問題3−4−1 解答

(1)質量 \(m\) の物体が東向きに走っている様子を,北極側から見た場合を左図に,子午面による断面を右図に示します.

北半球で東に運動する質点に働くコリオリ力

図で, \(\odot\) と \(\otimes\) はそれぞれベクトルの先端と後端を表します.ベクトル積 \(\boldsymbol{\omega}\times{\bf v}\) は角速度ベクトル \(\boldsymbol{\omega}\) から速度ベクトル \({\bf v}\) へ向かって右ねじを回した方向ですので,負記号の付いたコリオリ力 \(-2m\boldsymbol{\omega}\times{\bf v}\) はその反対向きで図のようになります.その大きさは, \[ 2m\omega v = 2\times 50\times\frac{2\times 3.14}{24\times 3600}\times\frac{100\times 10^3}{3600} = 0.202\ \mathrm{N}. \] となります.これは 1 kgf = 9.81 N として, 20.6 gf です.方向は,子午面内で鉛直真上から緯度と同じ角度だけ南に傾いた方向となります.

(2)コリオリ力の水平成分は図から南向きでその大きさは, \[ 2m\omega v\sin\varphi = 0.202\times\sin 30° = 0.101\ \mathrm{N}. \] これは 10.3 gf と小さな値ですが,コリオリ力はフーコーの振り子はもちろん,北半球の台風が左巻きになるなど,大気や海洋の現象に大きな影響を与えます.

問題3−4−2 解答

コリオリ力(水平成分)が働く方向は北半球では速度ベクトルに直角右向き,南半球では直角左向きであること,及び sin 30° が 1/2 であることに留意して作図すると下図のようになります.貿易風の風向きは北半球側では東西方向から南へ 30°,南半球側では北へ 30° となります.

コリオリ力による貿易風の発生モデルの解説

なお,北と南の亜熱帯から赤道の低圧帯に収束した空気塊は赤道で暖められ,積乱雲となって上昇し,上空を通って再び南北の亜熱帯へと戻ります.これはハドレー循環とよばれています.