物理苦手でも気象予報士試験に合格したい！#15　大気の鉛直構造

こんにちは、まさごんです。
気象予報士試験の合格を目指すべく、日々の勉強内容を記録しています。
基本的には前日夜にインプットした内容を、朝一番にnoteにまとめて復習する、というサイクルで学習を回しています。

勉強内容

今回は大気の鉛直構造について学習しました。
山に登ると気温が低くなることから、高度が大きくなるほど気温が下がることを私たちは体験的に知っています。しかし、実は気温は高度とともに上昇したり下降したりします。

学習ポイント①：対流圏

大気の温度や気圧、密度は高度とともに変化しています。気温が上昇するところ、下降するところでそれぞれ層に分かれている、名前がついています。下から対流圏、成層圏、中間圏、熱圏です。ここの層と層の境目のことを圏界面といいます。
一番下の対流圏は、私たちが住んでいる大気圏で高度やく１１ｋｍまでの圏です。地上付近の空気が暖められると空気は上昇し、周囲の空気よりも低温になると空気は加工します。これは暖かい空気は密度が大きく、冷たい空気は密度が小さいからです。このように空気が上昇したり下降したりすることを「対流」といい、対流圏では名前の通り空気の対流によってさまざまさ気象現象が引き起こされます。雲や雨雪などの降水現象や、温暖前線、寒冷前線、低気圧や台風など、大気の運動のほとんどはこの対流圏で起こっているのです。

対流圏内の気温は、高度が高くなるにつれてどんどん低くなります。これは、気温が上がるにつれてその高度における気圧（空気の圧力）が低くなるためです。空気は気圧が下がると膨らむ性質がありますが（断熱膨張という）、膨張するというのは体積変化して体積が大きくなるということで、そのときに空気の持っている熱エネルギーを使ってしまうので、膨らむ代わりに気温は低くなるのです。対流圏での気温源率（気温が下がる割合）は、季節変動などもありますが平均的には約６．５℃ / ｋｍです。山を１０００ｍ登ると、地上より６．５℃気温が低いということです。山は２０００ｍを軽く超えているものもありますから、山頂は１０℃以上地上より気温が低いことになり、このため山頂ではとても寒く感じるのです。

学習ポイント②：成層圏

対流圏の上にある成層圏では、高度とともに気温が高くなり、高度５０ｋｍの成層圏界面（成層圏とその上の中間圏との境目）で気温が極大になります。成層圏にはオゾン層という、オゾンが多量に存在している層があります。このオゾンの存在が、成層圏で気温が上がる犯人です。
オゾンは太陽からの紫外線を吸収し、熱エネルギーに変えています。このため空気が暖められ、成層圏では高度とともに気温が上昇するのです。太陽の紫外線は生物にとって有害であるため、このオゾン層の存在がなければ我々人間も地球で生きてはいけません。オゾン層は地球上の生物を紫外線から守ってくれる、バリアのような役目をしているのです。

気づいたこと

ちなみに、オゾン量が多い層とはいっても、その数は大気分子約１００万個に対して１個程度しか存在しません。少数精鋭タイプなんですね。私もそうなりたいものです。
オゾンホールができて地上の紫外線量が増える、というのを聞いたことがあります。このオゾンホールとは、人間活動によって生み出されるフロンという化学物質がオゾンを分解してしまい、オゾン層にぽっかり穴があいたように見えることから名づけられました。１９７０年代にオゾンホールが発見されて問題となり、今では多くの会社がフロン排出量を抑えるための活動をしていると思います。

ありがとうございました。