回転水槽による偏西風波動の再現実験

2005年6月19日
 地学領域では有名な実験が,ワイヤレスカメラによってずいぶん簡単にできた。
地球自転によるコリオリの力(転向力)によって,大気大循環が形成されているということを示す実験である。
 地球の大気の運動は基本的に赤道付近の熱が両極へ輸送されることによって生じる。このとき自転による転向力が働いて,東から西へ地球を一周するように流れる「地衡流」となるのだが,それが南北にうねりながら流れることによって熱輸送が行われる。いわゆるジェット気流(偏西風波動)の存在である。
 これを再現するのは,外側にお湯,中心に氷を入れた三層の回転する円筒水槽である。必要な部品はホームセンターと家のキッチンと模型店で揃えることができた。
 まず,回転装置はキャスターと田宮模型の工作用ギアボックスである。
 回転するのは,というと風呂の洗い桶,ペイント用の柄つきの缶の上部を切り取った物,パイナップルの缶詰の缶で,それらをカメラ支持のためアルミアングルをネジ止めしたクッキーの缶にのせたものである。内側の3つは同心になるようにボンドで固定した。
 いずれにしてもカメラが小さく軽量なので回転装置も簡単にできた。田宮模型とマブチモーターというのはすぐれものだ。ギアボックスのギア比は組みあわせで変えられる。トルクの大きい509:1にしたところ,充分なトルクと適当な回転数が得られた。電源装置から1.5Vで毎分約10回転,3Vにすると約20rpmになる。水槽に水をいれると,クッキーの缶が少したわんで中心がずれるのか,水が揺れたりするので,一番外側は今後改良するつもりである。
 いざ,氷とお湯,そしてアルミの粉末で実験してみると,あっけないくらい簡単に蛇行する流れが見られた。10回転/分で,はじめは4つの波,しばらくすると3波型の流れになって安定するようである。
 同僚に見せると「感動的だから生徒にもやらせたら良い」というが,10分足らずのことだしモニターで見ることなので,実験の様子をビデオにとって,モニターを録画したものとあわせて教室で見せた。装置全体がくるくる回っているのがなにやら面白いらしい。
動画再生
 お湯と氷の温度差や水の深さ,回転との関係など記録してデータをとることも考えているが,これで偏西風の波動が再現されているのがなによりである。データを集めるには回転数を自由に変えられるようにするのと,クッキーの缶をしっかりした物に変える必要がある。暇なときにやってみようと思うが,そのまんまになってしまう気がする。

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