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天気とは、特定の場所と時間における地球の大気の状態であり、通常は気温、湿度、雲量、安定性で表されます。[ 1 ]地球上では、ほとんどの気象現象は、成層圏のすぐ下にある惑星大気の最下層である対流圏で発生します。 [ 2 ] [ 3 ]天気とは、日々の気温、降水量、その他の大気の状態を指しますが、気候とは、より長い期間にわたる大気の状態の平均を表す用語です。[ 4 ]限定なしに「天気」という言葉を使用する場合、一般的には地球の天気を意味すると理解されます。
天気は、ある場所と別の場所の気圧、気温、湿度の差によって決まります。これらの差は、緯度によって変化する特定の場所における太陽の角度によって生じます。極地と熱帯の空気の間の強い温度差は、ハドレー循環、フェレル循環、極循環、ジェット気流といった最大規模の大気循環を生み出します。中緯度の気象システム、例えば温帯低気圧などは、ジェット気流の流れの不安定性によって引き起こされます。地球の自転軸は軌道面（黄道面と呼ばれる）に対して傾いているため、太陽光は年間を通じて異なる角度で入射します。地球の表面では、気温は通常、年間で±40 °C（-40 °F から 104 °F）の範囲です。数千年かけて、地球の軌道の変化は、地球が受け取る太陽エネルギーの量と分布に影響を与え、長期的な気候と地球規模の気候変動に影響を与えます。
地表温度の差は、気圧の差を引き起こします。高度が高いほど気温は低くなります。これは、大気の加熱の大部分が地表との接触によるものであり、宇宙への放射損失はほぼ一定であるためです。天気予報とは、科学技術を応用して、将来の特定の場所における大気の状態を予測することです。地球の気象システムはカオス的なシステムであり、その結果、システムの一部に小さな変化が生じると、システム全体に大きな影響を与える可能性があります。歴史を通じて、人間は気象を制御しようと試みてきました。農業や工業などの人間の活動が気象パターンを変化させてきたという証拠があります。
他の惑星の気象の仕組みを研究することは、地球の気象の仕組みを理解する上で役立っています。太陽系の有名なランドマークである木星の大赤斑は、少なくとも300年間存在してきたことが知られている高気圧性の嵐です。しかし、気象は惑星天体に限られません。恒星のコロナは常に宇宙空間に放出され、太陽系全体に非常に薄い大気のようなものを作り出しています。太陽から放出される物質の動きは太陽風として知られています。
地球上では、風、雲、雨、雪、霧、砂嵐などの一般的な気象現象があります。竜巻、ハリケーン、台風、氷嵐などの自然災害も、より一般的な現象です。よく知られている気象現象のほとんどすべては、対流圏（大気の下層）で発生します。[ 3 ]成層圏でも気象現象は発生し、対流圏の下層の気象に影響を与える可能性がありますが、その正確なメカニズムはよく理解されていません。[ 5 ]
天気は主に、場所によって気圧、気温、湿度が異なるために発生します。これらの違いは、特定の場所における太陽の角度によって発生する可能性があり、太陽の角度は熱帯地方では緯度によって変化します。言い換えれば、熱帯地方から遠ざかるほど太陽の角度は低くなり、太陽光がより広い範囲に広がるため、その場所は涼しくなります。 [ 6 ]極地と熱帯の空気の間の強い温度差は、大規模な大気循環セルとジェット気流を生み出します。[ 7 ]中緯度における温帯低気圧などの気象システムは、ジェット気流の流れの不安定性によって引き起こされます（傾圧性を参照）。[ 8 ]熱帯地方におけるモンスーンや組織化された雷雨システムなどの気象システムは、異なるプロセスによって引き起こされます。
地球の自転軸は公転面に対して傾いているため、太陽光は年間を通して異なる角度で入射します。6月には北半球が太陽の方に傾いているため、北半球のどの緯度でも、太陽光は12月よりもその地点に直接当たります（「太陽の角度が気候に及ぼす影響」を参照）。[ 10 ]この影響により季節が生じます。数千年から数十万年の間に、地球の公転パラメータの変化は、地球が受ける太陽エネルギーの量と分布に影響を与え、長期的な気候に影響を及ぼします（「ミランコビッチサイクル」を参照）。[ 11 ]
不均一な太陽加熱（温度と水分勾配のゾーンの形成、または前線形成）は、雲や降水などの気象そのものによっても引き起こされることがあります。[ 12 ]一般的に、高高度は低高度よりも涼しくなります。これは、地表面温度が高く、放射加熱が断熱減率を生み出すためです。[ 13 ] [ 14 ]状況によっては、実際に高度とともに温度が上昇することもあります。この現象は逆転層として知られており、山頂が下の谷よりも暖かくなる原因となります。逆転層は霧の発生につながり、雷雨の発達を抑制するキャップとして機能することがよくあります。局所的なスケールでは、さまざまな表面（海洋、森林、氷床、人工物など）が反射率、粗さ、水分含有量などの物理的特性が異なるため、温度差が生じることがあります。
地表面温度の差は、圧力差を引き起こします。高温の地表面は、その上の空気を温め、空気を膨張させて密度を下げ、結果として地表面気圧を下げます。[ 15 ]その結果生じる水平方向の圧力勾配により、空気は高気圧領域から低気圧領域へと移動し、風が発生します。そして、地球の自転により、コリオリ効果によってこの気流が偏向します。[ 16 ]このように形成された単純なシステムは、創発的な挙動を示し、より複雑なシステム、ひいては他の気象現象を生み出すことができます。大規模な例としてはハドレー循環があり、小規模な例としては沿岸のそよ風があります。
大気は混沌としたシステムです。そのため、システムの一部分への小さな変化が蓄積して増幅し、システム全体に大きな影響を与える可能性があります。[ 17 ]この大気の不安定性により、天気予報は津波や日食よりも予測しにくくなっています。[ 18 ]数日以上先の天気を正確に予測することは困難ですが、天気予報士は気象研究や天気予報の現在の方法論の改良を通じて、この限界を延ばすために継続的に努力しています。しかし、理論的には約2週間以上先の有用な日々の予測を行うことは不可能であり、予測スキルの向上の可能性に上限が設けられています。[ 19 ]
天候は地球を形作る基本的なプロセスの 1 つです。風化のプロセスは岩石や土壌をより小さな断片に分解し、さらにその構成物質に分解します。[ 20 ]降雨時には、水滴が周囲の空気から二酸化炭素を吸収して溶解します。これにより雨水はわずかに酸性になり、水の侵食作用を助けます。放出された堆積物と化学物質は、その後、表面にさらに影響を与える化学反応 (酸性雨など) に参加し、ナトリウムイオンと塩化物イオン (塩) が海に沈着します。堆積物は、時間とともに地質学的力によって他の岩石や土壌に再形成される可能性があります。このように、天候は表面の侵食に大きな役割を果たします。 [ 21 ]
人類学的観点から見ると、天気は世界中のすべての人間が少なくとも屋外にいる間は五感を通して常に経験するものです。天気とは何か、何が天気を変えるのか、天気、特に悪天候がさまざまな状況で人間にどのような影響を与えるかなどについて、社会的にも科学的にも構築された理解があります。 [ 22 ]したがって、天気は人々がよくコミュニケーションをとるものです。
米国では、国立気象局が死傷者数、負傷者数、農作物や財産を含む総損害額に関する年次報告書を作成している。国立気象局は、米国の50州および準州に所在する国立気象局事務所を通じてこのデータを収集している。2019年現在、竜巻は42人の死者を出した人的被害が最も大きく、農作物や財産の損害額は30億ドルを超えている。[ 23 ]
気候は人類の歴史において大きな、時には直接的な役割を果たしてきた。人口の緩やかな移動を引き起こした気候変動（例えば中東の砂漠化や氷河期における陸橋の形成）とは別に、異常気象は小規模な人口移動を引き起こし、歴史上の出来事に直接介入してきた。そのような出来事の一つに、 1281年に神風がフビライ・ハンのモンゴル艦隊による侵略から日本を救ったことが挙げられる。[ 24 ] 1565年にハリケーンがフランス艦隊を壊滅させ、スペインがフォート・カロラインを征服できたことで、フロリダに対するフランスの領有権主張は終焉を迎えた。[ 25 ]さらに最近では、ハリケーン・カトリーナにより、メキシコ湾岸中央部から100万人以上が米国各地に再分散し、米国史上最大のディアスポラとなった。 [ 26 ]
小氷期はヨーロッパで作物の不作と飢饉を引き起こした。グリンデルワルト変動期（1560～1630年）として知られる期間には、火山活動による強制事象[ 27 ]が、より極端な気象現象を引き起こしたようだ[ 28 ] 。これには干ばつ、嵐、季節外れの吹雪が含まれ、スイスのグリンデルワルト氷河の拡大も引き起こした。1690年代には、フランスで中世以来最悪の飢饉が発生した。フィンランドでは1696～1697年に深刻な飢饉が発生し、フィンランド人口の約3分の1が死亡した[ 29 ] 。
天気予報とは、科学技術を応用して、将来の特定の場所における大気の状態を予測することです。人類は何千年もの間、非公式に天気を予測しようと試みてきましたが、少なくとも19世紀以降は正式に試みてきました。 [ 30 ]天気予報は、大気の現在の状態に関する定量的データを収集し、大気過程に関する科学的理解を用いて、大気がどのように変化するかを予測することによって行われます。[ 31 ]
かつては気圧の変化、現在の気象条件、空の状態に基づいて主に人間が行っていた予測は、現在では将来の状況を決定するために予測モデルが使用されています。 [ 32 ] [ 33 ] 一方、予測の基となる最適な予測モデルを選択するには、パターン認識スキル、テレコネクション、モデルのパフォーマンスに関する知識、モデルのバイアスに関する知識など、多くの分野に関わる人間の入力が依然として必要です。
大気の混沌とした性質、大気を記述する方程式を解くために必要な膨大な計算能力、初期条件の測定に伴う誤差、および大気プロセスの不完全な理解により、現在時刻と予測対象時刻の差（予測範囲）が大きくなるにつれて予測の精度が低下します。アンサンブルとモデルコンセンサスの使用は、誤差を縮小し、最も可能性の高い結果を選択するのに役立ちます。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]
天気予報にはさまざまなエンドユーザーがいます。気象警報は、生命と財産を守るために使用されるため、重要な予報です。[ 37 ] [ 38 ]気温と降水量に基づく予報は農業にとって重要であり、[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]そのため株式市場の商品トレーダーにとっても重要です。気温予報は、電力会社が今後数日間の需要を推定するために使用されます。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]
地域によっては、天気予報を参考にその日の服装を決める人もいます。大雨、雪、そして風による体感温度の低下は屋外活動を大きく制限するため、予報はこうした天候を考慮した活動計画を立てたり、悪天候を乗り切るための事前準備に役立てることができます。
熱帯の天気予報は、高緯度地域とは異なります。熱帯では、高緯度地域よりも太陽光がより直接的に当たるため（少なくとも年間平均では）、熱帯は温暖になります（Stevens 2011）。また、赤道では垂直方向（地球の表面に立っているときの上方向）が地球の自転軸に垂直ですが、極では自転軸と垂直方向が同じです。このため、地球の自転は低緯度地域よりも高緯度地域で大気循環に強く影響します。これらの2つの要因により、熱帯では雲や豪雨は高緯度地域に比べてより自然発生的に起こりやすく、高緯度地域では大気中の大規模な力によってより厳密に制御されます。これらの違いにより、熱帯では雲や雨の予報は高緯度地域よりも困難です。一方、熱帯では気温はあまり変化しないため、気温の予報は容易です。[ 46 ]
天候を制御したいという願望は、人類の歴史を通じて明らかである。作物のために雨を降らせることを目的とした古代の儀式から、北ベトナムのモンスーンを長くすることで補給線を混乱させようとした米軍のポパイ作戦まで。天候に影響を与える最も成功した試みは、人工降雨である。これには、主要空港で使用されている霧や低層雲の拡散技術、山岳地帯での冬の降水量を増やすために使用される技術、雹を抑制する技術などが含まれる。[ 47 ]最近の天候制御の例としては、2008年の夏季オリンピックに向けた中国の準備が挙げられる。中国は2008年8月8日のオリンピック開会式に雨が降らないようにするため、北京市内の21か所から1,104発の雨散布ロケットを発射した。北京市気象局（BMB）の郭虎局長は、南西に位置する河北省保定市で100ミリ、北京市房山区で25ミリの降雨量を記録し、作戦の成功を確認した。[ 48 ]
これらの技術の有効性については決定的な証拠はないが、農業や産業などの人間の活動が意図せず気象を改変するという証拠は数多く存在する。[ 47 ]
意図しない気象改変の影響は、生態系、天然資源、食料や繊維の生産、経済発展、人間の健康など、文明の多くの側面に深刻な脅威をもたらす可能性がある。[ 51 ]
微視的気象学は、メソスケールよりも小さい、約 1 km 以下の短命な大気現象の研究です。気象学のこれら 2 つの分野は、「メソスケールおよび微視的気象学」（MMM）としてまとめられることもあり、総観規模よりも小さいすべての現象を一緒に研究します。つまり、天気図に描くには小さすぎる特徴を研究します。これには、小さくて一般的にはすぐに消える雲の「パフ」やその他の小さな雲の特徴が含まれます。[ 52 ]
地球上では、気温は通常年間±40 °C (100 °F ～ -40 °F) の範囲で変動します。地球上のさまざまな気候と緯度では、この範囲外の極端な気温が発生することがあります。地球上で記録された最低気温は、1983 年 7 月 21 日に南極のボストーク基地で記録された-89.2 °C (-128.6 °F)です。記録された最高気温は、1922 年 9 月 13 日にリビアのアジジヤで記録された57.7 °C (135.9 ° F)ですが、この記録は世界気象機関によって無効とされました。記録された最高年間平均気温は、エチオピアのダロルで記録された34.4 °C (93.9 °F)です。[ 55 ]記録された最低年間平均気温は、南極のボストーク基地で-55.1 ℃（-67.2 °F）でした。[ 56 ]
恒久的に人が住んでいる場所で最も低い年間平均気温は、カナダのヌナブト準州ユーレカで、年間平均気温は-19.7 ℃（-3.5 °F）です。[ 57 ]
これまで記録された中で最も風の強い場所は南極大陸のコモンウェルス湾（ジョージ5世海岸）です。ここでは強風が時速199マイル（時速320キロ）に達します。[ 58 ]さらに、12か月間の最大の降雪量は米国ワシントン州のレーニア山で発生しました。記録された降雪量は31,102ミリメートル（102.04フィート）でした。[ 59 ]
他の惑星の気象の仕組みを研究することは、地球の気象の仕組みを理解する上で役立つと考えられてきた。[ 60 ]他の惑星の気象は、地球の気象と同じ物理原理の多くに従うが、規模が異なり、化学組成の異なる大気中で発生する。タイタンへのカッシーニ・ホイヘンス探査ミッションでは、メタンまたはエタンから形成された雲が、液体メタンやその他の有機化合物からなる雨を降らせることが発見された。[ 61 ]地球の大気には、各半球に3つずつ、合計6つの緯度方向の循環帯がある。[ 62 ]対照的に、木星の縞模様は、そのような帯が多数存在することを示しており、[ 63 ]タイタンには北緯50度付近に1つのジェット気流があり、[ 64 ]金星には赤道付近に1つのジェット気流がある。[ 65 ]
太陽系で最も有名なランドマークの一つである木星の大赤斑は、少なくとも300年間存在してきたことが知られている高気圧性嵐である。 [ 66 ]他の巨大惑星では、表面がないため風速が非常に高くなる。海王星 では、最大で毎秒600メートル（時速約2,100kmまたは時速1,300マイル）の突風が観測されている。[ 67 ]これは惑星科学者にとって謎となっている。気象は最終的に太陽エネルギーによって生成されるが、海王星が受け取るエネルギー量は地球が受け取るエネルギー量の約1/900に過ぎないにもかかわらず、海王星の気象現象の激しさは地球よりもはるかに大きい。[ 68 ] 2007年現在 これまでに発見された中で最も強い惑星風は、太陽系外惑星HD 189733 bにあり、時速9,600キロメートル（6,000マイル）を超える東風が吹いていると考えられている。[ 69 ]
天気は惑星天体だけに限られません。すべての恒星と同様に、太陽のコロナは常に宇宙空間に放出され、太陽系全体に非常に薄い大気を形成しています。太陽から放出される物質の動きは太陽風として知られています。この風の不規則性と、コロナ質量放出などの恒星表面での大規模な現象は、従来の気象システム（気圧や風など）に類似した特徴を持つシステムを形成し、一般に宇宙天気として知られています。コロナ質量放出は、太陽系のはるか遠く、土星まで追跡されています。[ 70 ]このシステムの活動は、惑星の大気や、時には表面に影響を与える可能性があります。太陽風と地球の大気との相互作用は、壮大なオーロラを生み出す可能性があり、[ 71 ]送電網や無線信号などの電気的に敏感なシステムに大混乱を引き起こす可能性があります。[ 72 ]
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