウムによって生じる冷たさを0度、凍結水または32度、そして人間の血液の熱を96度と呼んだ。氷点下と沸騰点の間が180度であるこの温度計と、100度である摂氏温度計は、今日科学界で使用されている唯一の温度計です。温度計の歴史において注目すべき事実は、これらの温度計のどちらも発明された国に残らなかったということです。例えば、ドイツ人の華氏温度計はイギリスとその植民地でのみ使用され、スウェーデン人の摂氏温度計は現在、ドイツを除くヨーロッパ大陸で使用されています。ドイツでは、フランス人のレオミュールの温度計が今でも広く使用されています。4つの基本温度計のうち、 [15ページ]気象観測機器の中で、気圧計は最後に発明されたものでした。アリストテレスは空気に重さがあると疑っていましたが、それが証明されたのは17世紀半ばになってからでした。「自然は真空を嫌う」という古い公理は、ガリレオとその弟子トリチェリによって、吸引ポンプで水が32フィート以上上昇しない理由を合理的に説明することで置き換えられたのです。1643年、トリチェリはこの有名な実験を行いました。彼はガラス管の片端を密閉し、水銀で満たしました。次に、指で開口部を閉じ、水銀の入った容器に逆さまに沈めました。水銀は約30インチまで下がり、これは管の面積と大気の高さの柱の重さであることが判明しました。気圧計の応用はブレーズ・パスカルによるもので、彼はルーアンでトリチェリの実験を、水銀の13分の1の軽さである水を満たしたはるかに長い管を用いて再現しました。管内の水銀は13倍の高さ、つまり32フィート（約9メートル）ありました。1648年、パリにいたパスカルは、義理の弟のペリエに頼んで、水銀を満たした気圧計の管を、クレルモン市から3500フィート（約1000メートル）ほど高いオーヴェルニュ地方のピュイ・ド・ドーム山の頂上まで運ばせました。水銀は上昇するにつれて管の中で減少し、山頂では麓よりも約7.5センチ（約8センチ）低くなっていました。これは、 [16ページ]大気の下層は上層よりも密度が高い。パスカルはパリのサン・ジャック塔でこの実験を繰り返したが、興味深いことに、それから200年以上も経って、同塔とピュイ・ド・ドーム山に気象観測所が設置された。管内の水銀のレベルは高度によって変化するだけでなく、同じ場所で絶えず振動していることがすぐに発見され、気象状態との相関関係が観察されたことから「風見鶏」と呼ばれるようになった。1650年、マクデブルクの市長オットー・フォン・ゲーリケは、空気の重さを別の方法で実証した。彼は自ら発明した空気ポンプを用いて、アリストテレスが試みて失敗した実験、すなわち空気を満たした容器と空気を抜いた同じ容器の重さを測る実験を行った。彼はまた、マクデブルク半球の有名な実験によって、あらゆる方向の空気の圧力を示した。この実験では、中空の半球を互いに重ね合わせ、空気を抜いて作った球体から空気を抜いた後、16頭の馬が引き離すことができなかった。その後まもなく、ロバート・ボイルは、重さと彼が「空気の弾力」と呼んだものについてさらに実験を行い、この圧力計にその名をつけた。イギリスのボイルとフランスのマリオットは、どちらも気体の圧力は体積に比例するという法則を発見した。 [17ページ]気圧は密度に依存します。数年後、ハレーは圧力の低下率と高度の上昇率が異なることを示して、気圧計で高度を測定するための公式を開発しました。この公式は後にラプラスによって完成されました。高所と低所の観測所における気圧計の高さと、その間の空気の平均温度がわかれば、2つの観測所の高度の差を正確に計算できます。逆に、この高さがわかれば気圧の差を計算することもできます。17世紀半ばまでには、最も重要な気象観測機器が発明されました。イタリアはそれらの発祥の地であるだけでなく、兄のレオポルドがアカデミア・デル・チメントを設立したフェルディナンド2世大公が新しい機器をイタリア、さらにはアルプス山脈の向こう側にも配布したため、1654年には1日に数回、12の観測所で観測が開始されました。 1650 年から 1670 年にかけてフィレンツェで行われた観測結果は保存されており、機器による気象学の始まりとなっています。
ペルー征服は、人々をアンデスの高山峠を越えて初めて高地に到達させたが、遠征の歴史には疲労によって引き起こされるいわゆる高山病の記録が残っている。 [18ページ]冷たく希薄な空気による影響だけでなく、科学的な観測が行われたようには見えません。したがって、かなり高度の高い場所の大気の状態は旅行者にはよく知られていたと考えられますが、測地学の任務でペルーに派遣された3人のフランス人アカデミー会員の一人、ブーゲが、赤道近くの山岳地帯で夜間に気温が氷点下になることを観察し、様々な緯度における氷点の高さを確定したのは、前世紀半ばになってからでした。同世紀後半には、イギリスの化学者キルワンが様々な緯度における気温を計算し、1817年には世界一周航海を終えたアレクサンダー・フォン・フンボルトが等温線、つまり地球表面上の等温度線を発表しました。これにより、通常の、つまり計算された気温からの偏差は、陸地と水の分布、そして陸地の地形的起伏に起因することが示されました。フンボルトのこの研究は、その後の比較気候学におけるあらゆる研究の基礎となりました。一方、化学は物理学と歩調を合わせ、1774年には、万物の起源となる四元素の一つである空気という古い理論は、プリーストリーによって否定されました。彼は、自ら発見した酸素ガスが空気の構成要素であることを証明しました。もう一つの構成要素である窒素は、以前は [19ページ]生命を破壊することからアゾトと呼ばれるこの物質は、その後すぐに発見され、空気中におけるその割合はフランスの化学者ラボアジエによって測定されました。
1783年、人類は長年探し求めていた自由飛行手段を手に入れ、速やかにそれを利用しました。熱気球を充填した最初の気球は、フランスのアノネーに住む発明者モンゴルフィエ兄弟にちなんで「モンゴルフィエール」と名付けられました。動物を気球に繋いで飛ばした後、ピラトル・ド・ロジエは、この気球で飛行に挑戦しました。最初は繋留されていましたが、その後解放され、その年の終わりには、水素ガス、当時「可燃性空気」と呼ばれていた気球で、シャルル2世をパリ上空9000フィートまで運びました。1世紀以上にわたり、気球は大気圏探査において最も重要な手段となってきました。しかし、初期の飛行士たちの勇気と科学への献身にもかかわらず、不適切な計器を用いた飛行は、多くの矛盾した誤ったデータをもたらしました。最も注目すべき気球航海と、海洋探検の用語を借りれば大気の探査と浚渫を行う最新の方法については、今後の 2 つの章で説明します。
気象学が科学としての地位を確立するまでに時間がかかった主な理由は、おそらく [20ページ]気象学は、観測場所によって現象の性質が変化するという点で、天文学とは異なる。天文学は、限られた空間の中で古代世界でより容易に発展した。気候学は、長年にわたる様々な場所での観測によって基礎が築かれた後に初めて、大気との関係において人間は海の底に閉じ込められた海洋生物に似ており、大気の真の状態を知るためには相当な高度で観測する必要があることが認識された。前世紀において、物理観測が行われた最高地点は、海抜 16,000 フィート未満のモンブラン山頂であった。この山の登頂は、1787 年に H. B. ド ソシュールと彼のガイドによって多大な困難と苦難を伴い初めて達成された。また、ド ソシュールの疲労と病気によって短縮され不正確な観測が行われた観測は、山自体が近かったことも影響していた。 1802年、フォン・フンボルトとボンプランドはアンデス山脈で高度約18,000フィートに到達し、重要な観測を行いました。19世紀初頭には人類の高度上昇が急速に進み、1804年にはゲイ＝リュサックが気球で苦労も苦痛もなく高度23,000フィートまで上昇し、そこで真の大気の状態を示すとされる観測を行いました。 [21ページ]活発なキャンペーンの後、気球による空の征服は一時的に放棄され、この分野は登山家に委ねられました。しかし今日、その覇権は飛行士にあります。なぜなら、山で高度24,000フィートを超える高度に到達した者は誰もいないのに対し、飛行士は大きな苦労もなくこの高度を1マイルも超え、最近では無人気球を最高峰の2倍の高さまで飛ばしているからです。
図版 Iは、「大気の探査」と題され、大気圏下層の垂直断面を示しています。右側には海抜マイルの目盛りがあり、左側には高度に対応する気圧の目盛りがあります。図の右半分はヒマラヤ山脈のある東半球、左半分はアンデス山脈のある西半球を示しています。次の章で説明するブルーヒルで測定されたさまざまな種類の雲の高さ、ペルーのモンブランとエルミスティにある最も高い気象観測所、人が恒久的に居住している最も高い場所であるチベットの修道院、そして人類が登頂したアンデス山脈の最高高度が示されています。観測者を乗せた気球、または記録機器のみを搭載した気球で観測が行われた高度は、このあと説明するブルーヒル凧が到達した高度と比較することができます。高度は、さまざまな山の雪線の高さなどで表すこともできますし、1000 フィートの尺度として、人類が建てた最も高い建造物であるパリのエッフェル塔を使用することができます。
[22ページ]
プレートI
図版 I.—高度の比較。
[23ページ]
今世紀初頭までの気象学の知識の発展を辿ってきたが、本書の主題である大気の探査方法の検討を始める前に、本書をより深く理解するために、大気の起源、構成、範囲、熱と湿気の状態に関してわれわれが有する一般的な知識を再確認しておきたい。まず、大気、あるいはその名の通り蒸気膜の起源について。ラプラスの星雲仮説によれば、地球は、現存するすべての太陽や惑星と同様に、星雲状物質の雲から凝縮し、すべての天体と同様に西から東へ回転する高温の球状塊となった。地球が冷えると地殻が形成され、現在地球に存在する多くの物質が、周囲のより冷たい大気中に雲として浮遊した。最終的に、これらの物質は地殻上に凝縮された。特に酸素は岩石と結合して減少したはずであり、水素などの軽いガスは [24ページ]地球の大気。植物や動物の生命が誕生した頃、地球の大気は現在よりも濃く、炭酸ガスがはるかに豊富であったことは疑いようがありません。炭酸ガスは石炭紀に植物に吸収され、現在では石炭や石灰岩に閉じ込められています。しかしながら、有史以来、地球の大気の組成や気候条件全体に何らかの変化があったという証拠は見当たりません。
著名なフランスの生理学者、ジュールダネ氏は、人類が地球上に出現したのは第三紀末期、つまり海面気圧が約43インチ（約110cm）、つまり現在の約0.5倍も高かったと主張しました。また、空気の密度が高かったため、気温もかなり高かったとされています。こうした状況下で、人類はまず中央アジアの高地に定住し、気候条件が改善された時点で低地へと移住したと彼は考えました。言い換えれば、ジュールダネ氏は文字通りの「人類の起源」を信じていました。しかし、もしこれが真実ならば、人類の多くは故郷に戻っています。今日、何百万人もの人々が大アジア高原や南米コルディリェラ山脈の平均標高1万フィート（約3,600メートル）に居住し、さらに少数の人々は年間を通して1万5,000フィート（約4,600メートル）の高地で生活しています。
大気の組成。乾燥した空気は、体積の約5分の1の酸素と、 [25ページ]大気は体積の5分の4の窒素と、ごく少量（10,000分の3）の炭酸ガス、痕跡量のアンモニア、オゾン、アルゴン、その他最近発見されたガスからできている。消費された酸素と、動物の生命や燃焼によって放出される炭酸ガスは、炭酸ガスの吸収と植物による酸素の放出によって、自由大気中でこの一定の割合に維持される。拡散と空気の移動性によって完全な混合が起こり、その結果、大気の基本組成はどこでもほぼ同じである。下層大気には水蒸気がさまざまな量で存在し、平均して重量の約1％で、体積は温度に依存する。塵は常に大気中に浮遊している。粗い粒子は沈降するが、火山から来る細かい粒子は上層大気中で長時間浮遊することがある。塵は雲や雨を生成する上で重要な要素であり、多くの光学現象を引き起こす原因となる。
[26ページ]
プレートII
図版 II.—大気の高度を示す光学現象。
大気圏の広がり。もし大気が非圧縮性で、地球上の密度と同じであれば、その高度は約5マイル（約8キロメートル）に過ぎないでしょう。しかし実際には、大気はボイルの法則に従い、圧力に反比例して体積が変化する気体で構成されています。圧力は高度とともに幾何級数的に減少するため、温度が一定であれば、3.5マイル（約5キロメートル）上昇するごとに圧力は半分になります。しかし、温度も高度とともに低下するため、3.5マイル（約5キロメートル）から始まる連続した間隔は短くなります。これは、気体の体積が圧力だけでなく温度にも依存するためです。地球からの高度が上昇するにつれて圧力が減少する様子は、すでに説明した図版Iの左側の目盛りに示されており、その後、密度が測定可能な大気の限界まで減少していく様子は、図版II「大気圏の高度を示す光学現象」の右側に示されています。大気を構成する気体は、おそらく高度に比例して高度まで広がっています。 [27ページ]密度は、酸素は約30マイル、窒素は約35マイルで消失しますが、水蒸気は12マイルでほぼ消滅します。これらの考察から、気圧計で測定できる大気は約38マイルで消失すると推定されます。これは、地平線下18度の太陽の反射光である薄明が示す高度とほぼ同じです。1883年に南海のクラカタウ火山が大噴火した後、鮮やかな夕焼けとより長い薄明は、噴火によって放出された塵が少なくとも60マイルの高度に1年以上浮遊していたことを示しました。同時期に夜間に観測されたいわゆる「光雲」は、おそらく太陽に照らされたこれらの塵粒子であり、三角法による測定によってほぼ同じ高度であることが確認されました。高度70マイル（約110キロメートル）の空気の密度は海面の100万分の1以下（白熱電球の使い終わった電球の中に残っている空気の密度とほぼ同じ）と計算されているが、それでも流星が猛スピードで大気圏に突入すると、摩擦によって発光するほどの密度がある。これらの流星の高度は、2つの観測所で同時に三角測量を行うことで測定されており、時には [28ページ]100マイルを超え、オーロラを非常に希薄な空気中の放電と仮定すると、同じ方法で行われた測定は、地球の大気の高さと同じくらい高いことを示しています。オーロラの高さは非常に変化しますが、オーロラと他の現象の平均高度は、対応する計算された空気の密度とともに、前の図に示されています。この図では、空気の海の深さを、最も深い海と最も高い山と比較することができます。ヤング教授が言うように、大気に明確な上限があると断言することはできませんが、気体の運動論は、酸素と窒素の分子が地球の引力から逃れられないという証拠を提供しているようで、したがって、惑星間空間がヒンメルスルフト、つまり非常に薄い空気で満たされているというフェルスター教授の仮説は根拠がないようです。
大気の温度。大気の暖かさは主に太陽光線から得られます。太陽光線は地表で反射され、一部は大気を通して放射されます。大気の上層で垂直に受けた太陽熱のうち、地球に浸透するのは75%以下（ラングレー教授は60%としています）です。そして、大気が地表に届くと、その量はさらに少なくなります。 [29ページ]太陽の角度が低いためです。高度が上がるにつれて気温が下がる理由は、上層の薄い外層を通した放射による熱損失が大きいことと、下層の密度が高いほど地球から放出される熱がより多く吸収されることによるものです。一般的には、垂直に330フィート上昇するごとに華氏1度下がると言えますが、この割合は高度、場所、時間によって大きく異なります。たとえば、山の上と大気中では気温の低下率は同じではなく、北半球では山の南側の方が北側よりも気温の低下が大きくなります。通常、気温の低下は地表近くで最大となり、夏は冬よりも気温の低下が速くなります。しかし平均的には、高度330フィートで下がる気温の低下は、赤道の南北の地球表面で70マイル変化した場合と同じです。乾燥した空気が上昇すると、加熱されて軽くなるため、熱力学の法則によれば、膨張により183フィート上昇するごとに温度は華氏1度低下し、圧縮により同じ距離を下降すると温度は同程度上昇する。これは「断熱温度変化率」と呼ばれる。これは、温度変化によって生じるためである。 [30ページ]空気の密度は、圧力の変化によって変化しますが、熱の増減はありません。本書では、この加熱と冷却の法則に頻繁に言及する機会があります。山では、山腹に接する気流に影響を与えるため、また測定が不完全なため気球でさえ、断熱変化率はほとんど観測されません。しかし、最終章で説明するように、凧を使った観測によって断熱温度変化が確認されています。凧は、中高度までの自由空気の温度を測定する最良の方法を提供します。上昇気流の断熱冷却は、高度1マイル（約1.6キロメートル）以上で高度とともに気温が急激に低下するもう一つの理由です。上空の気温は、日周変化や季節変化による変化が下空の気温よりもはるかに緩やかであり、地上1マイル（約1.6キロメートル）では、「暖波」と「寒波」の通過を除けば、1日の温度変化は1度未満です。地上6マイルの高度では、常に氷点下をはるかに下回る気温が続いていますが、10マイルの高度では、気球で氷点下80度を記録しました。これは、極地と赤道上空の冬と夏の気温とほぼ同じです。これらの事実は、図表III「異なる高度における気温」にグラフで示されています。 [31ページ]緯度と高度は、北極から赤道まで、その上にある大気を含む地球の半分の部分を表します。
プレートIII
図版 III.—さまざまな緯度と高度における気温。
おそらく、前の図では大気圏の高さに対する地球の曲率は誇張されていなかったが、現在の図では [32ページ]地球の半径上の大気は、非常に広くなっています。北極では年間平均気温が約 0 度、赤道では約 80 度です。温度 50 度の大気層 (ここでは線で断面図で示されています) は緯度 45 度で地球に接していますが、赤道からは約 2 マイル上にあります。同様に、氷結線 (32 度) は緯度 58 度で地表を離れ、赤道上で約 3.5 マイル上昇します。0 度の線は極から赤道で約 11 マイル上昇します。これは、熱帯地方では最も高い山だけが雪をかぶっているのに対し、北極圏内では雪線がほぼ海面まで下がっているという事実によってよく示されています。図の線は年間平均気温を示していますが、等温面は夏に上昇し、冬に下降します。高度の変化は北部地域と地表近くで最も大きくなります。気温の逆転現象、つまり上空の方が下空よりも暖かい現象がしばしば起こります。特にシベリアでは、冬の気温は氷点下60度にもなりますが、高度が上昇しても気温が急激に下がることはなく、非常に冷たい地上とさらに冷たい上空の間には暖かい空気の層が介在していると考えられます。そのため、高度が上昇するにつれて気温はまず急激に上昇します。 [33ページ]そしてゆっくりと大気圏の限界まで下降します。温帯緯度では、高気圧の影響で、冬季に山岳観測所では谷間に比べて長期間にわたって静穏で比較的暖かい天候が続くことがよくあります。しかし、気温の逆転現象については、気球観測と凧観測の結果を検討する中で詳しく論じます。
高度の高い気球による観測データは、惑星間空間の温度がどの程度なのかについて意見を述べるには十分ではなく、また正確でもありません。気体の運動理論によれば、惑星間空間の温度は華氏マイナス460度とされています。この温度は「絶対零度」と呼ばれ、一定圧力下の空気は、氷点下1度冷却されるごとに体積の490分の1ずつ収縮するという事実から算出されます。したがって、無圧力下では空気は無限大の体積を持ち、温度は氷点下約490度、つまりマイナス458度になります。宇宙の温度については他にも仮説がありますが、直接測定することは不可能であるため、おそらく推測の域を出ないでしょう。しかし、地球から大気が失われた場合、気温は非常に低くなることは確かであり、たとえ地球の大気が地球の大気圏に存在したとしても、気温はそれ以上低くなるでしょう。 [34ページ]地球を覆う水蒸気がなければ、太陽光線の選択吸収を制御し、太陽光線を大気圏から逃げ出せないようにぼんやりとした光線に変えてしまう水蒸気がなければ、地球は居住不可能な状態となるでしょう。このように、水蒸気は大気の物理学において非常に重要な要素ですが、ここでは簡単に触れるだけにとどめます。
大気の水分— 空気は常に地上の水分から水分を吸収していますが、この水蒸気の張力は高度とともに大気圧の減少よりもはるかに速く減少します。高度約1.25マイル（約1.25キロメートル）では水蒸気量は半分以下になりますが、図Iに示すように、空気の量を半分にするには約5.8キロメートル（約6.5キロメートル）上昇する必要があります。相対湿度、つまりその温度で空気が含むことのできる水分量と比較した空気中の水分の割合は、低高度と高高度でほぼ逆になります。ブルーヒルにおける凧揚げ観測によると、高度1～2マイル（約1.6～2.3キロメートル）までは、冬季および夜間は地表付近よりも乾燥し、夏季および日中は湿潤することが分かっています。高度が高い場所では、空気は常に非常に乾燥していると考えられます。目に見えない水蒸気が目に見える形に凝縮する現象については、次章の雲の項で考察します。
私たちの観察知識は [35ページ]大気の観測には、地上から雲や遠方の光学現象を観測する方法と、大気そのものを直接観測する方法という、大きく分けて二つの方法があります。今世紀初頭には、気象観測のほとんどが大気圏の最下層――フォン・フンボルトは「大気の海の浅瀬」と表現した――で行われていたことが認識されていましたが、山岳地帯での時折の観測を、低高度で一般的に行われている観測に匹敵する、体系的かつ長期にわたる観測に置き換える必要があると考えられるようになったのは、ここ30年ほどのことです。1871年にワシントン山に世界初の山頂観測所が設立され、海抜6,300フィートのこの露出した観測所と、その2倍以上の高さで長らく世界最高峰であったパイクスピーク山の観測所の両方が、長年にわたり米国通信信号局によって維持されてきたことは、アメリカがまだ発展途上の気象学を発展させようと熱心に取り組んでいたことの証左です。現在、世界最高地点の観測所はペルーのエルミスティにあるハーバード天文台によって維持されている。そこでは、19,000フィートを超える高度で、私の助手であるファーガソン氏によって、3ヶ月間、雨や雪が降らなくても作動する自動記録装置が構築された。 [36ページ]注意。しかしながら、アメリカの観測所によって大気物理学に関する知識が増大した程度はわずかであり、かかった費用に見合わないものであることは認めざるを得ない。ヨーロッパの山岳観測所、特にオーストリアアルプスの観測所からはより多くの情報が得られ、ハン博士の大気熱力学に関する素晴らしい議論にデータを提供した。山岳観測所は、相当な高度で一定の観測を継続的に行う唯一の手段ではあるが、それでも重大な欠点がある。地球上の山岳の分布が不規則なだけでなく、山岳は地殻の一部を形成しているため、そこで行われるすべての観測は地殻の影響を受ける。高原の場合、この点は直ちに認められたが、高く孤立した山頂の山頂に観測所を設置することで、大気の状態に近いものになることが期待された。現在では、大気の平衡は非常に繊細であるため、その力学的な研究には、温度、湿度、および気流の正確かつ詳細な測定が必要であることが認識されており、ここで説明する方法は、地球の擾乱を受けずにこれらの要素の値を得ることを目的としています。
雲、風船、凧は自然に互いを補完し合います。雲は方向を示しますが、 [37ページ]高度によって空気の速度や温度は異なりますが、下層の雲が上層を覆い隠している場合や、雲が全くない場合もあります。そのような場合には、気球や凧を使って気流の方向を測ることができます。地上で風がほとんどない場合、あるいは数マイルの高さまで到達する必要がある場合は気球を使う必要がありますが、それ以外の場合はほとんどの場合凧の方が適しています。自由大気の温度と湿度の状態は、気球での直接観測、または気球と凧を使った自動記録装置を揚げることによってのみ把握できますが、後者の方法が今後の大きな進歩につながると予測されています。
[38ページ]
第2章
雲—形成と分類—ブルーヒルでの測定—国際観測
雲は最も古くから観測された自然現象の一つであり、太古の昔から天気の兆候として用いられてきました。しかし、その日常的な発生こそが、約1世紀前までその起源が研究されなかった理由である可能性が高いでしょう。コット神父は1774年に出版された気象学の古典『雲の自然史』の中で、雲についてわずか数段落しか触れていませんが、リチャード神父は同時代の著書『空気の自然史』の中で、雲の出現と理論について10章にわたって論じています。蒸発の原因は前世紀には不明であり、その終わりになって初めて、イギリスの化学者ダルトンは水蒸気が空気中に独立して存在することを証明し、ハットンは降水は飽和蒸気流と接触することで生じると説明しました。 [39ページ]雲の形成についてはまだ解明されていない点も多いが、雲の形成に最も効果的な原因は、温度の異なる空気の塊が混ざることではなく、上昇気流とそれに伴う空気の膨張による冷却であることはほぼ確立されている。空気の上昇は、水平運動によって山の斜面を上昇したり、渦に巻き上げられたりすることで起こることもあるが、最も一般的なのは、空気が暖められると比重が減少するため上昇することである。静止状態の空気の温度が、前章で説明したように、乾燥空気の断熱冷却速度である高度183フィートごとに1度よりも速く低下する場合、局所的に暖められた空気は上昇し、露点に達するまでこの速度で冷却される。そして、空気中の水蒸気は塵の粒子に凝結する。エイトケンは、雲の外よりも雲の中に塵の粒子が多いことを発見した。上昇気流によって形成される雲の中で最も目立つのは、丸みを帯びた夏の雲である積雲で、「目に見えない気柱の目に見える首都」と適切に呼ばれています。飽和した空気は乾燥した空気よりもゆっくりと上昇するため、上昇運動は雲塊を通して維持され、積雲の頂上が膨らみます。そして、積雲は雷雲、つまり雷雲で最も発達します。 [40ページ]積乱雲と呼ばれる雲です。したがって、雲域の下限は上昇気流が露点に達する高度によって決まり、雲の形成高度は上昇気流の湿度に依存します。上昇気流が乾燥しているほど、水蒸気を凝結させるためにはより高く上昇しなければなりません。嵐の際には、上昇気流は上空のより強い水平流と混ざり合い、水平流は雲の上部を運び、空全体を均一な層で覆います。波状雲、あるいはさざ波雲は、フォン・ヘルムホルツとフォン・ベゾルトによって説明されました。水平流のうねりによって、温度変化によって水蒸気の希薄化と凝結が交互に生じるためです。低層雲のもう一つの原因は、空気が冷たい表面、例えば晴天夜に放射によって冷やされた地面や、海洋の極流との接触によって露点まで冷却されることです。霧はこのようにして形成されることが多く、それが私たちの上空に昇ると層雲と呼ばれます。最も高い雲は氷晶で構成されています。なぜなら、雲が存在する場所の空気の温度は、氷点下の水よりもずっと低いからです。水滴は華氏32度よりかなり低い温度まで冷やしても凝固することはありませんが、雲を通して太陽と月が見える場合、その雲が氷でできていることは確実にわかります。 [41ページ]光学理論によれば、雲は氷晶による光の屈折によってのみ形成される大きな環、すなわちハローに囲まれています。一方、雲の中の水滴はコロナと呼ばれる小さな色の環を作り出します。粒子が中空でないのに雲が浮くのはなぜか、という古くからの疑問は簡単に答えられます。雲は浮くことはなく、気流に支えられなければ必ず沈むからです。暖かい空気に沈む際に粒子は蒸発して見えなくなりますが、上昇する粒子は凝縮して元の場所に戻ります。そのため、雲の粒子は変化しても存続します。これは、山の頂上から頻繁に流れ出る「雲旗」によって例証されます。これは山の斜面を上昇する空気によって生じます。強風下でも雲は山頂に張り付いたままで、粒子が絶えず更新されていることを示しています。しかし、よくあることですが、風が山の風下側から吹き下ろすと、雲の粒子は消えてしまいます。
著名な博物学者ラマルクは、今世紀初頭に初めて雲の形態の分類を提唱しました。2年後、ロンドンの商人ルーク・ハワードは、画期的な論文『雲の形態変化』を出版しました。そこで提唱された理論と命名法は、より包括的な分類法が存在するにもかかわらず、今日まで広く受け入れられています。 [42ページ]ポエ、レイらによって考案された。ハワードは、雲は地表から上昇する水蒸気によって形成され、雲を構成する小球は固体であり、ドリュックやド・ソシュールが主張したように水素ガスで満たされているわけではないと信じた。ハワードは、今日私たちが行っているように、雲をその外観によって、層雲、積雲、巻雲の3つの主要なタイプに分類した。これらはまた、低雲、中雲、高雲を表していた。層雲は夜間に形成され、通常は地上に停滞する低い雲のシートである。積雲は日中に蓄積した雲であり、巻雲は高層大気の渦巻く雲である。これらの3つのタイプはさらに、後雲、積雲層雲、巻層雲、巻積雲の4つの中間タイプに分けられた。ハワードの命名法はほぼ独占的に使用されていましたが、1889年にパリで開催された国際気象会議で、ハワードの命名法に基づき、イギリスのアバクロンビーとスウェーデンのヒルデブランソンという2人の専門家によって改良された別の分類法の採用が勧告されました。この分類法も雲の起源を無視し、外観のみに基づいていました。翌年、ヒルデブランソン博士は、新しい命名法に従って分類された雲のカラー写真と解説文を掲載した地図帳を、ノイマイヤー博士とヒルデブランソン博士の協力を得て作成しました。 [43ページ]ドイツ国立気象台（Deutsche Seewarte）のケッペン版。この地図帳は、ヨーロッパ大陸の主要な気象機関の観測員のために採用されました。序文には次のような記述がありました。「雲の形態の研究は、理論と気象予報の両面において、日々重要性を増しています。大気の海底での観測だけでは、その循環を明らかにするには明らかに不十分です。しかしながら、雲は様々な高度における大気の状態と運動に関する情報を提供します。しかし、異なる観測者による観測結果の比較は、同じ概念が同じ表現で結び付けられている場合にのみ可能です。雲のような不確定で変化に富む形態を言葉で十分に説明することはほとんど不可能です。したがって、観測者が空で見たものと指示書で見つけたものを結び付けることができるように、簡潔な説明を伴う図式的な表現が必要です。専門家以外の人々に雲の図を理解できるようにするには、少なくとも雲と青空が明確に区別できなければなりません。」
世界各地の気象機関の長らによる会議 [44ページ]1891年にミュンヘンで開催された会議において、アバクロンビーとヒルデブランドソンの分類法を採用することが決定され、以前のものよりも安価な雲図鑑を作成するための委員会が任命されました。筆者もアメリカ人委員を務める栄誉に浴したこの委員会は、1894年にウプサラで会合を開きました。委員会は様々な雲の形状を定義し、それらを描写するための典型的な図を選び、観測のための指示書を作成しました。1896年に出版されたこの図鑑は、雲の形状に関する権威として広く認められています。
一方、米国気象局は、観測者に新しいシステムに慣れてもらうため、単色で印刷された雲の図版を発行した。海軍省も雲に関心を持っており、世界各地の数千人の船員が米国水路局に特別な航海日誌を送っている。数年前、その水路測量士はシグズビー大佐であった。彼は、不運なメイン号の艦長として世間に知られるようになるずっと以前から、海洋の深度と海流の調査で科学的な名声を得ていた。シグズビー大佐は、世界中で行われている雲の観測結果を比較可能にしたいと考え、そのために、船員が理解しやすい国際的な雲の種類をカラー化した地図帳を出版することを決意した。 [45ページ]彼の事務所が供給するには高価すぎなかった。筆者と助手のクレイトン氏が頻繁に相談した2年間の試行錯誤の後、説明文付きとなしの「雲の形の説明図」が1897年に水路部から発行され、いくつかの点でこの地図帳が最高である。しかし、雲そのものを撮影した写真以外では、ある種の形の極度の繊細さを示すことは不可能である。しかし、おそらく説明すべきなのは、青い空と白い雲が感光板に対してほぼ同等の化学作用を及ぼすため、空と雲の適切なコントラストを得るためには、空からの光を偏光するか、最も一般的に行われているように、黄色のスクリーンを通過させて色の光線を分離し、自動色板に当てる必要があるということである。
雲の10種類の主要な種類を定義する前に、雲には大きく分けて2つの種類があることを説明しておく必要があります。乾燥した天候で最もよく見られるのは、独立した塊、あるいは球状の雲です。一方、雨天時に典型的に見られるのは、広く広がったり空を完全に覆ったりする雲です。どちらの種類の雲も、あらゆる高度で見られます。
巻雲は、氷の結晶から形成された、薄く繊維状の、離れており、羽毛のような雲です。 [46ページ]すべての雲の中で最も高く、最も速い速度で移動します。
巻層雲は、多かれ少なかれ繊維状の薄い白っぽいベールを形成し、太陽や月の周りに暈やその他の光学現象を引き起こすことがよくあります。
巻積雲は、一般に白く影のない、離れている小さな綿毛のような雲の群れです。
高層雲は灰色または青みがかったベールで、太陽と月がかすかに見え、時折コロナを形成します。その高度は巻層雲の約半分です。
高積雲は、より大きく、多かれ少なかれ丸みを帯びた、白色または部分的に陰影のある雲の集まりで、互いに接していることが多く、1 つ以上の方向に一列に並んでいることがよくあります。
層積雲は、大きな球状の塊、または暗い雲の塊で、特に冬に空全体を覆うことがよくあります。
積雲は、円錐形または半球形の頂部と平らな底部を持つ、積み重なった雲です。熱せられた上昇気流によって形成されるため、夏季および熱帯地域で多く見られます。強風によって分裂した部分は、破片積雲と呼ばれます。
積乱雲は、山や塔のような形で上昇する巨大な雷雲で、通常は上部に繊維状のスクリーン（偽巻雲）があり、下部に塊があります。 [47ページ]雨が降る後雲に似た雲。
後光とは、濃く不規則な雲の層で、そこから雨や雪が降り続くことが多い。その下には、船乗りたちの尾を引く雲のような切れ切れの雲があり、これをフラクト後光と呼ぶ。
層雲は、非常に低い高度にある薄く均一な雲の層です。層雲が不規則な断片に分裂したものは、フラクト層雲と呼ばれます。
様々な雲の起源と出現について述べた後、ブルーヒル天文台で行われた観測と、それらが大気循環についてもたらす情報について述べます。この研究は、気象学者クレイトン氏が雲の研究に関心を寄せていたことをきっかけに、1887年に開始されました。2年前にブルーヒル天文台での観測結果と共に出版された、彼が行った雲の観測に関する考察は、アメリカ、いや世界でも類を見ないほど徹底した研究であると評されています。ここで一般的に述べられている結論のほとんどは、彼の研究において科学的に表現されています。
最初の調査は、一日の様々な時間帯や季節における雲の量に関するものでした。雲の度合いは、雲が全くない0から空全体が雲に覆われている10までのスケールで記録するのが一般的です。 [48ページ]覆われています。12年間、ブルーヒルでは一日の各時刻における雲の量が記録されてきました。日中は、日照記録計と呼ばれる自動機器によって個人的な観察が補足されています。これは、雲量が明るい太陽光とほぼ逆であることが証明されているためです。したがって、そこでは通常のように、太陽が地平線の上にある時間の46パーセントを照らすと、雲量はほぼ54パーセントになり、これは年間の平均です。この目的で一般的に使用される機器は、燃焼ガラスとして機能するガラス球で、球の下部に同心円状に配置された厚紙のストリップを焦がします。太陽が移動すると、カード上の画像がカード上を反対方向に移動し、光っている間は線が焦げますが、曇っているときはカードはそのまま残ります。同様に、感光紙を入れた暗室に太陽光線を入射させることで、感光紙に記録を残すことができます。夜間の毎時間、個人で観測を続けるのは大変な作業です。そのため、ブルーヒルでは10年間にわたり自動記録装置が使用されてきました。この装置はもっと広く知られるべきです。これは北極星記録装置と呼ばれ、ハーバード大学天文台の所長ピカリング教授によって考案されました。この装置は非常に簡素で、 [49ページ]この望遠鏡は北極星に焦点を合わせたものです。この星は天空の北極ではなく、1度強の距離にあり、そのため24時間で天空に小さな円を描きます。北極星の周囲が晴れているときは、写真乾板上の雲跡は連続していますが、空が一部または完全に雲に覆われているときは、雲跡は途切れたり、見えなくなったりします。もちろん、乾板は暗くなってから露光され、夜明け前に時計によってシャッターが閉じられます。アメリカ合衆国における夜間の雲量の時間別記録は、ブルーヒルとケンブリッジにあるこの装置によってのみ得られています。太陽や北極星の観測から得られる雲量は全天ではなく、光源付近の雲量のみであるという反論があるかもしれません。これは事実ですが、1ヶ月または1年間の記録の平均は、これらの期間の全天の雲量の推定値の平均と非常によく一致することが分かっています。北極星を用いる方が太陽を用いるよりも好ましい。なぜなら、我々の緯度では、北極星は地平線と天頂のほぼ中間の地点での値を与えるからである。一方、太陽は空を横切る高度が変化するため、高度が低い場合、同じ量の雲が垂直に照らされているときよりも多くの太陽光を遮る可能性がある。10年間の観測から、 [50ページ]ブルーヒルにおける雲量の変化に関して、以下の推論がなされている。全ての月において、日中の雲量は午後1時頃に最大となる。これは積雲の発生頻度が日中の最も暖かい時間帯に近づくためである。一方、層雲の発生頻度が次に高いのは日の出頃、つまり最も寒い時間帯である。世界中で、雲量が最も少ないのは夕方であり、この時間帯は放射と地表温度の複合効果により、日射量最も少ない。雲量の年間周期は複雑で、雲の量は大気中の様々な層における湿度の変化と関連している。しかし、北半球では雲量は年の前半に最も多く、後半に最も少なくなる。これはおそらく、地表の温暖化が夏まで上昇気流を増加させる一方で、秋には地表が冷え込み、上昇気流にとって不利になるためと考えられる。地球上の雲の分布は、一般的な大気循環と密接に関連しており、上昇気流がある場所では雲が多く、下降気流がある場所では雲が少ない。これは当然のことながら、下降気流が温暖化し、相対的に乾燥するにつれて、その中の雲が蒸発して消滅するためである。雲帯 [51ページ]地球は赤道で周囲を囲んでおり、その両側には雲の少ない帯が 2 つあるが、高緯度では雲量が増える。地球を大気圏外から見ることができれば、雲帯の上層部で反射した光によって明るく見えるだろう。フランスの気象学者 M. Teisserenc de Bort 氏は、惑星に凝結によって生じたことが知られている模様から、惑星の大気の循環を推測できると考えている。惑星表面のどこに明るい点が見られても、上昇気流の蒸気が凝結しているはずだからだ。これが真実であれば、私たちが見る木星と、他の惑星から見た地球との間には類似点があり、明るい帯は雲の表面であり、暗い部分はその下にある惑星の表面が垣間見えるということになる。
ブルーヒルでは1886年以来、雲の運動方向と高度ごとの見かけの速度の観測が1日に数回行われてきました。雲の動きを測るために、雲鏡（図1）が用いられます。雲鏡は、方位角の同心円を描いた水平の円形鏡と、鏡に直角な平面 BD内および鏡の周りを移動可能な接眼レンズCで構成されており、この接眼レンズCを通して雲の像が鏡の中心Aに結像されます。雲の像の動きは、幾何学的に証明できます。 [52ページ]雲自体の動きに比例するため、一定時間内に雲像がどの方向にどれだけ移動するかを記録することで、雲自体の真の運動方向と相対速度を知ることができます。これは、同じ高さにあるすべての雲の速度と比較できます。高さがわかれば、相対速度は簡単に絶対速度に変換できるため、大気中の異なる高さにおける気流の速度を正確に把握できます。
図1
図1. —ブルーヒル天文台のネフォスコープ。
雲の高さは、1644年にボローニャのイエズス会士リチョーリとグリマルディによって、2つの観測所から三角法で測定されていたようですが、これらの測定と観測から得られたいくつかの結論にもかかわらず、 [53ページ]山や気球による観測では、1884年にエクホルムとハグストロームがスウェーデンのウプサラでさまざまな種類の雲に対して三角法による一連の測定を行うまで、さまざまな雲の高度は正確にはわかっていませんでした。ほぼ同じ時期にキュー天文台でも写真による雲の測定が試みられ、1885年にはマサチューセッツ州ケンブリッジでWMデイビス教授とA・マカディー氏によって、おそらくアメリカで最初の三角法による測定が行われました。1890年から1891年にかけて、ブルーヒル天文台の職員であるクレイトン氏とファーガソン氏がスウェーデンの手法を採用し、最近まで、そこでの測定とウプサラでの測定が、さまざまな種類の雲の高さと速度について正確にわかっていたことのすべてでした。
図2
図2. —ブルーヒル天文台の雲セオドライト。
ブルーヒルにおける三角測量は次のように行われた。天文台と丘の麓約1マイルの2つの観測所で、2人の観測者が同時に雲上のある点の高度と方位角を測定した。この測定は電話による会話で合意された。視線が交わらない場合（よくあるケース）、三角法の公式はこれらの交点の中間にある点の高さを与えた。これらの測定は非常に正確であったため、 [54ページ]最も高い雲の高さの計算誤差はわずか数百フィートである。2つの観測所で雲の位置を連続的に観測することで雲の速度を計算することができる。あるいは、既に説明したように、雲の高さが分かっていれば、1つの観測所で測定された相対速度から速度を求めることもできる。図2は観測所の塔にある経緯儀を示している。ブルーヒルでは他に5つの雲測定法が用いられている。(1) 高く均一な雲層の高さを知る唯一の方法は、 [55ページ]ブルーヒルでは周囲の町々の電気照明が利用される。照明の中心が地平線となす角度を測定し、町までの距離がわかれば直角三角形を解くことができる。(2) 低く均一な雲を正確に測るには、雲の中に凧を飛ばす方法がある。これは最終章で説明する。(3) 雲が地面に影を落とすほど低い場合、天文台から見た雲と太陽の角度を測定し、地図で確かめた丘の頂上からの影の距離を使ってこの三角形を解くことができる。地形上の既知の地点を影が通過する時間も、影の速度を計算する別の方法となる。(4) アメリカの気象学者のパイオニアであるエスパイが提案した、地球から1マイル以内にある雲底の高度を求める方法は、気温と地表の露点との温度差を求め、その差がなくなる高度を計算することである。暖かい日のように上昇気流の温度が上昇し、露点がさらに高くなると、雲が上昇するのが見え、実際、ブルーヒルでの測定では、中高度の雲は、 [56ページ]一日の中で最も暖かい時間帯。（５）最後に、非常に低い層雲や後雲は、丘の側面にあるその基部の高さを測ることによって測定できる。
プレートIV
プレートIV。
世界中の雲の形の識別は確立されており、ブルーヒルでの測定の結果、そこで観測されたすべての雲の高さと速度がわかっています。図版IV「雲の高さと速度」では、雲を5つのレベルに分類し、その平均値をプロットしています。縦軸は高さ、横軸は速度を表し、したがって、水平面からの様々な形の雲の距離はその高さを示し、左側の垂直線からの距離は雲の速度を示します。比較のために、国の一般的な標高より数百フィート高いブルーヒルの風速を示しています。巻雲の平均高度は約29,000フィートですが、この雲は49,000フィートに達することもあります。積雲の平均高度は約1マイルですが、積乱雲、または雷雲の頂上は巻雲のレベルまで達することがあります。通常、雨雲、つまり後光雲の底は地上からわずか2,300フィート（約700メートル）の高さにあり、しばしば海抜わずか630フィート（約190メートル）のブルーヒルの頂上より下に沈みます。「冬になると大地は衣を身にまとう」という詩的な諺は、この現象が「冬になると大地は衣を身にまとう」という表現に由来しています。 [57ページ]科学的な根拠は、すべての雲の平均高度が夏に最も高く、冬に最も低くなることです。しかし、雲の速度は逆で、大気全体の動きは冬の方が夏の2倍速く、下層では季節変化がさらに大きくなります。巻雲の平均速度は時速90マイルです。 [58ページ]冬季には時速約100キロメートル、夏季には約96キロメートルですが、冬季には時速約300キロメートルという途方もない速度で巻雲が移動する現象が時折見られます。平均すると、雲流の速度は、最も低い雲から最も高い雲まで、高度1,000フィートごとに時速約5キロメートルの割合で増加しますが、地表付近では高度とともに増加速度が速くなります。下層の雲の速度は、同じ高さの山の風速よりも遅いことが分かっています。これは、山がダムのように作用して、その上の空気の流れを加速させているという仮定で説明できるかもしれません。スウェーデンでの測定結果によると、中層および上層の雲はアメリカよりも高い位置にありますが、移動速度は遅いことが分かりました。これは、上層流の方向により、気温が等しい表面がアメリカよりもスウェーデンよりも高いためと考えられます。一方、上層雲の速度が速いのは、アメリカ上空の低気圧域と高気圧域の移動速度が速いことと対応しています。
これらの結果は示唆に富んでいます。例えば、大気圏の上半分、つまり高度18,000フィート以上の部分のエネルギーは、私たちが住む下半分の6倍のエネルギーを持つと計算されています。 [59ページ]今のところ、この膨大なエネルギーの蓄えは、人間の利用には利用されていない。どんな航行可能な気球や飛行機も、たとえ稀少ではあっても、上層大気の巨大な速度を食い止めることはできないだろうことは確実だが、将来的には、帆船が貿易風を利用するように、航空機が上層大気の卓越流を利用するようになるかもしれない。世界各地における巻雲の観測結果から、巻雲は常に概ね西から移動することが分かっている。一方、この東に向かう主要な流れの下では、比較的恒久的あるいは一時的な気圧差が生じ、それが大気の通常の循環からの逸脱を引き起こし、嵐の局所的な循環を引き起こす。よく知られている毎日の天気図では、通常、「低気圧」と記された部分と「高気圧」と記された部分があることに気づくだろう。前者は気圧の低い領域であり、地上の風はそこに螺旋状に吹き込む。反対方向時計の針が回転する原因は、気圧の高い領域と、地上の風が逆方向に吹く領域です。前者は発達すると「サイクロン」と呼ばれ、通常は嵐を伴います。後者は「アンチサイクロン」と呼ばれ、晴天をもたらします。サイクロンとアンチサイクロンにおける雲の移動方向の観測から、 [60ページ]高気圧については、積雲レベル（高度約1マイル）より上では、低気圧における内向きの風の傾斜と高気圧における外向きの風の傾斜はともに消え、西からの偏流が一般的となることがわかった。観測結果は図版V「低気圧と高気圧における大気循環」に示されており、上空から見た5つの雲層における、地表と同心円状の大気の断面を表している。矢印は風とともに動き、長さは風速に比例する。点線の矢印は円で示された低気圧と高気圧を通過する空気の想定される流れを示しており、その軸は地表とほぼ垂直であると想定されている。積雲の上空では、低気圧の風は前方では南西から、後方では北西から吹く傾向があるのに対し、高気圧ではその逆で、西上層流が低気圧では右へ、高気圧では左へ偏向することがわかります。これは、低気圧の循環が西からの大気の偏流と闘っているという理論を裏付けています。この偏流は高度とともに増大し、高度1マイル（約1.6キロメートル）を超えると低気圧の影響よりも強くなります。これより高高度では、大気の循環は制御されています。 [62ページ]主に赤道と極の間の恒常的な温度勾配、海洋と大陸の間の季節的な温度勾配、そしてアメリカ合衆国においては「暖波と寒波」の通過によって生じます。クレイトン氏の調査によると、上層雲の動きは地表の等温線とほぼ平行です。高温は空気を上方に膨張させ、上層大気に高気圧を引き起こします。一方、低温は空気を地面に向かって収縮させ、上層大気に低気圧を引き起こします。そのため、上層大気の等圧線は下層の等温線と平行になり、上層大気の摩擦がほとんどないため、風の動きは等圧線とほぼ平行になります。積雲層より下では、風は通常の低気圧循環と高気圧循環に従います。これらの高気圧と低気圧の起源については2つの説がある。一つは、西から東への大気の一般的な動きからエネルギーと漂流を得るとする「駆動説」、もう一つは、その形成と発達を周囲の空気との温度差に帰する「対流説」である。山岳地帯の観測では駆動説が支持されているが、山頂付近の巻雲の内向きの螺旋運動は、 [63ページ]周囲の空気よりも低い圧力を示す高気圧は仮説に矛盾しており、ブルーヒルでの凧の最近の観測は低気圧の対流理論を強く支持している。
プレートV。
ブルーヒルでは、雲と天気予報の関係について調査が行われました。例えば、少なくともこの地域では、一般的な見解に反して、巻雲は雨を予兆するものではなく、雲の動きの速さに比例した気温の変化を予兆することが判明しました。高積雲は、24時間以内に4回のうち3回雨が降ることがあります。高層雲および中層雲は、西側の地点で雲塊が最も密集し、西から雲が流れ込むときに、雨が最も頻繁に発生します。助手のスウィートランド氏は、特殊な雲の形態とその後の天候との関係を研究しました。彼は、巻雲の柱状雲は晴天に先行し、巻積雲の密集した塊は雨に続くと結論付けています。下層の丸い垂れ下がった雲、つまり乳頭状の雲は雨を、上層雲は晴天を示します。すべての雲の中で、暗い層雲とレンズ状の雲は、雨に続く最も頻繁な雲です。気温の変化を予兆する雲の中で、雷雨と関係のある塔状積雲は、 [64ページ]気温が最も低下する前に雲が発生し、次にレンズ雲、薄片状巻雲、高積雲の順になります。一般的に、平らで薄片状の雲、急速に形成・消滅する雲、そしてより高層で雲が変化する現象は、乾燥した涼しい天候に先行します。
雲を予報手段として捉える現代の研究は、テオプラストスの時代から伝わる天気に関する格言に新たな知見を付け加えたに過ぎないことがわかる。しかしながら、雲の形だけで24時間以上の雨を予報できるとは限らない。しかし、数時間前に特定の雲の形の出現が、総観天気図よりも信頼性の高い雨の兆候を観測者に提供することが多い。電信データを持つ予報官にとって、広範囲に渡って急速に移動する巻雲が優勢であることは、嵐が急速に移動し、天候と気温が急激かつ顕著に変化することを示唆する。一方、ゆっくりと移動する巻雲は、気温の変化が小さく、乾燥した天候を示唆する。嵐の中心の前方および周囲における巻雲の動きの方向は、通常、嵐の今後の動きを示し、嵐は概ね同じ方向に進む傾向がある。
ブルーヒルで行われた研究は、一般的な現象を解明するために雲の観測が重要であることを示している。 [65ページ]大気の動き、そして気圧の最高値と最低値の上空の空気の循環を観測することで、実質的に1～2日先の正確な天気予報が可能になります。上層気流の体系的な観測は、1885年にヒルデブラントソン博士によって国際気象委員会に提案され、1894年の国際雲委員会の会議では、雲の命名法と観測指針が採択されたほか、世界各地で雲の動きと高度の測定を行うことが決定されました。これを受けて、1896年5月1日から始まる年は「国際雲年」と定められ、ヨーロッパとアジアの多くの観測所、そしてアメリカ合衆国の15の観測所で、雲鏡を用いた雲の動きの方向と相対速度の観測が開始されました。雲の高さの三角測量は、ノルウェー、スウェーデン、ロシア、フィンランド、プロイセン、フランスの観測所、そしてトロント、マニラ、バタビアでも実施された。アメリカ合衆国では、ブルーヒルで既に述べた測定が再開され、気象局はワシントンに同様の観測所を設置した。ヨーロッパでは、写真測量計による高さの測定が、 [66ページ]写真カメラを取り付けた経緯儀と呼ばれるものは、視測経緯儀よりも優れた利点を有しており、雲の種類がプレート上に記録されるだけでなく、両観測所で同時に露光された2枚のプレート上で識別できる雲上の点の数だけを計算に利用できるという利点があります。一方、ほぼ均一または暗い雲層の場合は、測定点を写真プレート上に固定するよりも、雲上で測定点を観察する方が簡単です。この理由と、写真測量計の操作の難しさから、ブルーヒルとワシントンの両方で視測器が採用されました。作業は1897年5月1日まで順調に進められ、委員会が定めた計画に従ってブルーヒルでの観測と測定が縮小されました。ウプサラ、マニラ、ブルーヒルで行われた観測と測定はすでに発表されており、他の観測と測定も今後発表される予定です。各国からの相関データの議論は、地球物理学における最も興味深く重要な問題の一つである大気循環に関する知識を深めるでしょう。国際協力によって成果は達成されるであろう。その科学への恩恵は今日あらゆるところで明らかである。しかし、問題全体を解決するためには、 [67ページ]空気の動きを知ることは重要ですが、可能な限り、空気の温度と湿度の状態を把握することも重要です。これは、残りの章で説明する気球や凧を使うことで実現できます。
[68ページ]
第3章
気球 – 注目すべき上昇と得られた成果 – 係留気球
第一章では、熱気球と水素気球の発明について記述され、1783年12月1日、シャルル1世がパリから高度9000フィートまで上昇したことが述べられている。この人類の領域の驚異的な拡張はフランス国民の関心を大いに掻き立て、熱気球と水素気球はそれぞれモンゴルフィエールと シャルリエールと呼ばれ、パリや地方で数多くの上昇が行われた。気球の用途は無数に思われ、ラボアジエは科学アカデミーからこの新発見の価値に関する報告書を作成するよう指示された。目撃した上昇を詳細に記述した後、この偉大な化学者は気球が解決できる問題の多さに愕然とし、研究を中断した。しかし、歴史が示すように、気球の商業的応用は不可能であり、 [69ページ]壮大な観光名所以外にも、科学的な観測にも主に利用されてきました。
イギリスで最初に航空航行に取り組んだのは外国人でした。そのうちの二人はイタリア人でした。哲学者のティベリウス・カヴァッロは、1782年にロンドンの集会で水素を充填したシャボン玉が上昇することを示し、水素気球の発明をほぼ予見していました。もう一人は外交官のヴィンセント・ルナルディで、彼は1784年に大胆な気球飛行を何度か行いました。しかし、最初の科学的気球航海の栄誉は、ボストン出身のジョン・ジェフリーズ博士に帰属します。ジェフリーズ博士は1763年にハーバード大学を卒業し、その後イギリスで医師として活躍しました。そこで彼は王党派となり、独立戦争時にはイギリス軍に従軍しました。ロンドンで彼は航空学に興味を持ち、王立協会の援助を受けて気球で飛行した。その理由について彼はこう語っている。「私は以下の点をより明確に判定したかった。第一に、空中に浮かんでいる状態で自由に上昇または下降する力。第二に、オールや翼が気球の進路を方向づけ、目的を達成するためにどのような効果を生み出すか。第三に、地上からの高さの異なる場所における大気の状態と温度。第四に、気球の気流の変化を観察することによって、 [70ページ]特定の高度における空気、あるいは風の挙動を観察し、風の理論全般に新たな光を当てるという試みである。ブランシャールという名のフランスの飛行士は、フランスで3回、イギリスで1回、それぞれ飛行経験があった。ジェフリーズ博士は、1784年11月30日にロンドンから出発したブランシャールの5回目の飛行に同行するため、100ギニーを支払った。博士は温度計、気圧計、湿度計、電位計、航海用コンパス、そして番号のついた水を満たしガラス栓付きの瓶を数本持参した。これらの瓶は、高度の異なる地点で空にし、栓をすることになっていた。博士は普通のペンや鉛筆では事故を起こしやすいと信用しなかったため、観察結果は罫線のある紙に銀ペンで記録するように手配された。また、気球の進路を決定するためにイギリスの地図も持参していた。ジェフリーズのイギリス人としての心情は、彼の記述から引用されている次の言葉に表れている。「私は美しいイギリス国旗を用意したが、それは翌日、イギリスの国旗の一つに不当に描かれていた。」公文書には、この旗がアメリカ州の旗であったと記されている。気圧計と温度計は数分おきに、湿度計は時折観測された。電位計の指示は変化しなかった。空気のサンプルが採取され王立協会に送られたが、分析された形跡はない。気球はほぼ [71ページ]2マイル（約3.2キロメートル）下山し、1時間半後にケントで無事に下山した。ジェフリーズの観測結果は、最近までの観測結果と比較しても遜色ない。実際、ほぼ1世紀にわたり、観測装置はほとんど改良されていなかった。ジェフリーズが観測した気温の低下、すなわち360フィート（約114メートル）の上昇につき1℃、そして高度とともに湿度が減少するという結果は、後の観測結果と非常によく一致している。
ジェフリーズとブランチャードは1785年1月7日、ドーバーから海峡を渡り、アルトワ州に上陸するという、より危険な航海に出発した。発表によれば、「我々は海上で2時間、フランス本土上で47分間、空中に浮遊していた」という。航海者たちは心から歓迎され、パリでは「イギリスからフランスへ空路で海を渡った最初の船」として惜しみないもてなしを受けた。気圧計とコンパス以外の計器は搭載されておらず、唯一注目すべき科学的成果は、ジェフリーズが「水面上の引力」と考えたものによって、気球が海上で浮力を失ったように見えることだった。カレーのフランス人士官たちは気球の高さを三角法で計測し、気球が海峡の真ん中を横切った時点で、高度4500フィート（約1200メートル）であることを角度測定で突き止めた。ジェフリーズの航海については、 [72ページ]最初の科学気球飛行は、一般的にベルギーの物理学者ロバートソンによるものとされています。彼は1803年にハンブルクから高度24,000フィートという信じられない高度まで上昇しました。ロバートソンは翌年、アカデミー会員のサシャロフを伴い、サンクトペテルブルクから3度目の上昇を行いました。これはロシア科学アカデミーの要請により実施された科学航海であり、高度の違いによる大気とその構成物質の物理的状態、そしてデリュック、ド・ソシュール、フォン・フンボルトらによる山岳観測と垂直上昇の結果の違いを解明することが目的でした。山岳観測は、大気圏外の観測ほど地表の影響を受けないはずがないという結論は正しくもありました。アカデミーが提案した実験には、流体の蒸発速度の変化、磁力の増減、磁針の傾き、太陽光線熱の増加、スペクトルの淡い色の変化、空気の希薄化が人体に与える影響、その他いくつかの化学・哲学的実験が含まれていました。高度約3.2キロメートルに到達し、多くの興味深い観察が行われました。しかし、気球のバスケット内で機器の操作が容易ではなかったため、結果は満足のいくものではなく、決定的な結果を得るには繰り返し実験が必要でした。
パリ科学アカデミーは、 [73ページ]気球に乗ったロバートソンやアルプス山脈のソシュールが推測したように磁力が減少するかどうかを証明することを目的とした調査が行われた。ビオとゲイ・リュサックという2人の若い物理学者が調査を行うために選ばれた。彼らは1804年8月24日にパリを出発し、必要な機器をすべて提供されたが、気球は小さすぎて13,000フィート以上上昇できなかった。ゲイ・リュサックは1804年9月16日に水素を充填した気球で単独で23,000フィートの高度まで上昇した。彼の観察はビオと行った磁力の変化がないことを裏付け、また採取した空気のサンプルから空気の化学組成は不変であることを証明した。温度の観察は高度300フィートで温度が1°低下するという理論を裏付けるものと思われた。空気は非常に乾燥しており、ゲイ＝リュサックは最高高度でも雲がまだはるか上にあることに気づきました。
他国でのいくつかの著名な登頂は無視されたものの、気球発祥の地で科学的な気球飛行が再開されたのは1850年になってからでした。当時、M.M.バラルとビクシオは、雨天の中、パリからそれぞれ19,000フィートと23,000フィートまで2回登頂しました。当初は2倍の高度に達すると予想していましたが、今回の登頂は2度目でした。彼らの最も興味深い観察結果は、 [74ページ]雲塊の厚さは、ある時には15,000フィートにも達し、雲内の気温は+15°から-39°へと急激に低下しました。浮遊する氷晶と関連した奇妙な光学現象もいくつか見られ、空の光は強い偏光を示すものの、雲からの反射光は偏光していないことが分かりました。
作戦の舞台はイギリスに移され、英国協会の後援の下、キュー天文台のジョン・ウェルシュが、ベテラン飛行士グリーンが操縦する巨大な ナッソー気球で4回の飛行を行った。これらの調査の主目的は、フランスでの調査と同様に、異なる高度における大気の温度と湿度を測定することであった。これに加えて、異なる高度の空気のサンプルを採取して分析し、雲からの反射光の偏光を調べた。気球内部の静穏状態と強い日射によって温度計の測定値が影響を受けることを認識したウェルシュは、温度計を磨かれた管に封入し、送風機で空気を管内に送り込んだ。これが最初の吸引式温度計であり、気球内部の空気の真の温度を示す唯一の方法であった。この装置は数年前まで忘れ去られていたが、現在ではその事実が広く知られるようになった。 [75ページ]これは、飛行士が通常得る架空の温度によるものでした。ウェルシュは 12,500 フィートから 23,000 フィートの高度に到達し、その観測により、気温は高度とともに一様に低下し、ある高度 (日によって異なる) に達すると低下が止まり、2,000 フィートから 3,000 フィートの間はほぼ一定、あるいはわずかに上昇することを示しました。その後、規則的な低下が再開され、一般に下層空気よりも緩やかな低下率で維持され、低下が中断されなかった場合よりも高い気温から低下が始まります。季節による低下の変化も実証されました。湿度は高度によってあまり変化せず、非常に乾燥している場所はありませんでした。最後に、雲の光は偏光していないことが証明され、大気の恒常的な組成が確認されました。
1861年、英国協会は、当時イギリスで測地学と気象学の研究に従事していたジェームズ・グレイシャー氏による委員会の指導のもとで気球実験を行うための資金援助を再び提供した。1862年から1868年にかけて、グレイシャーは飛行士のコックスウェル氏を伴い、30回の飛行を行なった。彼らは3回23,000フィートを超える高度に達し、1回は29,000フィートを超え、気球は37,000フィートまで上昇したと推定された。この実験の主な目的は、 [76ページ]グレイシャーの実験は、5マイルまでの空気の温度と湿度の測定、アネロイド型気圧計と水銀型気圧計の比較、オゾン紙による空気の電気的状態と酸素状態の測定、地球からの異なる距離における磁石の振動時間の測定などであった。研究の二次的な目的は、空気の組成、雲の形と厚さ、大気の流れ、音響現象などであった。イギリスは島国であるため長距離の航海は不可能だったため、多くの観測を行うためには頻繁な上昇が必要であった。1869年には、高度1700フィートまでの係留気球による上昇が、急激な上昇下降のために地球に近い場所での観測が不可能だった自由気球の使用を補っていた。グレイシャーは優れた観測者であった。彼の計器は優れており、以前にもテストされていたが、気球のバスケット内での露出状態が悪く、また、温度計にはウェルシュのものと同様の吸引器が備え付けられていたが、グライシャーは、測定値が露出していない温度計の値と一致することに気づき、吸引器の使用は不要であると急いで結論付け、それを廃棄した。
つい最近まで、グレイシャーの結果は自由の条件を表すものとして受け入れられていた。 [77ページ]到達可能な最高高度まで空気を上昇させた。この結果は、気温が高度とともに一様に下がるのではなく、地表近くで最も急速に下がり、高度が高いほど気温の低下速度がずっと遅いことを示した。曇天で高度1マイルまでは、日中の気温の平均低下は300フィートごとに1°という理論とほとんど変わらなかったが、快晴または部分的に晴れの天候では低下がより急速で、地表近くでは160フィートで1°から始まり、高度6マイルを超えると1000フィートで1°まで減少した。係留気球で3分の1マイルまで観測したところ、垂直方向の温度低下に1日の範囲があることが示された。相対湿度の観測結果はウェルシュの結果と一致し、約0.5マイルまではわずかに上昇し、その後5マイル以上では水がほとんどないように見えるまで低下した。その他の観測は決定的なものではなかったが、磁石の振動時間は地上よりもやや長いことが判明した。これはゲイ＝リュサックの経験とは矛盾していた。グレイシャーの最も注目すべき登頂は、1862年9月5日にウルヴァーハンプトンから行われたもので、1時間足らずで高度5マイル（約8キロメートル）を超え、それまでの最高到達高度を超えた。グレイシャーの記述を引用すると、「この時まで私は観測を快適に、そして経験豊富に行ってきた。 [78ページ]呼吸には何の困難もなかったが、コックスウェル氏は過労のため、しばらくの間呼吸が苦しそうだった。砂を排出した後、我々はさらに高度を上げた。吸引器は操作しにくくなり、私も視界がはっきりしなくなった…。約1時間52分後、乾球温度計でマイナス5度と読み取った。その後、湿球温度計の水銀柱も、時計の針も、いかなる計器の細かい目盛りも見えなくなった。私はコックスウェル氏に計器の読み取りを手伝ってくれるよう頼んだ。しかし、地球を離れて以来止まることなく続いていた気球の回転運動により、バルブラインが絡まってしまい、彼は車を降りてリングに乗り込み、バルブラインを再調整しなければならなかった。次に気圧計を見ると、その指示は9¾インチで、依然として急速に減少しており、高度が29,000フィートを超えていることを示している。しばらくして、腕は完全に力を取り戻し、テーブルの上に置いた。しかし、動かそうとした途端、力が入らなくなった。……もう片方の腕を動かそうとしたが、これもまた力が入っていない。それから体を揺らそうとしたが、うまくはいったものの、手足がないように感じられた。……コックスウェル氏の姿がぼんやりと見え、声を出そうとしたが、できなかった。一瞬にして、深い闇が私を襲い、視神経が機能しなくなった。 [79ページ]突然、意識はあり、これを書いている今と同じように脳は活発に活動していました。窒息したのかと思い、すぐに降下しなければ死んでしまうので、これ以上何も経験できないだろうと思いました。他の考えが頭に浮かんだその時、突然意識を失いました…。聴覚については何も分かりません。地上6～7マイルの領域では、完全な静寂と静寂を破る音は空気中に届きません。最後の観測は1時間54分、高度29,000フィート以上で行われました…。無力な状態で「温度」と「観測」という言葉を聞き、コックスウェル氏が車の中で私に話しかけ、起こそうとしていることが分かりました…。それから、彼がより力強く話すのが聞こえましたが、見ることも、話すことも、動くこともできませんでした。彼が再び「試してみて、さあ！」と言うのが聞こえました。それから計器がぼんやりと見え、続いてコックスウェル氏も見え、そしてすぐにはっきりと見えました…。コックスウェル氏は、リングの中にいる間、身を切るような寒さを感じ、気球の首の周りに霜が降りていたと話してくれました。リングから出ようとした時、手が凍りついてしまったそうです。そのため、腕をリングに置いて降りなければなりませんでした。…彼は私に近づきたかったのですが、できませんでした。そして、彼自身も感覚を失いそうになった時、彼は… [80ページ]バルブを開けたくてたまらなかったが、両手が不自由だったため開けることができなかった。最終的には、歯でコードを掴み、頭を二、三度下げて、気球が明らかに下降するまで続けることに成功した。意識を失った後も不都合はなく、落下した時は、交通手段が一切ない地域だったので、7マイルから8マイルほど歩かなければならなかった…。すでに述べたように、最後の観測は高度29,000フィートで行われた。この時（1時間54分）、毎分1,000フィートの速度で上昇しており、観測を再開した時には毎分2,000フィートの速度で下降していた。この2つの地点は、13分という時間差を考慮すると関連しているはずであり、これらのことを考慮すると、気球は高度36,000フィートか37,000フィートに到達していたに違いない。再び、非常に精密な最低気温計の指示値はマイナス11度9分で、高度は3万7000フィートとなります。コックスウェル氏はリングから戻ると、アネロイド型気圧計の中心、青い針、そして車に取り付けられたロープがすべて同じ直線上にあることに気づきました。これにより7インチの指示値が得られ、同じ結果が得られました。したがって、これらの独立した平均値はすべてほぼ同じ高度、つまり7マイル（約11キロメートル）となります。
[81ページ]
グレイシャー氏が到達した高度に関する状況証拠は、近年、批判にさらされている。その理由の一部は、13分間の気球の上昇と下降の速度が一定であったという彼の仮定によるものだが、主な理由は、少なくとも人工呼吸器がなければ、人間は死の領域で生き延びることができただろうという仮定によるものだ。後述するバーソンの観測はグレイシャーの観測よりも高い高度で行われたことは確かだが、90歳という高齢でなお存命の、この英国航空・気象学の巨匠に、すべての功績は帰すべきである。
グレイシャーの例はイギリスでは踏襲されなかったが、フランスでは再び気球への関心を刺激し、フラマリオン氏、フォンヴィエル氏、ティサンディエ氏が科学的な目的で何度も飛行し、その成果を一般向けに公開した。気球での写真撮影は、上層雲からの強い反射と地上を覆うもやのために、概して失敗に終わる。そのため、風景効果を得るにはスケッチに頼らざるを得ず、興味深いが今ではかなり希少な書籍『空の旅』に掲載されているスケッチを参考にすることができる。上層大気はしばしば微細な氷晶で満たされており、下からは見えないものの、奇妙な光学現象を引き起こし、 [82ページ]これらのいくつかは、飛行士であると同時に芸術家でもあるという利点を持つアルベール・ティサンディエ氏によってスケッチされました。
気球旅行に関する多くの物語の中でも、最もスリリングなものの 1 つがゼニス号の悲劇です。1875 年、フランス科学アカデミーと他の科学団体の協力により、気球 ゼニス号による 2 回の旅行が計画されました。1 回は長時間の旅行、もう 1 回は高度の高い旅行でした。パリからボルドーまでの長い旅行は 24 時間で無事に完了し、4 月 15 日、ゼニス号はガストン ティサンディエ氏とクロセ スピネッリ氏、そして気球乗りのシヴェル氏を乗せて再びパリから上昇しました。著名な生理学者ポール バート氏の助言により、呼吸を補助するために 3 つの小さな酸素気球が用意されました。科学的装置は次のようなものでした。高度の異なる場所で炭酸ガスを蓄える炭酸カリウムで満たされたチューブに空気を吸い込むポンプが配置され、分析により高度で炭酸ガスの割合が減少するかどうかを判断できました。大気中の水蒸気の線を調べるために分光器が使用され、2つのアネロイド型気圧計が設置されました。1つは高度13,000フィートまでの気圧を、もう1つは13,000フィートから30,000フィートまでの気圧を計測します。また、気圧計も2つ設置され、 [83ページ]最低気圧計、温度計、その他の科学機器も搭載されていた。高度15,000フィートで、探検家たちは酸素吸入を開始した。これは前年、シベルとクロセ＝スピネッリが高高度上昇で効果的に使用した酸素だった。高度24,000フィートで、ティサンディエはノートにこう記した。「手が凍えそうだ。私は元気だ。皆大丈夫だ。地平線には小さな丸い巻雲がかすんでいる。上昇中だ。クロセは息を切らしている。酸素吸入だ。シベルは目を閉じ、クロセも同じように目を閉じる。」5分後、「シベルがバラストを放出。気温-11℃、気圧300ミリメートル」。この後、ティサンディエは衰弱し、仲間の顔を見るために頭を回すことさえできなくなった。酸素チューブを掴もうとしたが、腕が動かなかった。彼の意識は明晰で、気圧計が280ミリメートルを下回り、高度27,000フィートを示すのが見えた。そして彼は気を失った。30分の意識不明の後、意識を取り戻し、こう記した。「落下中。気温マイナス8度、気圧計315ミリメートル。バラストを放出する。クロセとシベルはバスケットの底で意識を失っている。急速に落下している。」再び意識不明に陥ったが、クロセが腕を振りながら「バラストを放出しろ！」と叫んで目を覚ました。彼はポンプや包帯などと共にバラストを放出した。その後何が起こったかは不明だが、おそらく気球は軽くなり、内部のガスも温まったため、ほぼ同時に再び上昇したと思われる。 [84ページ]以前と同じ高度まで上昇した。ティサンディエが我に返った時には、気球は猛スピードで落下しており、激しく左右に揺れる籠の底には、顔が黒くなり口から血を流した二人の同行者がうずくまっていた。地面に激突した衝撃は凄まじかったが、錨は持ちこたえ、気球はすぐに空になった。気圧データから判断すると、ゼニスは約2万8000フィートの高度を2倍にまで達し、長時間の酸素不足による窒息でティサンディエの二人の同行者が死亡し、ティサンディエ自身も危うく命を落としそうになったと思われる。
この大惨事により、高高度到達への更なる試みは頓挫し、フランスのM.ジョヴィスとマレットによる23,000フィートへの登頂を除いて、過去10年間まで試みられることはなかった。気象観測の結果は奇妙なほど矛盾していた。例えば、バラルとビクシオが23,000フィートの高度で観測した氷点下40度と、アメリカの飛行士ワイズが6,000フィートで観測した氷点上80度などである。「気球籠が気象学という新しい科学の揺籃となる」という予言は実現しそうになかったが、それでもフランス、イタリア、ロシアでは気球による観測が続けられた。アメリカ合衆国では、一連の気球飛行が行われた。 [85ページ]この観測は、当時気象局も含まれていた信号サービスによって行われ、1887 年にヘイゼン教授が到達した 15,500 フィートの高さは、おそらくアメリカで自由大気中で行われた観測としては最大のものでしょう。
気球から空気の真の温度を測定することは非常に困難であり、特別な注意を払わなければ、観測結果は山頂での観測よりも自由大気の状態をより正確に反映しません。急速な上昇中、空気は井戸桶の水のように気球のバスケット内を上昇します。気球は風に流されるため比較的無風状態にあり、空気の循環はありません。温度計は直射日光を遮っていても、上空の加熱されたガス袋からの輻射の影響を受け、さらに、気球が急速に通過する空気層の温度変化に追従するのに十分な感度がありません。気球の高度を計算するアネロイド型気圧計は、急激な気圧変化に対応できません。したがって、温度測定高度の決定には二重の誤差が生じます。通常、温度計を紐に取り付け、それを輪状に吊るすことで、たとえ晴天下であっても、空気の温度をかなり正確に測定できます。2回の気球飛行中、 [86ページ]筆者が何度か上昇を試みたところ、極端な場合、スリング温度計は、気球のリングから通常の位置に吊るされた自動計器で記録された温度よりも 14 度低い温度を示すことが分かりました。しかし、スリング温度計は強い日射の影響を受けやすく、また、良好な結果を得るために気球のバスケットから十分に外側に振り出すこともできません。あらゆる状況下で気温を測定するための標準的な計器は、1898 年に国際的に採用されたもので、45 年前にウェルシュが使用した計器を改良したものです。ベルリンのアスマン博士の発明であるこの計器は、吸引温度計と呼ばれ、温度計の周囲のケースが日射や伝導によって加熱されるのを防ぎ、温度計の球部を通過する空気の流れを確保するように設計されています。
図3
図3.気象観測用に装備されたドイツの気球。
気球観測の再組織化は、プロイセン気象研究所とドイツ陸軍気球隊の将校たちの支援を受けたドイツ航空航行促進協会によって成し遂げられました。ドイツ皇帝はこの事業に個人的な関心を持ち、多額の寄付によって支援してきました。協会の指揮による最初の航海は1888年に行われ、その後も多くの注目すべき航海が行われました。1891年には、会長アスマン博士の厚意により、 [87ページ]筆者は、正確な観測が可能な装備を備えた気球でベルリンから上昇し、スリングと吸引温度計を比較することを特別な目的としました。気球の車体は 図3に示されています。同行したのは、現在では有名な博士でした。 [88ページ]ベルソンはその後2度目の飛行をしましたが、今では50回以上飛行し、そのうちのいくつかは高所への飛行であるため、熟練した飛行士になっています。1894年12月4日、彼はフェニックス号に乗ってプロイセンのシュタースフルトから単独で上昇し、少なくとも意識のある状態では人類が到達したであろう最も高い高度に達しました。酸素を吸入することで意識を保ち、気圧計は9.1インチ、高度約30,000フィートを示し、吸引温度計は零下54度を示しました。通常の温度計は太陽の下で零下11度を示し、この途方もない高度でさえも広がる霞のために太陽の熱が大幅に減少していることを示しました。気球を取り囲む巻雲は氷晶ではなく雪片の構造をしていることがわかりました。この記録破りの上昇の主な成果は、グレイシャー、ティサンディエらが観測した気温と比較して、高高度における気温の異常な低さを記録したことだ。高度1マイルまでは気温の逆転現象、つまり高度とともに気温が上昇する現象が見られたが、それを超えると気温は急激に低下し、26,000フィートを超えると断熱降下に近い速度で下降した。地表ではほとんど無風だった風は、高層大気圏では強風となり、気球は平均時速36マイルで飛行した。 [89ページ]時速マイル。イングランドの島国的位置が高層大気の温度に影響を与えているかどうか、以前から示唆されていたように決定的に証明したいと考えたバーソン博士は、気柱が異常に暖められ上層等温面が上昇する夏の気圧最大期にイングランドで高上昇を実行することを決意した。1898年9月14日、ヨーロッパで異常な暑さが襲ったとき、バーソンはグレイシャーの足跡をたどる機会を得た。バーソンは気球飛行士スペンサーとともにエクセルシオール号に乗り、ロンドンの水晶宮から高度27,300フィートまで上昇し、マイナス29度の気温を観測した。吸入した酸素のおかげで有害な生理学的影響は防げたが、わずか35分前には地上で80度だった気温がマイナス48度から大幅に下がったことによる不快感は残った。気温は最初は急速に下がり、その後3マイルまでは緩やかに下がり、それ以上ではほぼ断熱速度で下がった。この暑い夏の最高気圧にもかかわらず、海洋性気候と南西の海流にもかかわらず、高度27,000フィートでは氷点下約29度を記録した。これは、ベルソンが冬にドイツ上空の同じ高度で観測した気温より数度高いだけだった。しかし、グライシャーは、26,000フィートを超える2回の登山を含むすべての登山において、一度も記録を残さなかった。 [90ページ]氷点下 5 度未満の温度。ウェルシュ、ティサンディエ、ゲイ リュサックも得たこれらの比較的高い温度の原因は、温度計の日射に対する保護が不十分であったこと、機器が加熱されたバスケットとその中のものの近くにあったこと、そして最後に、温度の異なる空気層を急速に通過する際に換気が不足して温度計自体の動きが鈍かったことにある。図 VI は、ヨーロッパとアメリカ合衆国における 4 回の最も高い高度への気球上昇中に観測された高度による温度変化を示している。点は上昇中の観測値、横線は下降中の観測値を示している。これらはそれぞれ実線と破線で結ばれており、左上がりは高度とともに温度が低下し、左上がりは高度とともに温度が低下することを示している 。断熱線は、183 フィートの上昇ごとに華氏 1 度の温度低下を示しており、比較のために用意されている。
プレートVI
図版 VI.—4 回の高高度気球上昇で観測された温度。
この注目すべき気球飛行の記録は、最も大胆でユニークな1897年のS・A・アンドレ氏の北極への航海について触れずに終わるべきではない。彼の航海は地理的発見の航海であり、空中の探査ではなかったが、気象やその他の観測を行う予定であり、アンドレは気球の計器や装置に慣れ親しんでいた。 [91ページ]スウェーデンにおける数回の航海における気球の操縦。極地航海の成功は、主に南風の優勢性と、たとえ風が弱く変動したとしても、その恩恵を受けるのに十分な時間浮上し続ける気球の能力にかかっていた。したがって、気球の水素に対する不透過性は [92ページ]ガスは極めて重要であり、 14万立方フィートのイーグル号は、ベーリング海峡到達に必要な30日間の航続に耐えられるほどの大きさと堅牢性を備えていないという確信から、気象学者で物理学者のニルス・エクホルム博士は探検隊から撤退しました。残念ながら、彼の懸念は根拠のあるものだったようで、勇敢なアンドレと二人の同行者の安全に対する望みは、今や捨てざるを得ない状況です。
1898年、スイスの地質学者ハイム教授と二人の助手は、イタリアの飛行士スペルテリーニの指揮の下、アルプス山脈を北上する、より危険性の少ない航海を試みた。次章で解説するような自動写真カメラを用いて、地質学と地形学の研究に役立つであろう高山アルプスの眺望を上空から撮影することが期待された。第6回国際気球飛行では、広範囲にわたる気象観測が行われたが、気球が当初の予想である北東方向ではなく北西方向に飛行したため、高度13,000フィートのジュラ山脈しか横断できなかった。
何年も前、アメリカの飛行士ワイズとドナルドソンは気球で大西洋を横断することを提案した。このような計画に伴う困難は、 [93ページ]技術的には、そして、ガスを非常にゆっくりと失うため浮力が数日間維持できる気球であれば、高度4～5マイルにあるそのような気球がサンフランシスコからニューヨークへ、あるいは米国からヨーロッパへ移動できない理由はないように思われる。なぜなら、上層雲の動きが、上層大気がほぼ常に西から東へ大きな速度で移動していることを証明しているからである。飛行気球は、ほぼ無風の天候以外では実現されていないが、飛行士は、移動してきた風とは反対の風に向かって上昇または下降することにより、方向を逆転させることがよくある。これらの逆流を隔てる雲がない場合が多く、気球がその中に入ったときにのみ、その逆流が明らかになる。
1869年、グライシャーはイギリスで係留気球を用いて高度1700フィートまで観測を行い、地球からこの距離の範囲内の大気の状態を調査したと述べられています。これは、自由で高速に移動する気球では不可能なことでした。係留気球は、ヨーロッパの都市では500フィートまたは1000フィートの高さから景色を楽しみたい人々を運ぶために頻繁に使用されていますが、グライシャーの時代以降、科学観測者によってはほとんど使用されなくなったようです。1890年から1891年にかけて、ベルリン航空協会は、自由気球による観測と連携して係留気球を使用しました。 [94ページ]説明されていません。この係留気球の容量はわずか5000立方フィートでしたが、アスマン博士が大気圧、空気の温度と相対湿度を記録するために設計した重さ16ポンドの装置を持ち上げるには十分でした。気球は長さ2600フィートのケーブルに接続され、蒸気エンジンで引き下げられました。このようにして、地表近く、高度約800メートルの自由大気中、そして自由気球が到達できる最高高度の3つのレベルで同時に観測を行うことができました。しかし、係留気球は風で押し下げられるため不利な点が多く、前述の気象計には風や突風後の気球の跳ね返りによる激しい衝撃を和らげる巧妙な装置がありましたが、それでも自動記録には支障をきたしました。気球の上昇高度は風によって大幅に低下したため、ケーブルが垂直だった穏やかな天候では気球は 2,600 フィートまで上昇したが、24 回の上昇の平均高度はその半分となり、非常に風が強い天候では気球はまったく上昇できなかった。
[95ページ]
図4. —ドイツの凧型気球。
これらの困難を回避するため、数年前、ドイツ陸軍の二人の将校、フォン・ジークスフェルト中尉とフォン・パーセヴァル中尉によって、強風にも耐えられる係留気球が発明されました。凧のような動作をすることから「ドラッヘン気球」 または「凧気球」と呼ばれ、現在ではドイツ陸軍と海軍であらゆる天候下での偵察に効果的に使用されています。7700立方メートルの小型凧気球は、 [96ページ]1898年、シュトラスブルクで水素または照明ガスを充填した100フィートの容量を持つ気球が初めて気象観測機器の打ち上げに使用され、24時間にわたり数百フィートの高度に留まりました。図4に示すように、この気球は円筒形で両端が半球状になっており、凧のようにケーブルに取り付けられているため、風は気球を押し下げるのではなく押し上げるように作用します。円筒は下端近くの隔膜によって2つの部屋に分かれており、上側の大きい方の部屋にはガスが充填されています。一方、下側の部屋は内側に開くバルブによって風圧を受け、隔膜に押し付けられることで、ガスが漏れても気球のソーセージのような形状が維持されます。気球の底部を囲むもう一つの風袋が舵の役割を果たし、側面のフィンまたは翼が気球の長軸周りの安定性を確保します。機器は気球よりはるか下に吊り下げられたバスケットの中に収納されます。地上で風がほとんど、あるいは全くない場合、係留気球は気象観測に貴重な役割を果たしますが、それ以外の場合は凧の方が適しています。この主張の理由は、凧について検討する際に説明します。
これまで述べてきたことから、ドイツが科学的気球飛行の発展にどれほど貢献したかが分かるだろう。しかし、彼らの永遠のライバルであるフランスは、 [97ページ]大気圏探査において、ドイツは彼らを凌駕する道を見出した。長年にわたり、両国の科学者の間では最高高度達成をめぐる覇権争いが熾烈だったが、1896年にパリで休戦が宣言され、それ以来、両国は調和のとれた協力関係を築いてきた。1898年、フランスとドイツの物理学者が協力の詳細について合意するためにストラスブールで友好的な会合を開いたことは、科学を通じた国家間の連携を象徴するものであり、大気圏に境界はなく、先取りすることもできないことは事実であるが、科学の共通の目的が最終的に政治的な境界さえも消し去ることを期待したい。
[98ページ]
第4章
高度計用気球・ゾンデ- 国際高度測定
人間が高度6マイル（約9.6キロメートル）まで上昇することは困難と危険を伴うことを既に見てきました。生命維持に必要な酸素を供給する装置を備えていても、それ以上の高度に到達することはほとんど期待できません。したがって、高度6マイル（約9.6キロメートル）より上の大気層に関する情報、すなわち大気圏そのもので確認する必要がある事実を得るためには、いわゆるバルーンゾンデ（気球ゾンデ）を使用する必要があります。これは、自動記録装置を搭載しながら観測者を乗せない装置です。この方法は、1809年というかなり昔にコペンハーゲンで提案され、フランスの気球飛行士エルミートとブザンソンによって初めて実行されました。ちなみに、彼らはアンドレが計画を発表する少し前に、気球で北極点に到達する試みを提案していました。
風船は風速計として最適です。 [99ページ]気球は浮上する流れの方向と速度をとるので、有人気球が出発する前に、上層の風の方向と強さを判断するためにいくつかの小さなパイロット気球を飛ばすのが通例です。気球が浮上する流れの高さはわかりませんが、三角法またはマイクロメトリック法で気球の高さを測定することで確かめることができます。それでも、流れの方向と速度の大まかな知識は得られます。このアイデアを使用して、M. Bonvallet は 1891 年にフランスのアミアンから 97 個の紙風船を飛ばし、各風船に降下時間と場所を尋ねるポストカードを添えました。これらのカードのうち 60 枚が返送され、ほぼすべての気球が上層流によって東に運ばれ、10 個が 130 マイルを超え、1 個が時速ほぼ 100 マイルの速度で移動していました。
翌年、M.M.エルミートとブザンソンは35立方フィートの内容量を持つ気球を用いて実験を継続し、パリから発射された気球の約半数が半径100マイル以内で回収されました。気球の上昇高度は、以下の要素によって決定されます。18,000フィートまで上昇するには、大気圧が地上の半分（図I参照）であるため、気球は半分のガスを充填した時点で地面から浮き上がらなければなりません。 [100ページ]35,000フィートまで上昇するには、圧力が4分の1まで低下し、4分の1まで充填された時点で上昇を開始できなければなりません。これは、上昇力が当初、ガスの漏出、ガスの冷却、気球の外側への水分の付着など、様々な原因によって減少することが多いためです。したがって、雲を突き抜けるには、相当な上昇力が必要ですが、雲の上では高度とともに太陽熱の影響が大きく増加するため、気球内のガスは周囲の空気よりもはるかに高温になり、理論上の高度を超えてしまいます。
150立方フィートの石炭ガスで膨らませた気球は高度がかなり上がることが確認されたため、簡素で軽量な記録計と郵便はがきが気球に取り付けられた。圧力が下がると、アネロイド型気圧計がスモークガラスに線を描き、降下後にエアポンプの受圧部の下に設置し、線を再現するのに必要な圧力をマノメーターで測定した。これにより高度を概算することができた。最高・最低温度計はよく知られたU字型で、付属の説明書には、見つけたらすぐに読み取るようにと書かれていた。郵便はがきを順次切り離すためのスローマッチが備え付けられていた。 [101ページ]紙風船が見つかり郵送されたので、気球の軌跡を判定することができた。当初これらの気球はballons perdus、すなわち失われた気球と呼ばれていたが、パリから解放された 14 機の気球のほとんどが回収されたことが判明すると、 ballons explorateursという名称が与えられ、その後、ballons-sondes 、すなわち測深気球に改められた。ドイツ語ではRegistrir-Ballonsと呼び、英語では unmanned balloons とも呼ばれている。これらの紙風船の 1 つが高度 30,000 フィート近くまで達した後、MM. エルミートとブザンソンは、より高性能な機器を搭載するため、容積 3,960 立方フィートの金箔製気球の建造に取り掛かった。フランスのリチャード・ブラザーズ社製の自動記録計は、この目的に非常に適しており、図5に示すような、内部の時計仕掛けで回転する直立ドラムにインクで記録する気圧計と温度計を組み合わせた装置が採用されている。気圧計の一対の箱Bが空になったことで下のペンが駆動し、アルコールで満たされた湾曲した管Cが変形することで上のペンが動き、温度を記録する。気圧計の指示と空気塊の温度から、ラプラスの公式を用いて記録時刻における高度を計算することができる。前述の気球は、最初の気球であった。 [102ページ]いわゆるエアロフィルのもので、石炭ガスで膨らませると、自身の重量40ポンドに加えて77ポンドを持ち上げることができた。この気球は、前述の気圧温度計2台と、遅火で取り外せる情報カードのパッケージを搭載していた。地面に衝突したときの衝撃を和らげるために、機器の1つは、最初の上昇では太陽を遮蔽していなかった柳の籠の中にゴム紐で吊るされていた。これらの気球は、膨張できるように部分的にではなく完全にガスを充填した状態で放出し、自動バラスト排出装置で気球に重しをするのではなく、最初は可能な限りの上昇力を利用することに決定した（図6 ）。エアロフィルの試験は1893年3月21日に行われ、翌日、ヨンヌ県で気球が落下したことを知らせるカードの1枚が返され、気球と機器は損傷した状態で回収された。後者のぼんやりとした軌跡から、高度約49,000フィートで華氏-60度の温度に達したことが計算されました。これは、気圧と気温の両方が、それまでの気球で測定された最低気温でした。この上昇で得られたデータは多少疑わしいものでしたが、気球ゾンデによる大気圏探査の実現可能性は証明されました。非常に高い上昇速度が風を克服し、気球が軌道の頂点まで到達した軌跡を追跡することができました。気球は昼間にも見える流星のように見え、三角測量によって高度を計算できました。一方、ガスの放出と冷却によって生じた下降は穏やかで規則的であり、精密機器を損傷なく回収することができました。
図5
図5. —リチャードの気圧温度計。
[103ページ]
図6
図6. —エアロフィルの上昇。左の図は、急速な上昇に伴う空気抵抗による変形を示しており、右の図は、空気抵抗から解放された際の激しい振動を示している。
[104ページ]
このエアロフィル号は、シュヴァルツヴァルトに落下した後、子供たちによって焼失したため、2度目の登頂が最後となった。しかし、ブザンソン氏は落胆することなく、 6,300立方フィートのエアロフィルII号を建造し、経験に基づいて計器を改良した。記録はインクの凍結によってしばしば中断されたため、ペンの代わりに、記録ドラムを囲む燻製紙に摩擦の少ない針で印をつける方式に変更された。太陽による温度上昇を避けるため、温度計は両端が開いた柳細工の筒に入れられ、光沢のある金属紙で覆われた。 [105ページ]これは気球の下に、軸が垂直になるように吊るされていた。気球が上昇または下降するときにシリンダーを通る通風が日射を打ち消すためである。次の上昇では、ほぼ同じ高度で華氏36度低い温度が記録され、保護の効果が示された。最低気温の独立した記録を確保するため、アルコールを満たし、黒い目盛りが付いた温度計のチューブからなる独創的な装置が使用された。アルコールが沈んだ最低温度は、チューブの後ろに置いた写真用紙に記録され、全体は地面に着くと自動的に閉じる金属製の箱に包まれていたため、好奇心旺盛な人の干渉から保護された。1898年半ばまでに、16,000立方フィートのガスを入れるためにニスを塗った絹で建造されたエアロフィルによる10回の航海が行われた。
目標の一つは高高度の空気サンプル採取だったが、これは最近まで実現していなかった。この目的のための最初の装置は、所定の圧力でアネロイド型気圧計がコックを回し、排気されたレシーバーと連通する仕組みだった。レシーバーは空気で満たされ、その後閉じられる。コックから空気が漏れたため、次に化学的に熱を発生させてガラス管を密閉するという独創的な装置が試された。しかし、これも失敗に終わった。 [106ページ]しかし、最終的にカイユテ氏の装置が問題を解決しました。気球が視認できる限り、気圧記録から推定される高度を直接観測で制御することが推奨され、この目的のために、気球が地面を離れるとすぐに望遠鏡でマイクロメートル単位の測定が行われました。また、気球に向け続けると方位角と角高度が自動的に紙に記録される、記録用経緯儀も使用されました。これらの記録と、既知の時刻における気圧高度を組み合わせることで、気球の水平移動距離、ひいては速度を計算することができました。また、このような装置を2つ、基線の両端に設置すれば、気球の高度を求めることもできました。
フランスで行われた気球ゾンデの最初の実験は、すぐにドイツでも繰り返され、8700立方フィートの容積を持つゴム製の気球がドイツ航空航行促進協会によって入手されました。石炭ガスで膨らませたこの気球は、約290ポンドの揚力を発揮し、93ポンドの気球本体と6ポンドの気象観測装置の重量を上回りました。「シーラス」と名付けられたこの気球は最初の試験で破裂しましたが、1894年7月には、ベルリンからボスニア国境まで、平均速度1.7キロメートルで700マイルの距離を航行するという驚くべき航海を成し遂げました。 [107ページ]時速62マイル。最高高度54,000フィート、最低気温華氏-63度が記録された。シーラス号の3回目の航海では、異なる高度で同時に観測を行うため有人気球が同行され、このときは時速83マイルで移動し、61,000フィート上昇した。最低気温華氏-88度は高すぎると思われた。これは、急速に上昇または下降する気球内の温度計の換気は太陽放射を打ち消すのに十分かもしれないが、速度を落としながら最高点に近づく気球の場合はそうではないためである。そのため、ドイツの実験を監督したアスマン博士は、係留気球では電気的に吸引されていた温度計を、この実験では重りで駆動する温度計を使用した。その後、インクが凍結したため、記録は写真式になった。吸引装置の有効性は、前述の上昇において確認された。吸引装置が停止した後も、気球は上昇を続けていたにもかかわらず、より高い温度が記録されたからである。1895年4月、シーラス号は72,000フィート（13.25マイル）という驚異的な高度まで上昇し、気圧は1.5水銀柱インチまで低下した。（図Iでは、この極端でおそらく過剰な高度は示されていない。 [108ページ]気球ゾンデ の高度は示されていませんが、巻雲の最高高度3回の平均 が示されています。記録された比較的暖かい気温（華氏-50度）は、アスマン博士自身も、このような極端に低い気圧における温度を記録する通常の方法の正確性に疑問を抱くに至りました。図VIIは、1897年6月までのベルリンからの8回の航海における高度（メートル）と気温（摂氏）を示しています。
ドイツとフランスの間には、高層大気の探査方法をめぐる対立と意見の相違があったにもかかわらず、真摯な協力関係も築かれており、1896年9月にパリで開催された国際気象会議がその機会となりました。有人気球による観測と、各国での気球ゾンデの同時観測を支持する決議が採択されました 。ブルーヒルで凧を使って自己記録計を1マイル以上も空中に打ち上げることに成功したことから、同様の実験を他の地域でも試みるべきだという要望が高まりました。これらの決議を実行するために国際委員会が設立され、ストラスブールのヘルゲゼル教授が委員長、パリのベテラン飛行士でジャーナリストのウィルフリッド・ド・フォンヴィエルが事務局長を務めました。
[109ページ]
図版 VII. 高度と気温
図版 VII.—巻雲の8回の上昇で記録された高度と気温。
上の画像をクリックすると拡大表示されます。
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観測はどこでも同じ条件下で行えるよう、夜間に上昇し、同一の機器を使用することが合意された。こうして、1896年11月14日の早朝、観測員を乗せた気球5基と、記録機器を備えた気球ゾンデ3基が、フランス、ドイツ、ロシアで打ち上げられた。気球ゾンデからの自動図表と有人気球による直接観測を用いて、気球が打ち上げた様々な中心を結ぶ大気の鉛直断面における高度に伴う温度低下の測定が試みられた。パリとシュトラスブルク、ベルリンとサンクトペテルブルク、ワルシャワとミュンヘンなどを結ぶ7つの鉛直断面が利用可能であったが、残念ながら、最上層の観測データは全般的に不足していた。
1897年にはさらに3回の国際登山が行われました。参加者は少人数でしたが、今回は比較的少人数でした。この際、生じた問題を解決し、将来の計画を立てる必要があったため、1898年にシュトラスブルクで国際委員会の会合が開催されました。多くの技術的な問題が解決されましたが、最大の成果は、フランス人とドイツ人の間だけでなく、ドイツ人代表者同士の間でも誤解や偏見が払拭されたことです。このような会議の最大の成果は、個人的な交流にあることは間違いありません。 [111ページ]驚くには当たらないが、英国から誰も来なかったのは残念だった。グライシャーの画期的な気球飛行以来、英国では大気探査はほとんど行われていなかったからだ。会議の有益な成果は、1898年6月8日の早朝に行われた第5回国際気球飛行で明らかになった。オーストリアとベルギーがドイツ、フランス、ロシアに加わり、大気調査の領域はヨーロッパの大部分に広がった。パリ、ブリュッセル、ベルリン、ワルシャワ、サンクトペテルブルク、シュトラスブルク、ミュンヘン、ウィーンから、21機の気球からなる本格的な航空隊が打ち上げられた。そのうち13機には観測員が搭乗し、全員が吸気式温度計を使用した。8機には自己記録計のみが搭載されていた。後者の気球のいくつかは高度5万フィートに到達し、前者はその3分の1の高度まで到達した。選定された日、大気は静止状態にあり、風は弱く変動していたが、上空では例年通り西または南西から吹いていた。これらの観測結果は、ヨーロッパ上空のかなり高い高度で総観図を作成するのに十分な数であったため、地上観測から作成される通常の図と比較することができた。
国際委員会の一般的な活動に加えて、フランスが航空静力学委員会を結成し、特別調査を実施しました。 [112ページ]パリの委員会。著名な物理学者、カイユテ氏とヴィオール氏をはじめとする多くの研究者が協力し、ロラン・ボナパルト公爵という寛大な後援者も見出されました。カイユテ氏が高地から空気サンプルを採取するために使用した装置について、以下に説明します。気球が最高高度に達すると、時計仕掛けで回転する特殊構造のコックが開き、空気が真空状態のリザーバーに流入します。その後、コックは自動的に密閉されます。気球が最高高度に達するのは約1時間15分後であることが分かっているため、コックの開放時間はそのように調整され、コックはさらに回転して少し遅れて閉じます。可動部品を極寒から保護するため、モーターを収納する箱の中に溶融酢酸ソーダを充填した容器が設置されています。これにより、高地の極寒にもかかわらず、結晶状態にあるこの塩は少なくとも数時間は十分な熱を放出します。好気球の上昇中、高度5万フィートで空気が採取され、カイユテ氏によって分析されたところ、1,500～2,000立方メートルの空気が約1,500立方メートルに達しました。ミュンツは 、この高度では空気の組成が下層の空気とあまり変わらないという想定どおりの結果を示した。上層の空気中にわずかに過剰な炭酸ガスが見られるのは、コックに使用されているグリースの酸化によるものかもしれない。 [113ページ]通常の空気と比較して酸素量が少ないのは、グリースによる酸素の吸収、あるいは銅製貯水槽の錫メッキ側面による吸収によるものかもしれません。今後の観測において誤差の原因となり得るものをすべて排除することで、M.ミュンツは、高度によって空気に実際に違いがあるかどうかは証明できると考えている。なぜなら、今日の分析方法は、もし違いが存在するならば、それを示せるほど正確だからである。しかし、気球ゾンデで探査できる領域では、下層の空気をほぼ均一にするのと同じ混合が空気中に起こっている可能性が高いため、その組成にはごくわずかな変化しか見られず、誤差に対する細心の注意が必要となる。これまでの測定法が、低高度における空気の組成が一定であることを示していたのは、間違いなくこのためである。
カイユテ氏のもう一つの重要な貢献は、気圧と高度を結びつけるラプラスの公式を検証するために、写真によって気球の高さを測定する装置の開発である。この構想は、前述のように気球の三角測量を行う地上の観測者を、気球自体に搭載された写真撮影装置に置き換え、定期的に自動的に上空の地面を撮影するというものである。 [114ページ]気球が地面を通過すると同時に、同じシート上にアネロイド型気圧計の写真が撮影された。装置は気球の下に垂直に吊るされ、箱の下部には地面を撮影する対物レンズがあり、上部には適切な距離上に配置されたアネロイド型気圧計の表面を撮影する2番目の対物レンズがある。時計の動きが2分ごとに露出を行い、対物レンズの間に広げられた感光フィルムが両側の像を受光する。対物レンズの焦点距離、地面上の2点間の距離、および写真上の2点間の距離がわかっていれば、単純な比率でその時点の気球の高さを決定することができ、その結果、気圧記録から、圧力と高さを関連付ける法則を演繹することができる。この装置は観測者を乗せた大型気球の航海に効果的に使用され、高さの決定精度は1 ⁄ 250以内であることがわかった。この装置を高高度で使用する場合、気圧計とカメラを極低温から保護する必要があります。この装置は、本来の用途に加え、気球の航路を追跡し、その経路上の様々な地点における水平速度を測定するためにも使用できます。
高層大気の探査 [115ページ]多くの調査に役立つバルーンゾンデは、M によって利用されてきました。ヴィオレ氏は、光量測定、すなわち太陽から放射される熱量、いわゆる「太陽定数」を測定するためにこの装置を開発した。山岳地帯でこの装置を用いた観測が行われたが、大気の吸収量の変化により、結果は様々であった。気球が通過する領域では、気圧が数水銀柱インチまで低下し、水蒸気が全く存在せず、地球の塵埃が及ばない高度では、太陽から地球に放射される熱量の測定は、地表で遭遇するほぼ全ての誤差から解放される。ヴィオレ氏の光量計は、原理的には銅の球体で、外側は黒く塗られており、内部にはある程度の距離を測定する温度計が内蔵されている。太陽光線の作用で球体は加熱され、放射と空気との接触による損失が直接熱の吸収による増加を補うと平衡状態となる。低高度では大気も球体を加熱しますが、高高度ではほぼ真っ暗な空から差し込む太陽光だけが球体を加熱します。気球は風に追従するため、気流による誤差の影響を受けにくくなっています。20分ごとにスクリーンが画面を遮ります。 [116ページ]球体から太陽光線を放射し、空気の温度まで冷却することで、その温度も記録されます。この装置は重量が大きいため、気球ゾンデに搭載されたことはありませんが、観測者を乗せた気球では正常に動作しています。
気象学の観点から大気の探査に積極的に取り組んでいるM. Teisserenc de Bort氏は、熱膨張しないニッケル鋼の枠にドイツ銀の刃を組み込んだ、非常に感度の高い温度計を製作しました。この温度計はファンで換気することができ、温度変化に極めて敏感でありながら衝撃の影響を受けないため、温度の変化する気層を高速で通過する気球ゾンデに最適です。
気球ゾンデの開発を概観すると、 気球ゾンデはおそらく15マイル（約24キロメートル）以上もの高さの大気圏でデータを取得する可能性を提供していることが明らかです。これらのデータは、不正確さは伴いますが、物理学者や天文学者にとって大きな関心事です。気象学者は主に地球から2～3マイル（約4～5キロメートル）以内の大気圏に関心を持ち、結論を導くためには正確な測定が必要です。これらのデータを取得する新しい、そして最も満足のいく方法は凧揚げです。残りの章では、この大気圏探査方法とその結果について扱います。
[117ページ]
第5章
凧の歴史とブルーヒルやその他の地域における気象観測への応用
凧は紀元400年前、アルキタスによって発明されたとされ、スミルナでは今日に至るまで凧揚げが国民的スポーツとなっています。さらに200年後には、中国の将軍ハン・シンが包囲された町の守備隊との連絡手段として凧を用いたと伝えられ、日本では塔から金の装飾品を外して持ち去るのに凧が使われたという伝説が残っています。これらの物語の真偽はさておき、マレー諸島、中国、そして日本において、凧揚げは何世紀にもわたってあらゆる階層の人々の娯楽であり、アジアの人々が常に世界有数の凧揚げの達人であったことは確かです。
尾のついた凧は250年ほど前にイギリスに導入されたようです [118ページ]凧は昔からあるおもちゃであり、アイザック・ニュートンが学生時代に改良を加えたものもある。何世代にもわたって少年たちが凧揚げをし、オイラーのような著名な数学者がその理論を研究したにもかかわらず、最近まで凧は実用には向かないおもちゃのままだった。尾のない凧が身近なものになって以来、凧も尾を失ったのは人間が尾を失ったのと同じ進化の過程による、と冗談めかして言われてきた。しかし、尾のない凧はアジアで何世紀も前から揚げられていたので、尾のある凧が最初に遊び道具としてヨーロッパにもたらされたものというのが真実である。今日オランダでは少年たちがイギリスの弓凧や棒を交差させた普通の凧（どちらも尾を必要とする）を揚げ、その横でジャワのオランダ植民地から輸入された尾のない凧を揚げているのを目にする。 図7は、アムステルダムの博物館にある模型と、ワシントン国立博物館所蔵の中国の鳥凧の絵から描かれたジャワ島東海岸の凧を表しています。東洋の凧の多くと同様に、この凧も平らに作られていますが、風にさらされると、割竹で作られた翼の先端が後方に曲がります。こうして安定性が確保されます。これは、一般的な平凧では尾の作用によって重心が下がり、風に対する傾斜が維持されることで得られる安定性です。
[119ページ]
図7
図7. —東洋の尾のない凧。
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凧の近年の実用化に刺激を受けた歴史研究によると、凧が科学的な目的で初めて使用されたのは1749年、グラスゴーのアレクサンダー・ウィルソン博士とその弟子トーマス・メルヴィルが凧を使って温度計を飛ばした時だったようです。彼らの凧は高さ4フィートから7フィートで、紙で覆われており、互いに背中合わせに固定されていました。それぞれの凧は支えられる限り長いロープを張り、それによって仲間の凧は比例して高い高度まで飛ぶことができました。伝えられるところによると、「一番上の凧は驚くほどの高さまで昇り、時折白い夏の雲の中に姿を消した。一方、他の凧は一列になって、その高さ以下の空中で凧と一体となった。そして、その凧もまた、規則的で陰謀的な動きをしていたため、少年の遊びはたちまち、見る者すべてを大いに魅了する見世物へと変貌した。…彼らは必要な情報を得るために、適切に固定され、ふさふさした紙の房を結びつけた温度計を、高い凧のいくつかから一定の間隔で落下させるという方法を考案した。これは、マッチラインを徐々に焦がすことで実現した。」温度計が地面に落下する際に指示値が変化しないようにする方法は説明されていない。記述は次のように結論づけている。「これらの実験を行っている間、彼らは時折、すぐに…と交信したが… [121ページ]雲は確かに存在したが、これは常に晴天時に起こるため、電気的な性質を示す兆候は全く観察されなかった。雷と大気の電気に関する崇高な分析は、未だ完全に発見されておらず、著名なフランクリン博士の洞察力によってさらに2年かけて解明されることとなった。したがって、1752年にフィラデルフィアで行われた凧を使って雷雲の電気を集めるというフランクリン博士の有名な実験は、雷雲の電気を初めて科学的に応用したものではなく、アメリカは、この大気探査手段のその後の最も顕著な発展を主張できるに過ぎない。
1837年頃、フィラデルフィアにはフランクリン・カイト・クラブという、レクリエーションとして凧揚げをする団体がありました。著名な気象学者エスパイもその会員で、「柱状雲が急速に大量に発生する日には、凧が上昇気流によってほぼ垂直に上昇することがよくあった」と述べています。これは今日でもよく見られる現象です。エスパイは、空気が露点まで冷却されることで雲が発生する高度を計算し、凧を使って雲の高さの計算を検証しました。これらの方法は両方とも、ブルーヒルにおける雲の高さの測定に利用されていることは記憶に新しいでしょう。凧は気温を100度にするために使用されました。 [122ページ]今世紀の初めには北極海より 100 フィート以上も高い高度で観測が行われており、1847 年には WR バートがキュー天文台で凧揚げをし、気温、湿度、風速などの計測を行おうとした。この凧は六角形で、安定させるために 3 本の異なる紐を地面に取り付ける必要があり、計測機器は滑車で凧まで持ち上げられることになっていた。
凧に乗って空高く舞い上がった最初の人物は、おそらく一人の女性でしょう。50年以上前、イギリス人ジョージ・ポコックが製作した巨大な凧によって、彼女は約100フィートもの高さまで舞い上がりました。この凧は、戦場での空中観測や、地上での馬車の牽引に使用されました。その後、難破船で人や命綱を陸に引き上げるために凧を使うことが提案され、1865年にはジョージ・ネアーズ卿が、尾部が中空の円錐でできた、いわゆる「ストームカイト」を発明しました。この形状の尾部は、後に凧と気球の両方に使用され、風が強くなるにつれて抵抗が大きくなるため、非常に効率的です。
1882年、イギリスのダグラス・アーチボルド氏は気象観測に凧の使用を復活させ、凧を使った大気観測の包括的な計画を概説した。これはその後行われたほとんどすべてのことを含んでいるが、その後3年間行われた彼の実際の研究は、凧による風速の増加を確認することに限られていた。 [123ページ]アーチボルドは凧糸の4か所に風速計を取り付けたが、風速計が地面を離れて戻ってくるまでの風の総量しか記録されなかったため、今日のように地面近くと凧で同時に記録することは不可能だった。それでも、アーチボルドは1200フィートの高さまでの風速の差分測定を達成した。彼が使用した凧はダイヤモンド形で、絹で覆われており、すでに述べた中空の円錐を尾に取り付けて縦一列に飛ばした。凧揚げには何年も前から銅線や鉄線が使用されていたが、アーチボルドは糸の代わりにピアノ線を鋼鉄製に代用し、それによって強度を増しながら、糸の重量、サイズ、コストを削減した。1887年、アーチボルド氏は凧から最初の写真を撮影した。この方法はMMによって開発された。 Batut 氏と Wenz 氏はフランスで開発され、Eddy 氏と Woglom 氏は米国で開発されました。
その後、気象観測目的の凧揚げの進歩は、米国で起こり、年代順に述べると次のようになる。1885年にアレクサンダー・マカディー氏（後に米国気象局）は、ブルーヒルでフランクリンの凧揚げ実験を、電位計を追加して再現した。1891年、そして再び [124ページ]1892年、彼はブルーヒルの麓と丘の上、そして丘の頂上から数百フィート上空で凧を集光器として同時に電位を測定した。これは、ドイツのブレスラウのウェーバー博士が同じ目的で凧をより広範囲に使用していたのとほぼ同時期である。アメリカの科学者たちの関心を凧揚げに向けさせ、今日まで続く凧への幅広い関心を生み出したのは、間違いなくニュージャージー州ベイヨンヌのウィリアム・A・エディである。1890年頃、エディ氏は普通の凧で温度計を揚げたが、その後まもなく尾のない凧を考案した。これはジャワ凧に似ているが、水平の横木が垂直の棒の先端に近く、その両端が弓状に後方に曲げられ、紐で結ばれている。この凧は、張られたロープの先端で風に吹かれて上昇を始め、横木より上側の部分にかかる風圧が、より広い下部にかかる風圧と釣り合うまで上昇を続ける。凧は、背骨のどちらかの側を覆う布が緩いことによって片側に落ちないようにしますが、片側の方がもう片側よりも布の量が多い場合、または布がきつすぎて風の中でポケットを形成できない場合は、凧に尾が必要になります。[1]
[1]尾部は凧がひっくり返ったり、「潜り込む」のを防ぎます。尾部の重さが凧の下端を押し下げると同時に、尾部にかかる風圧が凧の下端を後方に引っ張り、凧が風に対して必要な角度を維持するからです。最も効果的な角度は約22度です。横棒の両端を折り曲げると凧は安定します。風の渦によって凧の片側に強い圧力が加わると、その側は後方に押し出され、風に対して有効な面積が小さくなります。一方、反対側が風に対してより直角に近づくと、以前よりも大きな圧力を受けるからです。このようにして、中央の棒の周りの平衡が自動的に維持され、ブライドルの取り付け点より下側の風に対してより大きな面積が確保されることで、必要な風に対する傾斜が確保されます。
[125ページ]
1891年、エディ氏は複数の凧を縦に並べて飛ばすことで最低気温計を吊り上げ、天気予報のためのデータを取得することを提案しました。シカゴ万国博覧会に併せて開催された航空会議の議事録において、当時米国気象局長であったMW・ハリントン教授は、エディ氏による縦に並べて飛ばす凧による大気観測の費用の見積もりを引用し、凧の活用を提唱しました。
これまで、自己記録装置、つまり連続的にグラフィック記録を行う装置が凧で揚げられたことはなかったようです。初期の実験者たちの時代には、そのような装置は凧で揚げるには重すぎて扱いにくかったのですが、ここ数年でパリのリチャード氏が、凧で揚げるシンプルで軽量な記録装置を開発しました。 [126ページ]凧に取り付けることができる気球に関連して説明した機器。この方法では、凧と地上の観測所で同時に記録を取得し、それらから温度と湿度の差を調べることができますが、これはブルーヒル天文台で最初に行われたようです。1894年8月、エディ氏は凧をブルーヒルに持ち込み、それと一緒にリチャード温度計（ファーガソン氏がアルミニウムで部分的に改造したため、重さはわずか1 1/4ポンド）を1500フィートの高さまで持ち上げ、凧による最初の自動温度記録が得られました。翌年の夏、エディ氏は再びブルーヒルでの実験を手伝い、凧の間に搭載したカメラで天文台と丘の写真を100フィート以上の高さまで撮影しました。
自己記録気象計器をかなりの高さまで持ち上げることが可能になったため、ブルーヒル天文台のスタッフによって自由大気の熱および湿度条件の調査が開始されました。彼らはすでに第 2 章で説明した方法で雲の動きを調査していました。
凧とその付属器具の開発と知識の獲得 [127ページ]凧の使い方を理解するのに多くの時間がかかり、多くの凧が損傷または紛失しました。2台以上の自動記録装置を組み合わせたものをメテオログラフと呼びますが、2台の凧はかなりの高さから落とされましたが、痕跡は見つかりませんでした。しかし、凧糸が切れて凧と装置が流されても、凧はパラシュートの役割を果たして装置を地面に優しく運び、通常は両方とも無傷で回収されます。凧が遠くに落ちた場合に簡単に戻れるように、凧それぞれに名前と住所が記されています。風を科学研究にうまく利用し、凧が糸を蹴ったり切れたりしないようにするまでのブルーヒルでの科学的な凧揚げの栄枯盛衰を語るのは退屈な作業であるため、作業の進捗状況について簡単に説明し、その後、現在使用されている方法について説明します。当初は、エディ凧、あるいはマレー凧とも呼ばれる凧は、紙やニスを塗った布で覆われ、安全性と揚力を高めるためにタンデムに連結されていました。凧をロープの複数の地点に取り付けるという原理は、ブルーヒルで早くから採用されていました。ロープの端にすべての引力を集中させることでより高く揚げられることは理論的に証明されていますが、ロープの強度が無限ではない場合、最良の方法は [128ページ]凧は引力を分散させることで効果が得られ、この方法でも上空の風の状態に応じて凧を追加することができます。弓状の横木が頻繁に破損するのを防ぐため、ファーガソン氏は凧を2つの部分に分け、それぞれを中央の棒の金属ソケットに固定し、風に対して上反角を形成しました。また、持ち運びの際に簡単に分解できるという利点もありました。図8に示すこの凧は、地平線上を高角度で飛行し、風速のかなりの範囲を飛行しましたが、恒久的にバランスを保つことができず、風速の大きな変化に適応することもできなかったため、廃棄されました。
[129ページ]
図8
図8. —エディ尾なし凧。
最初の気象計は、記録用温度計と気圧計（高度を計算できる）を組み合わせたもので、1895年8月にファーガソン氏によって製作され、3か月後には温度計に記録用風速計を組み込みました。これは凧に取り付けられた最初の装置だったと考えられます。大気圧、気温、相対湿度を記録する気象計は、1895年にパリのリチャード氏に注文されました。これはフランスの飛行士が既に持っていたものと似ていましたが、凧には軽さが何よりも重要だったため、リチャード氏はこの3連記録計を初めてアルミニウムで製作し、重量を2 4⁄5ポンドにまで軽量化しました。これらの気象計の1つは、2本の凧糸を主索に接続する箇所のリングに吊るされていましたが、この方法は最近まで使用されていました。 1895年8月、エディ凧の他に、オーストラリアのシドニーのローレンス・ハーグレイブによって発明されたセルラー凧またはボックス凧が初めて使用されました。これは従来の凧の形とは全く似ていません。 [130ページ]凧揚げは、本来飛ぶはずのない凧である。図9からわかるように、上面も下面もない2つの軽い箱が、互いに少し間隔をあけて固定されている。風は主に上の箱の前後に揚力をかけ、下の箱は後方に傾いているため圧力が小さく、バランスを保つ。箱の端は風と一直線になっているため、凧は安定し、マレー凧の二面角の役割を果たしている。日本人は単凧揚げをすると言われている。 [131ページ]ハーグレイヴ二重セルの原型であるボックス。
図9
図9. —ハーグレイブカイト。
現在では、ハーグレイブ凧の何らかの形が、科学的な目的で広く利用されています。これらの凧を制御するために必要な太いロープの重量と、それが風に晒される面積のため、高度2,000フィート（約600メートル）に達することは不可能でした。そこで1895年から1896年の冬にかけて、アーチボルドの例と、アメリカ海軍のシグズビー大佐が用いた深海測深法に倣い、ロープの代わりにピアノフォルト鋼線が使用されました。この鋼線は、同じ強度を持つロープの半分以下の重さ、4分の1以下のサイズで、さらに表面が研磨されているため、風による摩擦が軽減されます。この鋼線により、7月には高度1マイル（約1.6キロメートル）に達し、1896年10月にはブルーヒル上空1.3マイル（約1.6キロメートル）に到達しました。
それまでは、二人の人が回すリールで凧を揚げるだけで十分でしたが、凧糸の引張力と長さが増大したため、蒸気動力の導入が必要となりました。1897年1月、スミソニアン協会のホジキンス基金から、高度1万フィートを超える高度での気象記録取得のための助成金が交付されました。凧揚げに蒸気を利用した最初の事例は、間違いなくファーガソン氏が製作した、巧妙な動力分配装置を備えたウインチでした。 [132ページ]オイルを塗布し、ワイヤーの長さを測定した。ワイヤーのコイルが次々と巻き上げられることで、最終的にドラムが押しつぶされ、次の装置はウィリアム・トムソン卿の深海探査装置の原理を応用したもので、圧力の蓄積は発生しない。1897年10月、記録は1万1000フィート、つまり規定高度より1000フィート高い地点から採取された。
ブルーヒルで現在使用されている凧と装置についてここで説明します。
凧はすべて多面型で、ほとんどが 2 つの長方形のセルを持つハーグレイブ構造です。これらのセルは、上部と下部を除いて布または絹で覆われており、4 本以上の棒で 1 つのセルがもう 1 つのセルの上に固定されています。木製のフレームは可能な限り軽量ですが、すべての方向を縛るスチール ワイヤの支柱によって剛性が高められています。平均重量は、揚力面 1 平方フィートあたり約 2 オンスで、すべての揚力面を推定に含めると、エディ凧の揚力面 1 平方フィートあたりの重量とほぼ同じになります。ハーグレイブ凧で最大のものは高さ 9 フィート、重量は 11 ポンド、揚力面は 90 平方フィートです。最近の凧では、揚力面はアーチ型になっており、鳥の翼の曲率に似ていますが、この構造は何年も前にフィリップスによって提案されました (図 10 )。 [133ページ]これらの曲面は、風下への漂流または動きよりも揚力または上向きの引力を増加させるため、ワイヤーにかかる総引力を実質的に増加させることなく角度の上昇が増大し、ワイヤーの破断強度の半分を超えることはありません。
図10
図10. —ブルーヒルの改良型ハーグレイブカイト。
ブルーヒルの成功に最も大きく貢献したのは、おそらくクレイトン氏による凧の調整用ブライドルの発明でしょう。これはすべての凧に採用されています。ブライドルの下部には伸縮性のある紐が挿入されており、そこにフライラインが取り付けられています。風圧が上昇すると、 [134ページ]この紐が伸びると、凧は突風が収まるまで風に対する迎え角を小さくしていきます。凧は、最も強い風が吹いた時に一定の引力だけを引けるように設定でき、凧はほぼ水平に飛びます。こうして、すべての凧が紐に及ぼす最大の引力を計算することができます。この装置を使うと、凧は時速50マイルから60マイルの強風の中でも、切れたり怪我をしたりすることなく飛ぶことができます。ブルーヒルで使用されているもう一つの効果的な凧は、メイン州ポートランドのCHラムソン氏が製作した、いわゆる「エアロカーブ凧」です。図11に示すように、この凧は舞い上がる鳥に似ており、分解して折りたたんで保管したり輸送したりすることができます。
一般的に、ブルーヒル凧の揚力線は地平線から50度または60度に伸びており、時速20マイルの風が吹くと、凧の揚力面1平方フィートあたり約1ポンドの力がかかります。凧は地上で時速12マイル以上の風でも揚げられます。ブルーヒルの年間平均風速は時速18マイルなので、凧が揚がらない日はほとんどありません。
[135ページ]
図11
図11. —ラムソンのエアロカーブカイト。
凧を繋ぐワイヤーは鋼製のミュージックワイヤーで、直径32/1000インチ、重さ1マイルあたり15ポンド、300ポンドの引張力に耐えることができます。ワイヤーは1マイル以上の長さに渡り、細心の注意を払って接合されます。特に、ワイヤーが破損するような急激な曲がりや錆が発生しないよう、細心の注意が払われています。 [136ページ]ワイヤーの重量が増すにつれ、凧は数千フィート間隔で取り付けられ、凧糸を安全に引っ張れる高さまで角度を維持します。これは、凧糸を固定するワイヤー製のアルミ製クランプをねじ込むことによって行われます。新しい凧は安定性と強度に優れているため、気象計は最上部の凧から直接吊り下げられています。リチャード気象計は、約 1 フィート立方メートルのアルミ製ケージに収められており、重さは 3 ポンド未満です。風が温度計の周りの空気を循環させるため、気温の真の値を取得するには、温度計を太陽光線から遮るだけで済みます。ファーガソン氏が製作した別の気象計は、他の 3 つの要素に加えて風速も記録しますが、重さはフランスの計器と同じです。
巻き上げ装置は、同じ装置が正反対の目的を果たす例である。深海を探査するにはワイヤーを上向きに引っ張る必要があるが、大気圏の高層を探査するにはワイヤーを逆方向に引っ張る必要がある。そのため、ファーガソン氏は深海探査装置を改造し、ワイヤーを斜め下向きに引っ張るようにした。ワイヤーは回転する滑車を通過し、滑車は滑車の方向に従って回転し、目盛りに正確な位置を記録する。 [137ページ]ワイヤーは、繰り出されていない長さのロープです。次に、ワイヤーは強力な螺旋バネで支えられた滑車に引っ掛けられます。この滑車によって、ワイヤーにかかる張力は常に時計仕掛けで回転する紙で覆われたドラムに記録されます。ワイヤーはここで張力滑車の周りを数回通過し、最終的に大きな貯蔵ドラムにわずかに張られた状態で巻き取られます。凧を引き下げる際には、張力滑車は2馬力の蒸気機関に接続され、ワイヤーは時速3～6マイルの速度で引き込まれます。凧が上がる際には、ベルトが外され、凧の引力によってワイヤーが繰り出されます。
図12
図12. —ブルーヒルで凧によって持ち上げられた気象計。
ブルーヒルにおける気象観測用の凧揚げの方法は以下の通りである。凧を長いワイヤーで主索のリングに固定し、空中に浮かべて気象計を吊り下げ、もう1枚の凧を短いコードでリングに固定する（図12）。凧を上昇させ、ワイヤーをほどき、地平線との角度が低くなるまで待つ。そこで、前述のクランプを用いて、凧のサイズと風の強さに応じて凧を追加する。到達可能な最高高度で停止した後、ウインチを蒸気機関に接続し、凧を引き下げる。最高高度での停止、および凧を取り付けたり取り外したりする時間は、記録計が周囲の気象状況を把握するために必要な時間である。 [139ページ]空気; そして、これらの時間では気象計はほぼ静止しているので、測量士の通過角の測定が行われ、方位角の観測によって異なる高さでの風の方向が与えられます。各角度の測定が行われた時刻が記録されるため、気象計の軌跡上の対応する点を見つけることができます。ワイヤーの長さとその垂直角から気象計の高さを計算できます。ワイヤーのたるみ、または凧とリールを結ぶ直線からの垂直面または水平面でのワイヤーの偏差は、計算された高さに 3 パーセントを超える誤差を引き起こさないことがわかっています。気象計が雲に隠れている場合は、三角法で決定された最後の点からの高さを、ラプラスの公式を使用して気圧計の記録から計算します。夜間は、高さを決定するための基準となるのは気圧計だけです。ランタンで照準しようと試みたものの、すぐに見えなくなり、見えても星と混同されてしまった。飛行の前後には、気象計を三脚に取り付けて空中に吊るし、温度計と湿度計を標準器と比較できるようにした。
凧揚げの海抜高度。
（ブルーヒルは海抜630フィートです）
年
レコード数 高さ（フィート） 上記の記録の割合
最大値の平均 絶対
最大値 500メートル
（1640フィート） 1000メートル
（3280フィート） 1500メートル
（4920フィート） 2000メートル
（6560フィート） 3000メートル
（9840フィート）
1894 2 1,860 2,070 50 0 0 0 0
1895 28 1,673 2,490 59 0 0 0 0
1896 86 2,772 9,327 78 28 9 4 0
1897 38 4,557 11,716 95 68 45 21 5
1898 35 7,350 12,070 100 92 80 66 20
[140ページ]
ワイヤーとより効率的な凧の使用により、高度は大幅に上昇しました。1898年に行われた35回の飛行において、気象計が丘から到達した平均高度は1.25マイル以上でしたが、1897年以前のすべての飛行の平均高度は約1/4マイルでした（表を参照）。1898年8月のすべての飛行において、気象計が丘から到達した平均高度は約1.5マイルでした。8月26日には、気象計はこれまでよりも360フィート高く上昇しました。三角法で測定された高度は、ブルーヒルから11,440フィート、つまり近隣の海から12,070フィートでした。気象計は最上部の凧（ラムソン型凧の一つ）から吊り下げられ、揚力面積は71平方フィート（約7.3平方メートル）であった。さらに、ワイヤーに間隔を置いて取り付けられた改良型ハーグレイブ型凧4つによって、揚力面積は合計149平方フィート（約14.3平方メートル）にまで拡大された。空中に張られた5マイル（約8キロメートル）のワイヤーの重量は75ポンド（約3.3キログラム）であった。[141ページ]凧と装置を含む総重量は 112 ポンドでした。気象計は午前 10 時 40 分に離陸し、午後4 時 15 分に最高高度に達し 、午後8 時 40 分に地上に戻りました。これは、山で人間が匹敵するのは難しい偉業です。積雲は地上から 4 分の 3 マイルを横切り、その上の空気は非常に乾燥していることがわかりました。丘の上では気温が 72 度でしたが、上空 11,440 フィートの自由大気では 38 度でした。また、風速は時速 22 マイルから 40 マイルに増加しました。これらの数値は、発生する大気の状態の変化を示していますが、ブルー ヒルでの凧揚げから導き出される結論については、次の章で説明します。ただし、電線の使用以来注目されるようになった大気電気の現象については、ここで説明できます。一般的に、凧が1700フィート（約400メートル）以上飛ぶと、凧糸は強い電気を帯び、高度に達するとリールに長く輝く火花となって放電し、しばしば凧揚げをする人に迷惑をかけます。通常、電位は高度とともに上昇し、吹雪や雷雨が発生しやすい状況では最も高くなります。その強さにもかかわらず、大気中の電気量はおそらく凧糸を巻き取るには不十分でしょう。[142ページ] 実用的な目的のために収集して保管することは価値があります。
気象観測のための凧揚げは閑職だと考えてはいけません。ブルーヒルでは、季節や天候を問わず、気温が-5℃から+90℃まで変化し、強風、雨、吹雪といった天候にも関わらず、約200回の凧揚げが行われてきました。雷雨は経験していません。凧は地面から離れてから戻ってくるまでほとんど見えなくなることもありますが、上空の凧が見える場合は、数分ごとに経緯儀で観測する必要があります。高高度での飛行は10時間から12時間かかり、夜遅くに終わることもあれば、朝まで続くこともあります。この仕事には熟練した技術、体力、そして忍耐力が必要であることは明らかです。これらの能力は、凧揚げを指導してきたブルーヒル天文台の私の助手たちが証明しています。
時折、風が弱かロープが切れたために凧が地面に落ちることがありますが、通常は無傷です。凧が見えた場合は、丘の上で三角測量を行うことで落下地点を特定し、凧と気象計を回収してロープを巻き上げます。しかし、夜間や雲に凧が隠れている場合は、ロープの巻き上げ位置と方位角が異なるため、凧が落ちる方向は分かりません。[143ページ] 凧のそれである。それで昨秋、夜間飛行中に紛失した航空装置が比較的近くで見つかるまで、数百マイルの道路、小道、森、沼地を横断した。
これまで述べてきたことから、かつておもちゃだったものがブルーヒル天文台における気象調査において極めて重要であることが証明されたことは明らかです。そこでの成功により、この凧揚げは他の場所でも気象観測に利用されるようになっています。1898年、米国気象局はミシシッピ川流域を中心に17の凧揚げ観測所を設置し、高度1マイル（約1.6キロメートル）以上の高度で毎日データを取得し、現在地上のデータから作成されている天気図と同様の総観天気図を作成することを目指しました。上空と下空の気象状況が同時に変化することを知ることで、天気予報の精度が向上すると期待されましたが、残念ながら夏の風が弱かったため、上空の天気図を作成するのに十分な凧揚げを同時に行うことは不可能でした。そのため、この計画は断念されました。しかし、得られたデータは、様々な気象条件における鉛直温度勾配などに関する貴重な情報を提供してくれることは間違いありません。ドイツと[144ページ] ロシアは観測所に凧と気球を装備しており、パリ近郊の私設天文台にブルーヒル型の凧揚げ装置を設置したテイセラン・ド・ボルト氏は既に高高度に到達している。科学的な凧揚げ発祥の地であるスコットランドでも、スコットランド人とアメリカ人の協力により実験が再開された。まさに幸運な協力関係と言えるだろう。
これらの準備から、気象知識の進歩にとって最も重要であるとしてすべての中央天文台がこの調査方法を採用すべきであると勧告した国際航空会議の決議が実行され、重要な成果を生み出す可能性があることがわかります。
[145ページ]
第6章
ブルーヒルでの凧揚げの成果 – 今後の課題
凧は、風がある限り、少なくとも12,000フィート（約3,600メートル）の高度まで空中を飛行する他の方法に比べていくつかの利点がありますが、最大のメリットは、凧によって大気の真の状態を把握できることです。凧と比較した他の空中飛行方法の欠点は次のとおりです。
1.山は、周囲の空気との接触によって影響を及ぼすだけでなく、気流を逸らして混合と上昇を引き起こし、自由空気とは大きく異なる条件を作り出します。
2.自由気球は風に流されるため、多かれ少なかれ熱せられた、あるいはよどんだ空気に囲まれており、温度計の精度が悪いため、気球内の特定の高度で観測される温度は、上昇中、つまり暖かい空気から冷たい空気へ移行するときに、一般的に高くなります。[146ページ] 下降中は条件が逆転するため、凧揚げはより効果的です。また、漂流する気球での観測は地上の観測所で同時に行われた観測と比較できないため、一箇所における大気条件の漸進的な変化を研究することはできません。しかし、凧揚げでは、ほぼ垂直に頻繁に上昇と下降を行うことができるため、上層の空気層でほぼ同時に観測を行うことができます。凧揚げの高度は通常、気球内の気圧計では達成できない精度で測定できます。
3.係留気球は、風で飛ばされないように作られていますが、重さと制御に必要なケーブルの抵抗のために、凧ほど高く上がることはできません。また、ドイツの凧型気球でさえ、その大きな表面積のために、凧が飛ぶことができる強風に耐えることはほとんどないでしょう。
4.山岳ステーションや気球の設置と運用にかかるコストは、凧の場合よりもはるかに高くなります。
ブルーヒルから凧揚げして高度2マイル（約3.2キロメートル）を下空まで探索した記録は、間違いなく一箇所で行われた記録の中で最も完全なものである。あらゆる気象条件で200近くの記録が達成され、高度がどんどん上昇していく様子が、この記録に表れている。[147ページ] 前の章の表を参照してください。飛行の記録についてはクレイトン氏が論じています。1897年2月までの記録は、ハーバード大学天文台年報第42巻第1部に収録されている「ブルーヒル観測」で、それ以降の記録はブルーヒル天文台の2つの報告書に掲載されており、その中では高度による気温と湿度の変化と、それらの低気圧と高気圧の位置との関係が調査されています。前述のように、凧を使った天気予報は米国気象局によって試みられていますが、ブルーヒルで行われたようなさらなる研究が、地表の状況から上空で観測される現象までの順序を明確にし、後者を予報に利用できるようになるまでには必要です。
ブルーヒルにおける凧揚げ観測から得られたいくつかの推論を以下に記す。図版VIIIは、1896年10月8日の2回の飛行における気圧・温湿度計の記録の複製である。この飛行で初めて高度1.5マイルが達成された。記録紙は、12時間で回転する円筒に巻き付けられており、3つの水平部分のそれぞれの曲線は、15分ごとに区切られていると言える。下段には気圧計の軌跡が描かれており、水平線は高度を示している。 [148ページ]メートルとフィートは、気温華氏32度における気圧に対応しています。中央部には湿度計の記録がパーセントで相対湿度を、上部には温度計の記録が華氏と摂氏で表示されています。気圧計の記録は反転しており、気圧が下がると記録が上昇します。また、2回目の飛行では、ブルーヒルから予想外の高度8697フィートに到達した際に、高度計の限界を超えました。
図版VIII. 気象図
図版VIII.—1896年10月8日、ブルーヒルでの凧揚げの気象写真。
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図表IX. 高さによる平均値の変化
図版 IX.—高度による平均値の変化と、1896 年 10 月 8 日の凧揚げ中の変化。
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高層飛行中の高度に伴うこれらの要素の変化を調べるため、図 IXの図4と図5に、自動記録の温度と湿度を横軸に、海抜メートルを縦軸にプロットした。この長さの単位になじみのない人のために説明すると、100 メートルは約 330 フィート、1600 メートルはおよそ 1 マイルに相当する。気象記録器が上昇しているとき、点は記録された温度と湿度を示し、それぞれ実線で結ばれている。気象記録器が下降しているとき、十字は観測値を示し、破線で結ばれている。左上がりの線は高度の上昇に伴い温度と湿度が低下することを示し、右上がりの線は高度に伴い温度と湿度が上昇することを示す。直線の点線は、上昇する乾燥空気による温度の断熱低下を示す。上昇は日中の最も暖かい時間帯に行われ、下降は主に日没後に行われました。温度線の2つの枝は、晴天時にそれぞれ昼と夜に通常見られる高度に伴う温度変化を典型的に表しています。実線は日中の観測値を表し、雲の高さまで断熱速度で温度が均一に低下することを示しています。夜間は、破線の下部がはっきりと左に曲がり、放射によって地表近くに比較的冷たい空気の塊があることを示しています。地表から一定の高度までは高度が上昇するにつれて温度が上昇し、その後、雲があれば雲の高さまで比較的均一に温度が低下します。しかし、図の上部に示されている高度上昇に伴う温度低下率は、夜間の方が昼間よりも遅くなります。地表付近での温度変化と比較すると、高高度での気温の日変化は非常に小さいようです。高度2000メートルまでの相対湿度（図5）は気温と反比例して変化し、今回のケースでは風向きの変化はわずかでした（図6）。
異なる地域における気温の日変化 [152ページ]高度— 地表からある程度離れた地点における大気の日変化を表す曲線は、地表近くの気温変化を表す曲線と、振幅が小さいことを除けばおそらく類似している。もしこれが正しいとすれば、任意の2つの高度における一定時間当たりの日変化率は、その2つの高度における気温の日々の変動幅に比例することになる。実際には、凧を24時間正確に同じ高度に保つことは不可能である。したがって、異なる高度における日々の変動幅は、一定時間当たりの気温上昇率または気温下降率を、地上での記録と同時に行われた地表近くの記録から得られた率と比較することによって求めなければならない。図版IXの図1では、高度1000メートルと500メートルの凧、パリのエッフェル塔（300メートル）、ブルーヒルの頂上、その麓、そして谷（それぞれ200メートル、50メートル、15メートル）の6つの観測点の結果が結ばれており、それらを通る滑らかな曲線が描かれている。曲線は、ブルーヒル山頂の標高差が大きすぎる点を除き、観測された標高差と計算された標高差のほぼ全てを通過しています。これは明らかに、丘陵の土壌を通して作用する日射と放射が、同じ高度における自由空気の加熱と冷却よりも空気をより大きく加熱・冷却するためであり、これはすべての山岳観測所において当てはまるはずです。平滑化された曲線は、データのごくわずかに左側にも通過しています。 [153ページ]エッフェル塔の周囲温度は、塔の加熱と冷却の影響で、実際の温度差よりも約1℃高い値を示しています。このことから、自由大気中の気温の日較差は高度の上昇とともに急速に減少し、高度1000メートルでは平均気温がほぼ消失することがわかります。
風速計の記録によれば、凧が上昇するにつれ風は着実に強まるが、ボストンとブルー ヒルの頂上の間で風の増加が最も大きい。これは、低地の風が地面との接触によって減速されるためと考えられる。結果は、ブルー ヒル(209 メートル) の平均風速とボストンの塔 (60 メートル) の風速とともに、図 IX、図 3にプロットされている。凧式風速計の個々の記録は大きく異なり、高度とともに風速が減少することもあれば、風速が急激に増加して凧がそれ以上高く上昇できないこともありました。凧が異なる方向と温度を持つ 1 つの流れから別の流れに移動したとき、風が突然強まり、2 つの流れの間の方がその平面の上または下よりも強くなることが何度かありました。
高度ごとの湿度の日変化。夜が近づくにつれて、高度1000メートルでは湿度が減少するのに対し、地上では湿度が増加することがわかります。これは、[154ページ] この証拠は、日中に高度 1000 メートルから 2000 メートルの間で生成され、夜に消える積雲によって提供され、したがって、昼間の湿度の増加と夜間の湿度の低下を目に見えて示しています。 高度 1000 メートルでの湿度曲線の傾向が地上での傾向の逆であると想定すると、凧式気象計の結果では、最低湿度は 1 日の最も寒い時間帯に、最高湿度は 1 日の最も暖かい時間帯に示されます。 異なる高度における平均日範囲は、図 2 の図版 IXにプロットされています。 ゼロ線の左側の曲線の部分は異なる高度での範囲を示し、最低湿度は 1 日の最も暖かい時間帯近くにあり、ゼロの右側の部分は異なる高度での範囲を示し、最低湿度は 1 日の最も寒い時間帯に見られます。
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プレートX.高さによる変化
図版 X.—ブルー ヒルでカイトが記録した高度による変化。
高度による気温変化の種類。カイト気象計による上空および地上近くの観測所で記録された気温と湿度の記録を高度との関係でプロットすると、いくつかの種類に簡単に分類できることが分かります。図Xでは、タイプ1は、雲のない晴れた日に地上から1マイル以上の高度まで気温が低下することを示しています。上昇記録からプロットされた実線は、日中の気温低下を表しています。 [156ページ]下降記録からプロットされた破線は夜間の状態を表しています。この曲線は、高度が上昇するにつれて、日中の気温が点線で表された断熱率とほぼ同様に低下することを示しています。夜間の高度上昇に伴う気温低下は、日中よりも緩やかで、実際、地表から高度数百メートルまでは高度とともに気温が上昇することが多く、高度300メートルから500メートルの空気は地表よりもかなり暖かくなることがあります。これは1896年10月8日の下降で示され、タイプ3に含まれています。
飛行中に雲を横切ると、温度曲線はタイプ2の形をとります。実線は上昇時の記録、破線は下降時の記録からプロットされており、どちらも日中に記録されています。積雲の底に達するまで、飽和していない空気中の温度は断熱速度で低下します。雲の中では温度低下速度が遅くなりますが、これはおそらく物理学者が凝縮が起こっている空気の断熱速度として計算した値です。雲の上空では、温度低下は非常に緩やかです。
タイプ3は昼夜を問わず持続する症状で、夜間型に似ている。 [157ページ]タイプ1。気温は地表から短い距離では非常に急速に上昇し、高度が上昇するにつれて断熱速度よりもやや遅くなります。高度が上昇するにつれて地表付近の気温上昇は、日中よりも日没後に顕著になります。
タイプ 4 は、10 月 8 日の上昇で示されました。この温度分布は、より暖かい気流がより冷たい空気をあふれさせることによって発生します。これは、大気の低高度で非常に一般的に見られ、おそらく高低にかかわらず、どこかの高度で通常存在します。最近の観測では、このタイプがあらゆる種類の天候における大気の通常の状態を表していることが示されています。異なる高度で 2 回以上の温度の急上昇が発生することが多く、プロットされたデータは逆階段状になります。日中は、地上から数百メートルの高さまで断熱率 (100 メートルあたり 1°/8) で温度が低下し、次の 100 メートルまたは 200 メートルで温度が急上昇し、それ以上の高度では、通常は断熱率よりはるかに低い温度低下が見られます。一般的に、雲は暖流と寒流の出会いの面の近くに見られます。
タイプ4の逆、つまり、より冷たい海流がより暖かい海流の上に重なることで気温が急激に下がる現象は、おそらくあり得ない。 [158ページ]冷たい空気は重いため、すぐに沈み始め、暖かい空気は上昇します。これにより、地面から冷たい流れの頂上まで断熱速度で温度が低下し、これがタイプ5に示されている「寒波」の原因であると考えられます。実線と破線（上昇と下降を表す）の両方の曲線は、高度約500メートルから最高到達点まで、飽和していない空気の断熱速度で温度が低下していることを示しています。高度500メートルまでは、温度低下は断熱速度よりも速くなります。これは、上空の冷たい空気が急速に流入し、地面から上昇する空気が膨張だけでなく接触によっても冷却されるためです。また、この条件下では空気が異常に暖かい地面との接触によって通常よりも加熱されるためです。これが、日中の「寒波」タイプの曲線の特徴です。タイプ 5 の夜間形態では、乾燥した空気を通じた地面からの過剰な放射にもかかわらず、地面から上方の高度が上昇するにつれて温度が急激に低下します。
タイプ6は、あまり一般的ではないものの興味深い形状の垂直温度分布を示し、400メートルから1400メートル以上までは気温がほぼ一定です。400メートルまでは、高度が上がるにつれて気温が低下します。 [159ページ]日中は気温が低く、夜間は高度が上がるにつれて気温が上昇します。これらの最後の条件は、地表近くの日射と放射の影響に容易に起因します。午前中、空気の温度が地表から 1000 メートル以上まで同じであれば、太陽による地表の加熱によって上昇気流が発生し、それが 1 日の最も暖かい時間帯まで続きます。この空気は、断熱膨張によって冷却され、上層気柱の平均気温になる前に約 440 メートルまで上昇します。夜間には、地表近くで放射によって冷却が起こり、伝導によって数百メートル上方に徐々に運ばれ、こうして日の出まで高度が上がるにつれて気温が上昇します。上記の条件の結果として、特定の日に 500 メートル以上の高度では気温の日変化がほとんど感じられないことは明らかです。
高度による相対湿度の変化の種類。—気温の種類と同様に、実線は上昇の記録を、破線は下降の記録を表します。これらは通常、変化する条件下での記録です。左上がりの線は湿度の低下を示し、右上がりの線は湿度の上昇を示します。
タイプ1は、雲がある場合の通常の曲線と言えるでしょう。このタイプのバリエーションは、1896年10月8日の上昇中に遭遇しました。 [160ページ]そして、今示した雲とは異なり、雲の上部では湿度の上昇ではなく低下を示していました。これらの2つのパターンは、曇りまたは部分的に曇りの天候における高度の変化に伴う湿度の通常の変化と見なすことができます。雲底まで湿度は着実に増加し、雲は完全に飽和状態になります。そして、雲の上部では、地上からの上昇気流が到達していない雲上部の乾燥した空気に入ると、湿度が急激に低下します。
タイプ3は晴天時の曲線で、湿度はある高度（おそらく地表から上昇する気流の上限）に達するまで増加します。この高度を超えると湿度は急激に減少します。
タイプ5も晴天型の気象で、同じくタイプ5の「寒波」型の気温を伴います。非常に乾燥した下降気流が上昇気流によって湿った空気と混ざり合い、その結果、気圧と気温の低下により絶対湿度は減少しますが、高度の異なる地域でも相対湿度はほぼ均一になります。タイプ6では、相対湿度と絶対湿度の両方が急激に低下し、気温がタイプ6に一致する状態となります。
1897年9月5日から11日までの1週間、ブルーヒルでは毎日凧揚げが行われました。凧は2回空中に揚げられ、その後も継続的に凧揚げが行われました。 [161ページ]記録は 24 時間の大部分にわたって取得されました。これらの記録は、異なる時間と異なる高度における平均変化から推測された、地表から近い距離にある自由大気中の温度の小さな日変化の例を提供します。5 日の午後2 時から 6 日の午後2 時まで、自動記録機器の高度は海抜 500 メートルから 1000 メートルの間で変化し、平均は約 700 メートルで、夜間の大部分でこの高度からほとんど変化しませんでした。凧式気象計が上昇および下降中に 700 メートルの高度を越えた時間は、気圧計のトレースから決定され、同期温度および湿度は、温度計と湿度計の記録から読み取られました。結果は、天文台の山頂と谷間の観測所で同時に記録された温度、および山頂の湿度とともに、図 XIの図1および2にプロットされています。図1は、低地では顕著な気温の日変化が、700メートルでは非常に小さくなるか、完全に消失していることを示しています。図2は、700メートルにおける相対湿度の推移が、低地で記録されたものと正反対の位相になっていることを示しています。700メートルでは、夜間に最低湿度が記録され、日中に最高湿度が記録されたのに対し、高地では逆の条件が続いています。 [162ページ]丘の上。凧揚げが繰り返されていることから、この2つの高さではこれが通常の状態であることが分かります。
図 XIの図 3には、その週のブルーヒル渓谷観測所 (15 メートル) における 1 時間ごとの温度計の読み取り値から得られた曲線と、同じ週に 500 メートルの高さで凧式気象計によって毎日 1 回または 2 回記録された温度を結んだ曲線がプロットされています。この温度は、前述の方法または断熱変化から計算された方法で得られました。すべての夜間記録は、7 日と 8 日の冷気波の間を除いて、夜間に高度 500 メートルのほうが地上よりも明らかに暖かかったことを示しています。さらに、図 3の曲線は、日中の地表温度が上空の気温によって制御されていることを表しています。たとえば、7 日には日中の曲線が明らかに平坦になっていますが、これは明らかに、地上の温度が高度 500 メートルの温度より 10 度上昇したため、空気が不安定な平衡状態になり、より冷たい空気が下降して地表の空気と置き換わったため、地表の温度がそれ以上上昇できなかったためです。 10 日には、高度 500 メートルの気温が地上のその日の平均気温よりもかなり高くなり、地上の空気はその日の最も暖かい時間帯まで不安定な状態にはならず、その結果、下層の観測所の日変化曲線は鋭いピークを形成しました。
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プレートXI
図版 XI.—1897 年 9 月 5 日から 11 日までのブルー ヒルでの凧の観察。
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高度 500 メートル以上では気温の日変化が目立たないため、暖波と寒波の通過中の上空と下空の相対的変化をより良く比較するには、下空の日変化を平滑化します。この処理は図 XI、 図 4で行っており、高度 500 メートルと 1000 メートルの凧のデータが曲線でプロットされていますが、これは外挿によって完成させる必要がありました。高度 500 メートルでは、暖波の波頭から寒波の波頭までの温度範囲が地上よりもかなり広いことがわかります。高度 1000 メートルでは範囲が 500 メートルよりもわずかに広く、暖波と寒波の波頭は地上よりも順番に早く発生します。寒波の頂上が通過するまでは、上空の空気は地上よりも冷たく、この差は上昇気流の断熱冷却によるものと思われる。寒波の頂上を通過した後、上空の気温は地上よりもはるかに急速に上昇し、暖波の頂上では高度500メートルの空気は地上の平均気温よりも約10度高くなる。多くの凧揚げ実験では、この差はさらに大きいことがわかった。24時間平均気温でみると、地上の平均気温は [165ページ]一週間かそれ以上の期間の気温は、高度 500 メートルでの気温とほぼ同じです。図 5は、午前11 時、午後9 時、午後11 時、午前4 時に最高潮に達した 4 回の上昇によって測定された、8 日と 9 日早朝の暖気波の到来時の気温 の垂直分布の変化を示しています。59 度、62 度、65 度、68 度の線は、上空の気温が徐々に上昇し、それが 200 メートル、つまりブルー ヒルの頂上まで及んだことを示しています。最低気温のレベルで雲が発生し、これも丘の頂上を覆うまで下降しました。
図版 XIIは、1897 年 10 月 15 日の凧揚げ中の気象図の複製で、下部には気圧計の軌跡がメートル単位の高度目盛りで、中央部分は湿度計の軌跡、上部には温度計の軌跡が摂氏度目盛りで示されています。気温は通常の変化を示しており、次のように推移しています。日中は、さまざまな条件で変化する一定の高度までは、100 メートルあたりほぼ 1°·8 F の断熱率で気温が低下します。その高度を超えると、空気は突然暖かくなり、その後、上昇するにつれて断熱率よりもいくらか低い率で冷えます。夜間は、地上と高度 200 メートルまたは 300 メートルの間で気温が顕著に逆転します。
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プレートXII.自動記録
図版 XII.—ブルーヒルでの凧揚げ中の自動記録。
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これより高くなると、気温はほぼ均一な速度で低下しますが、断熱速度よりも緩やかです。雲は見えませんでしたが、相対湿度は上昇時と下降時の両方で、高度1500メートル付近と2700メートル付近で大きく増加しました。これらの高度は、積雲と高積雲が通常形成される高度とほぼ同じです。
1898 年 9 月、高気圧と低気圧がブルー ヒルのほぼ上を通過した 4 日連続で 4 回の凧揚げが行われました。これはまれな出来事であるため、クレイトン氏がこの現象のメカニズムを研究しました。その研究のいくつかの結論を、図 XIIIに図示して次に示します。図1および2 は 、高気圧中の 9 月 21 日と気圧が低下していた 9 月 22 日の高度別の気温をプロットしたものです。実線は前の図と同様に上昇中の観測値、破線は下降中の観測値です。地上からはすべての線が左上がりに傾斜し、気温の低下を示しています。ある高度に達すると線は右に大きく曲がり、気温が急上昇していることがわかります。この高度を超えると気温は再び低下しますが、低高度よりも緩やかになります。この現象が広く見られることは、1854年にイギリスで行われた気球飛行でウェルシュによって記録されており、ブルーヒルでの高度2000メートル以下の高度での凧揚げでは、この現象が非常に頻繁に発生することが示されています。気温上昇面は通常、積雲や層積雲の雲頂高度を決定します。高度2000メートルを超える高度では、凧揚げの最高度付近で、他の急激な気温上昇が見られます。
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図版 XIII. 凧揚げの結果
図版XIII.—ブルーヒルにおける高気圧とサイクロン発生時の凧揚げの様子。
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図3から図6は、海面付近、200メートル、1000メートル、2000メートル、3000メートルの各高度における4日間の各種元素の変化を示しています。図3は4つの高度における気圧計の変化を示しており、海面付近で気圧の低下が最も大きかったことがわかります。
図4は、高度ごとの気温変化を示しており、高度3000メートルまでは同様の変化が見られたことを示しています。気温の非日変化が最も大きいのは高度1000メートルで、高度が上がるにつれて気温は低下し、高度が下がるにつれて気温は低下します。
図5は、高度200メートル、1000メートル、2000メートルにおける相対湿度の変化を示しています。曲線から、湿度の変動幅が最も大きかったのは高度2000メートルであることがわかります。そこでは、相対湿度は21メートルの高気圧でほぼゼロでしたが、低気圧では同レベルで飽和状態まで上昇しました。200メートルでは、2000メートルとほぼ同様の変化が見られますが、その変化量は小さくなっています。1000メートルでは、相対湿度は22メートルまで低下しますが、その後急激に上昇します。[170ページ] 21 日には高度 2,000 メートルにあった非常に乾燥した空気が、22 日には高度 1,000 メートルまで下がったことを示しています。
図6は、各高度における風速の変化を示しています。高気圧の通過から低気圧の通過まで、すべての高度で風速が増加しました。200メートル地点における風速の最小値は高気圧の通過時に見られ、低気圧の中心通過時には二次的な最小値がありました。
図7から図10は、異なる高度における等気圧条件の高度の日々の変化を示しています。図7は等圧線の高度変化を示しており、これは非常に小さいものの、低高度で最大となっています。図7 以降の図に示された細い破線は、高気圧と低気圧の軸を示しています。低気圧の軸が後方に傾いており、高気圧が低高度よりも高高度で遅く発生したことは、21日の風観測によって確認されました。
図8は、連続する日に同じ気温が観測された高度を示しています。等温線は23日まで上昇しているため、3000メートルまでの気温は、低気圧が発生した日に高気圧が発生した日よりも高かったことになります。過去の高高度飛行から、これは移動中の低気圧における通常の状態であることが示唆されます。[171ページ] アメリカ合衆国東部の高気圧と高気圧。細い破線は3000メートルまでの高気圧と低気圧の軸を表しており、この高度では最大気圧地点の気温が最小気圧地点の気温よりも高いことが分かります。ただし、これは地上の垂直な気柱では当てはまりません。
図9は、連続する日における湿度が等しい領域の位置を示しています。飽和状態および曇りの領域は交差した陰影で、湿度が低い領域は単線で示されています。熱力学の法則によれば、陰影のない曲線は下降気流を、陰影のある部分は上昇気流を表します。下降気流の場合、低高度への下降によって温度が上昇し相対湿度が低下します。上昇気流の場合、高高度への上昇によって冷却が進み相対湿度が上昇し、凝縮が起こります。したがって、下降気流の領域は2つ存在し、1つは高気圧の中心、もう1つは低気圧の中心にあります。
図10は、等風速線の高さの変化を示しています。上昇気流と降水がある場合、気圧勾配の増大により低高度でも高風速が観測されましたが、高気圧と低気圧中心における下降気流の場合、高風速は高高度でのみ観測されました。[172ページ] これらのデータの研究は、この緯度で観測される低気圧性および高気圧性の循環は、低気圧の前面で空気が非常に高い高度まで持ち上げられるように見える場合を除いて、高度2000メートルを超える高度ではいかなる空気の動きも含まないことを示しています。2000メートルより上には、おそらく他の弱い低気圧性および高気圧性、あるいは二次的な低気圧性があり、それらの中心は地表とは異なる場所にあり、異なる風の循環を生み出しています。ブルーヒルにおける巻雲の観測は、その高度では地表に現れる高気圧性よりも上方に低気圧性の循環が存在することを示しています。この地域の高気圧が浅いのは、大気全体の漂流速度の大きな差から推測されます。西からの大気全体の漂流速度は、高度10,000メートルでは200メートルよりも30倍以上速いため、深い循環は長く持続できないからです。サイクロンや高サイクロンは、周期的な原因で米国全土を吹き抜ける暖気と冷気の大波の中で二次的な現象にすぎないと思われる。
低気圧と高気圧の起源は、おそらく気象学研究にとって残された最も重要な問題である。隣接する空気塊の温度差、いわゆる対流によって発生するという説は、[173ページ] アメリカの気象学者エスピとフェレルの理論は、ウィーンのハン博士が収集したヨーロッパの山岳地帯の観測結果と対立している。今述べた結果が示唆するように、凧の使用によってこの問題が解決されれば、気象学の科学に新たな礎が築かれ、研究機器としての凧の地位が確立されるだろう。凧は地上に風がほとんどないか全くない場合には機能しないが、そのような場合でも、凧を小型気球に取り付け、凧が自立できるようになった後に自動的に切り離すことで、通常は風のある上空に凧を揚げることが可能と思われる。凧が揚げられる高度には限りがあり、最近の飛行における高度獲得の低さから判断すると、おそらく限界に近づいているが、好条件であれば少なくとも3マイル（約4.8キロメートル）の高度に達すると予想するのが妥当であろう。
凧は、前述の気象観測機器の搭載に加え、大気電気の測定や、宇宙塵やバクテリアの調査のための大気サンプル採取など、大気中の他の調査機器も搭載できます。既に述べたように、凧でカメラを飛ばした例もあり、ブルーヒル天文台では雲の上層を撮影するためのカメラが建設中です。[174ページ] 非常に軽量な自動カメラ。原理はカイユテ氏が気球から地面を撮影する装置に似ています。
本書では凧を飛行機として使うことについてはほんの少し触れているに過ぎませんが、凧に取り付けられたモーターが翼やスクリューによって風に逆らって推進できれば、支えとなる糸は不要になり、ラングレー教授が間もなく実現すると述べているような飛行機械が実現すると言えるでしょう。地球の表面は相当に探査されてきました。気球や凧による大気圏の探査は、今世紀最後の年も引き続き大きく進歩するでしょう。そして20世紀末には、海が現在輸送手段となっているように、大気の海も人類の領域に取り込まれていると確信できます。
[175ページ]
Richard Clay & Sons, Limited、ロンドン＆バンゲイ。[185ページ]
転写者のメモ
ここに掲載されているテキストは、基本的にオリジナルの印刷版に掲載されているものです。オリジナル版に付属していた訂正リスト（CORRIGENDA）を適用しました。また、1つの誤植（下記参照）も追加しました。ここには記載されていない軽微な訂正（ピリオドの欠落、カンマの追加など）がいくつかある可能性があります。オリジナルの出版物では、いくつかの図や図版が段落の途中に配置されていましたが、ここではその多くが段落間で移動されています。図版一覧およびその他のページ参照には、元の掲載箇所のページ番号が引き続き示されています。
誤植
ページ 修正
128 すべて必須 => すべて必須
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「空気の海を聴く」の終了 ***
《完》