成果概要
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海上豪雨生成で実現する集中豪雨被害から解放される未来[6] 気象介入手段の工学的実現
2025年度までの進捗状況
1. 概要
豪雨被害を未然に防ぐ工学的な気象介入は、人類史上本格的に取り組んだ経験のない未知のテーマであり、現在の科学技術を駆使しても決して容易な課題ではありません。仮に実現可能であっても、安全面や倫理面に照らした慎重な事前検討が必要です。現在提案されている手法の一つとして、マイクロ波を上空の一点に照射することで大気加熱を促し、人口密集地域から離れた地点に雨雲形成を誘発するマイクロ波大気加熱技術（図1）があります。この手法が気象学的な実効性を持ちうるのか、また安全性に問題がないのか、工学的な室内・室外実験に先立ち、計算機上でシミュレーションを繰り返し、十分に確認を行うステップが欠かせません。
2023年度12月より開始された本項目では、マイクロ波大気加熱の実現可能性を、数値シミュレーションにもとづく机上検討を通じて検証します。2024～25年度は大気加熱シミュレーションを実施し、技術的に建設可能なマイクロ波放射機による雨雲形成誘引の可能性について理論的検討を行いました。
2. これまでの主な成果
マイクロ波大気加熱は、大気中の水蒸気や酸素分子、ないし大気に浮遊する雲水や雨水がマイクロ波を吸収する物理過程を利用します。図は一例として、水蒸気分子によるマイクロ波吸収を利用した大気加熱シミュレーション結果を示しています。計算にあたり、放射機の出力は1MW、アンテナ利得は40dBを仮定し、下記の日本周辺海域に特徴的な気象場を想定しました。
図2（左上）で示すように、放射機近傍では高い加熱率（黄色）が期待されますが、放射機から離れると共に急激に加熱率は弱まります（青色）。仮にx=1km地点に二台目の同等な放射機を設置すると、加熱域をいくらか広げることができます（図2右上）。加熱率をより定量的に可視化するため高度0.5km断面に着目すると（図2下）、放射機の直上（x=0）付近では一時間当たり1℃程度の加熱率が想定されます。これは積乱雲中で雲粒が凝結する際に放出される潜熱加熱に匹敵する値であり、マイクロ波による加熱が自然の中で雨雲の成長をもたらす潜熱と同程度であるということから、雨雲形成が理論的に可能と考えられます。
雨雲誘起の実現性をさらに調査するため、加熱された空気塊の動的変化を追跡する簡単なシミュレーションを行いました。高度500mの空気塊についてマイクロ波加熱を加味した運動方程式を解き、その高度が時間と共に変化する様子を観察します。加熱率は大気中の水蒸気量に依存するため、比較的乾燥した大気環境場から非常に湿った大気をカバーする三通りのケースを想定します。
図3はその結果を示したものです。非常に湿った大気ではある段階で空気塊の高度が急上昇し、雨雲の発達が示唆されます。一方、比較的乾燥した環境では高度は振動しながらほぼ一定値の周辺を推移し、雨雲は形成されません。マイクロ波加熱の有効性が大気の湿潤度に依存して根本的に変わることを意味しています。
なお、加熱効果が強い放射機近傍ではマイクロ波ビームがとても狭いという点は注意が必要です。図4はマイクロ波ビーム幅を示したもので、値が小さいほど加熱領域が狭いことを意味します。放射機から1km離れた大気中でもビーム幅は40m程度であり、積乱雲のスケールが数km程度かそれ以上であることを鑑みると、加熱領域は空間的にかなり狭い範囲に限られていることがわかります。十分な広さにわたり加熱効果が期待しづらい事実は、マイクロ波加熱の実効性にとって大きな障壁となりそうです。
3. 今後の展開
本課題は2025年度を以て終了します。なお、他の介入手段として、洋上構造物やシーディング高度化などの検討を始めています。