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大気の構造

大気の構造

ここでは大気の構造について説明しています。 大気は知ってみるとなかなか奥が深く楽しいものです。

 

地球の大気の温度は高さと共に変化していて、高さとともにどのように気温が変化しているかで、4つの層に分けられます。

大気の一番下層部で、高さとともに気温が下がっている層を対流圏といいます。
その上が成層圏といい、対流圏と成層圏の境界を(対流)圏界面、あるいは対流止面といいます。
圏界面の高さは地表の温度が高いほど高くなり、地表の温度が低いと低くなります。だから圏界面の高さは赤道部で17km程度、両極で10km程度、中緯度では季節により変動するが10数km程度になります。

対流圏の高さによる気温の下がり方を気温減率といい、その割合は平均するとおよそ0.6℃/100mになります。つまり、地表の気温が20℃だと、その上空1000mでの気温は14℃、2000m上空では8℃程度になっていることが多いです。

何らかの原因で地表付近にまわりよりも暖められた空気の塊ができると、その空気塊の密度はまわりよりも小さくなるので上昇を始めます。

上昇した空気塊は断熱膨張することによって気温が下がり、また上空で熱を放射して冷えたり、また含んでいた水蒸気が凝結することによって気温が下がり、冷えた空気塊は下降します。

こうして対流圏の空気ではその名の通り対流が生まれます。

 

また、対流に伴って風が吹いたり、雲ができたり、雨が降ったりという気象現象が起こる。つまり、つまり対流圏とは日常でおなじみの気象の変化が起こっているところです。

地表付近から上昇した空気は圏界面以上には昇ることができないので、積乱雲が発達する所を見ていると、あっという間に背が高く成長する積乱雲もある高さで頭打ちとなり、最上部では雲が横に流れ出していわゆるかなとこ雲となります。かなとこ雲の上の平らなところが圏界面ということになります。

対流圏には地球の大気の全質量の約75%、また水蒸気のほとんどが含まれています。

対流圏の上の成層圏の最下部はほぼ気温が一定ですが、高さ20kmから高さ50km程度では高さとともに気温が上がっています。

これはこの付近に存在するオゾンが太陽からの紫外線を吸収しているためである。このオゾンが生物にとっては有害で危険な紫外線、とくにDNAを破壊する波長250nm〜270nmの紫外線を効率的に吸収するという重要な役割を果たしています。ただし、オゾンが多いといっても、地表付近の密度で換算するとその厚さはわずか3mm程度でしかありません。

海など地表で発生した水蒸気は圏界面以上には昇ってこないし、また対流圏と違って上空ほど気温が高いので対流も生じにくく、これに伴う気象の変化がありません。つまり安定しているので、長距離を飛行する大型ジェット機はこの成層圏(の最下部)を飛行していることになります。

 

中緯度の圏界面付近では強い西風が吹いていて、これをジェット気流といいます。

成層圏には大気の全質量の約17%が含まれていて、対流圏と成層圏で92%の大気が含まれることになります。

成層圏の上、高さ50km(気温は約0℃)からは再び高さとともに気温が下がり、高さ80kmでは気温は約−80℃〜−90℃になっています。この間を中間圏といいます。

中間圏の大気の密度は地表付近の大気の1万分の1程度でしかありません。しかし、この密度でも地球に飛び込んでくるいん石にとっては大きな密度で、大気との摩擦熱で発光します。また高緯度では、宇宙から飛び込んでくる細かい粒子(宇宙塵)のまわりに氷が付着して、横から太陽光を受けると光って見える夜光雲が見られることもあります。

中間圏までの大気組成はほぼ同じで、この組成を持つ大気(気体)を空気という。だから、空気の上限は高さ80kmということになるわけです。

高さ80km以上からはまた高さとともに気温が上昇し、高さ400km以上では1000℃にもなっています。中間圏よりも上を熱圏といいます。

熱圏では大気の密度は大変に小さく、高さ450kmで地表の1兆分の1、高さ800kmでは100兆分の1でしかありません。このように密度が小さいので、気温が高いといってもエネルギーは小さいので、高さ300km程度を飛んでいるスペースシャトルそのものや、あるいはスペースシャトルから外に出て船外活動をしても平気なのです。

つまり、気温は大気を構成している原子・分子の速さで決まり、熱圏では猛烈な速さで原子・分子が動き回っているが、その数が少ないのでエネルギー的には小さいのです。

 

熱圏になると、大気の組成は空気の組成とは異なってきて、分子よりも原子(窒素原子や酸素原子)の形で存在します。この原子が太陽の紫外線やX線を吸収して高温になっています。また、紫外線を吸収することによって、原子は電離して(イオン化して)、電子とプラスのイオンになっていて、この電子やプラスのイオンの密度が高い部分を電離圏(電離層)といいます。

オーロラは熱圏の最下部(高度90km〜130km)で、大気の原子に太陽から飛び出した荷電粒子(水素原子核(陽子)や電子)が衝突して発光する現象です。

   

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