第 4 回

第 4 回

この回の講義の要点 • 大気の鉛直温度構造の理解. • その構造を決定する過程の理解.

地球大気の鉛直構造 （高度[km]）温度で区分 • 熱圏：90 km ~ • 中間圏：50~90 km • 成層圏：10~50 km • 対流圏：0~10 km • 雲ができる層 90km 熱圏中間圏 50km 成層圏 10km 対流圏 0km 280K 200k （温度[k]） Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1.

火星大気の鉛直構造 一応、温度で区分 • 熱圏：120 km ~ • “中層大気”：~120 km • “対流圏” ：0~5-10 km • 変動が激しい（高度[km]）熱圏 120km 成層圏 10km 対流圏 0km 200 （温度[K]) Seiff and Kerk, 1977: JGR, 30, 4364, Fig.15.

地球と火星の鉛直構造 （高度[km]）（高度[km]） 90km 熱圏熱圏中間圏 120km 50km 成層圏成層圏 10km 対流圏 10km 対流圏 0km 0km 280K 200k （温度[k]） 200 （温度[K]) Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1. Seiff and Kerk, 1977: JGR, 30, 4364, Fig.15.

今日のキーワード • 放射平衡（radiative equilibrium） • 対流 • 雲 • オゾン層

対流圏

高度とともに温度が低下. ざっと ~6-7 K/km. 備考身近な気象現象温帯低気圧台風 … のほとんどが対流圏で起こっている. 対流圏の鉛直温度構造の特徴（高度[km]） 90km 熱圏中間圏 50km 成層圏 10km 対流圏 0km 280K 200k （温度[k]） Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1.

考える順序 • まずは放射平衡に基づいて温度を考える • 運動（対流）を考える

放射平衡温度分布 • さらに仮定を緩めて, 温度の高さ分布を考える. • 前の仮定：ガラスモデル • 一層の大気 • 太陽放射は大気を素通り • 惑星放射は大気に吸収・射出される • 今度の仮定 • 一層の大気 • 太陽放射は大気を素通り • 惑星放射は大気に一部吸収・射出される • 今度の仮定 • N 層（多層）の大気 • 太陽放射は大気を素通り • 惑星放射は大気に吸収・射出される

大気温室効果 • 温室効果が働く場合（一番簡単な例）

大気 2 大気 1

大気 3 大気 2 大気 1 大気の鉛直構造を考えられる.

大気 3 大気 2 大気 1

放射平衡 • 太陽からエネルギーを受ける面積と惑星がエネルギーを出す面積を考えると, エネルギーのつりあいは, 大気3 大気2 大気1 地面

放射平衡温度 • 先程の式を解くと以下の温度が得られる有効放射温度

放射平衡温度 • 先程の式を解くと以下の温度が得られる有効放射温度上空ほど大気の温度は低い. 上空ほど低温になる原因の一つ.

なぜ上空ほど低温か? 大気 3 大気 2 大気 1

実際には? • 大気は 3 層 / 有限の数の層ではない. • 切れ目があるわけではない. • 大気は太陽からの放射を吸収.

対流圏における実際の温度減率は, 放射平衡から予想されるものよりも小さい. 詳細な数値計算の例放射平衡実際の温度分布 10 km 0 km 150 200 250 温度 (K) 300 （小倉 (1999): 「一般気象学」より引用）

対流の発生・雲の生成 • 重たい流体が軽い流体の上に乗ると不安定. • 言い換えると, 冷たい流体が暖かい流体の上に乗ると不安定 • 対流の発生. • 暖かい流体と冷たい流体が混ざることで安定な温度（簡単な場合には等しい温度）になる. • さらに, 雲ができることによる加熱が重要.

対流の発生 • 日常生活で経験があるはず. • 例えば, • 味噌汁の対流 • 鍋を火にかけたとき. • 下から熱せされた水, 味噌汁, などなどなどの対流. http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/handmade2002/ryutai/miso/miso.htm 対流の例って何だ！

対流圏では, これと同じ種類のことが起こっている. • ただし, 注意が必要. • … の対流は, 温度が一様になると止まる. • 現実的には, 暖かい流体が冷たい流体の上になると安定している. • しかし, 大気の場合には, 高さが高いほど密度が薄い効果が働き, 上空の方が寒くても安定になる.

大気の中の「見える」対流.雲の生成 • 積乱雲

雲のでき方

小まとめ • 対流圏の温度構造 • 地表面からの放射に“あぶられ”, 放射平衡分布に基づき高度とともに温度が減少 • 放射平衡による, 高度に対する急激な温度減少によって不安定となり, 対流が発生. • 雲の生成による加熱の寄与も重要. • 高度に対する温度減少は, これらの要因によって決まっている.

成層圏

高度とともに温度が上昇. 成層圏の鉛直温度構造の特徴（高度[km]） 90km 熱圏中間圏 50km 成層圏 10km 対流圏 0km 280K 200k （温度[k]） Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1.

対流圏よりも上空は温度が下がり続けると思われていた.対流圏よりも上空は温度が下がり続けると思われていた. 実際には, 温度は高度とともに上昇する. 成層圏の温度構造 50 km 放射平衡実際の温度分布 10 km 0 km 150 200 250 温度 (K) 300 （小倉 (1999): 「一般気象学」より引用）

対流圏よりも上空は温度が下がり続けると思われていた.対流圏よりも上空は温度が下がり続けると思われていた. 実際には, 温度は高度とともに上昇する. オゾンの紫外線吸収によって温度が上昇成層圏の温度構造 50 km オゾンを考慮した放射平衡放射平衡実際の温度分布 10 km 0 km 150 200 250 温度 (K) 300 （小倉 (1999): 「一般気象学」より引用）

地球と火星の鉛直構造 （高度[km]）（高度[km]） 90km 熱圏熱圏中間圏 120km 50km 成層圏成層圏 10km 対流圏 10km 対流圏 0km 0km 280K 200k （温度[k]） 200 （温度[K]) Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1. Seiff and Kerk, 1977: JGR, 30, 4364, Fig.15.

O O O オゾン・オゾン層 • オゾン : O3 • 高度 25 km を中心として形成されている層. オゾンの混合比のプロファイル（環境科学解説, 環境研, http://www.nies.go.jp/escience/ozone/ozone_01.html, より引用）

オゾン・オゾン層 • 混合比（空気分子数に対するオゾンの割合） • ~10-6 • つまり, 空気分子 100 万個に対してオゾン分子が 1 つ. • よく言うお話 • 「オゾン層を 1 気圧（地面付近）に持ってきたら, 厚さはたった 3 mm」 • （ある意味）とても量が少ない. オゾンの混合比のプロファイル

オゾン・オゾン層 • しかし, 非常に良く知られたお話 • 「オゾンは太陽からの紫外線を吸収することで, 地表に届く有害な紫外線を和らげている」

太陽の光は電磁波の１種 • μm は 10-6 m

http://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/3-10ozone_depletion.htmlhttp://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/3-10ozone_depletion.html

オゾン層の維持機構 紫外線により酸素分子からオゾンが生成. 一方オゾンは酸素原子と反応することにより消滅. 上空のオゾンはこれらの生成・消滅のバランスを保ちながら存在. (http://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/3-10ozone_depletion.html)

オゾンの生成 • 今から約35億年前, 海の中で生命が誕生. • やがて, 光合成により二酸化炭素（CO2）を酸素（O2）に変える働きを持つラン藻類が登場し, 地上に酸素を供給. • 大気中の酸素濃度が高まり, 成層圏にまで達するようになると, 成層圏の強い紫外線によってオゾンが形成. • 生命が誕生し, 光合成を行ったことで, 生物を守るオゾン層が形成された. （環境科学解説, 環境研, http://www.nies.go.jp/escience/ozone/ozone_01.html, より抜粋）

オゾンホール 1979年、2007年それぞれの10月の月平均オゾン全量の南半球分布(http://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/diag_o3hole.html)

オゾンホールの規模を示す要素の一つであるオゾンホールの面積（オゾン全量が220m atm-cm以下の領域の面積）の推移。左図は2007年の日別の値(赤丸)と過去10年(1997～2006年)の日別の最大値・最小値（破線）の推移、右図は1979年以降の年最大値の経年変化。なお、横線は南極大陸の面積を示す。米国航空宇宙局（NASA）提供のTOMSおよびOMIデータをもとに作成。 http://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/diag_o3hole.html

フロンによるオゾン破壊 • 上部 40 km 以上での反応. クロロフルオロカーボン（CFCs；フロンとも呼ばれる）等に起因する塩素によるオゾン破壊反応. (http://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/3-10ozone_depletion.html)

極成層圏雲によるオゾン破壊 • 下部成層圏での反応. 高度 30ｋｍより下の成層圏では, 塩素原子は通常, オゾンを破壊しない化合物に姿を変えて存在する. ところが, 南北両極, 特に南極上空の高度 15～20km付近では冬に著しく低温の状態となり, 極域成層圏雲（PSCs）と呼ばれる雲が発生する. この雲粒子の表面で塩素が活発化してオゾンを破壊する. (http://www.data.kishou.go.jp/obs-env/ozonehp/3-10ozone_depletion.html)

オゾン回復に関して.

小まとめ • 成層圏（高度約 10 km から 50 km）では, 上空ほど温度が高い. • 温度上昇はオゾンが紫外線を吸収することに起因している. • 一方, オゾンは紫外線を吸収することで地面に届く有害な紫外線を和らげている. • フロンガス, 極成層圏雲などに関わる化学反応によってオゾンホールが広がってきた. • 現在の予測では, 今後オゾンの量は回復していくと考えられている.

中間圏・熱圏

中間圏では高度とともに温度が低下. 地球の大気中で最も低温となる高度. ~180 K (－90 ℃ 以下) 熱圏では, 高度とともに温度が上昇. 高度 500 km 付近では, 1000 K 以上の温度に達する. 中間圏・熱圏の鉛直温度構造の特徴（高度[km]） 90km 熱圏中間圏 50km 成層圏 10km 対流圏 0km 280K 200k （温度[k]） Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1.

（高度[km]） 90km 熱圏 400km 中間圏 300km 50km 成層圏 200km 10km 100km 対流圏 0km 280K 50km 200k （温度[k]） 0km Andrews et al., 1987: Middle atmosphere dynamics, Academic Press, Fig. 1-1. 273K 773K

第 4 回

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