この章で学ぶこと
第 5 章では 大気 の構造 と動きを学びます。 私たちが呼吸する空気は地球 を包む 薄い層。 その層は高さで性質 が大きく変わり、 地球全体で大きな 循環 をしています。
- 大気 の 4 層構造 (対流圏・成層圏・中間圏・熱圏) を知る
- 各層の 気温 の変化を グラフ で理解 する
- オゾン層 の役割 を知る
- 大気大循環 (ハドレー・フェレル・極循環) をつかむ
- 偏西風 と ジェット気流 が天気とどう関わるかを理解 する
- コリオリ力 で風が曲がるしくみを知る
ポイント: 大気 の 「質量 の 99%」 は地表から 約 30 km までに集中 しています。 地球 の 半径 が 6378 km なので、 大気 は リンゴの皮より薄い とも言えます。 この薄い層が私たちの命を支えています。
1. 大気の組成と気圧
大気の組成
地表付近 の 乾燥 大気 (水蒸気を除く) の 組成:
| 気体 | 割合 |
|---|
| 窒素 (N₂) | 約 78.1% |
| 酸素 (O₂) | 約 20.9% |
| アルゴン (Ar) | 約 0.93% |
| 二酸化炭素 (CO₂) | 約 0.04% (増加傾向) |
| その他 | 微量 |
そのほか、 場所と時期で大きく変動する 「水蒸気」 が 0〜4% 含まれます。
気圧とは
気圧 = 大気 の重さによりかかる 圧力。 単位は hPa (ヘクトパスカル)。
| 場所 | 気圧 |
|---|
| 海面 (標準) | 1013 hPa = 1 気圧 |
| 富士山山頂 (3776 m) | 約 640 hPa |
| エベレスト山頂 (8848 m) | 約 320 hPa |
| 旅客機飛行中 (10 km) | 約 250 hPa |
ポイント: 気圧 は 高さとともに急に下がる。 高度 5500 m で約半分 (500 hPa)、 そこから 5500 m ごとにさらに半分になります。
2. 大気の 4 層構造
地球の 大気 (国際宇宙ステーション からの撮影) — 地球の縁に 対流圏 (オレンジ)、 成層圏 (青) が層状に重なる様子が見える。 大気 の 99 % は地表から約 30 km までに集中、 地球 の 半径 (6378 km) と比べると 「リンゴの皮より薄い」 とも言われる。
4 層の概要
気温 が高さとともに 増えたり減ったり することで、 大気 は 4 層に分けられます。
| 層 | 高度 | 気温 の変化 | 主な特徴 |
|---|
| 対流圏 | 0〜約 11 km | 高度とともに 下がる (-6.5℃/km) | 気象 現象 が起きる、 雲 や雨 |
| 成層圏 | 11〜50 km | 高度とともに 上がる | オゾン層 がある、 安定 |
| 中間圏 | 50〜80 km | 高度とともに 下がる | 流星が燃える、 夜光雲 |
| 熱圏 | 80〜約 500 km | 高度とともに急に 上がる | オーロラ、 電離層、 国際宇宙ステーション |
対流圏の特徴
- 厚さは 赤道で約 17 km、 極で約 8 km と違う
- 気温 は平均 100 m あたり 0.65℃ 下がる (気温減率)
- 上端を 対流圏界面 (圏界面) と呼ぶ
- ほぼ全ての 気象 現象 がこの層で起きる (雲・雨・雪・雷)
成層圏とオゾン層
成層圏 で 気温 が上昇 するのは、 オゾン (O₃) が 紫外線 を吸収 して加熱 されるから。
| 用語 | 説明 |
|---|
| オゾン層 | 高度 20〜30 km 付近、 オゾン の 濃度 が高い層 |
| 役割 | 太陽 からの 紫外線 (UV-B、 UV-C) を吸収、 生物 を守る |
| オゾンホール | フロン などにより 南極上空の オゾン が減少した 現象 |
大事: 1980 年代に 南極 の オゾンホール が発見 され、 フロン 規制 (モントリオール議定書、 1987 年) が行われました。 今ではゆっくりと回復 しており、 「国際協力 で解決できた 環境 問題」 の数少ない例です。
中間圏と熱圏
| 層 | 特徴 |
|---|
| 中間圏 | 気温 は高度 とともに下がり、 約 -90℃ まで冷える (大気中で最も冷たい)。 流星 が燃える |
| 熱圏 | 太陽 からの X線・紫外線 を吸収 して数百〜1500℃ まで加熱。 ただし 気体 がまばらなので 「熱い」 感覚ではない |
電離層とオーロラ
熱圏 には強い 紫外線 や X線 で 気体 分子 が 電離 した 電離層 があります。 電波 を反射 するため、 短波通信に利用 されます。
オーロラ は、 太陽風 の 荷電粒子 が 地球磁場 に沿って高緯度上空に入り、 大気 分子 とぶつかって光る 現象。 北極・南極 に近い場所でよく見られます。
3. 大気が動く原因
太陽からの熱の不均一性
地球は 球 なので、 太陽 からの 熱の受け方 が緯度 で違います。
| 緯度 | 受ける熱 |
|---|
| 赤道付近 | 太陽 がほぼ真上、 単位面積あたりの熱が多い |
| 極付近 | 太陽 が低い角度、 同じ熱が広い面積に分散 |
この 不均一 が、 大気 と 海洋 を動かす エネルギー源 です。
コリオリ力
地球 が自転 しているため、 動く物体は 見かけ上曲がって 進みます。 この 「見かけの力」 が コリオリ力。
| 半球 | 物体が曲がる向き |
|---|
| 北半球 | 進行方向に対して 右 に曲がる |
| 南半球 | 進行方向に対して 左 に曲がる |
コリオリ力 は 赤道で 0、 極で最大。 これが、 偏西風 や 低気圧 の 渦 の向きを決めます。
ポイント: 北半球の 低気圧 は 「反時計回り」、 高気圧 は 「時計回り」 に風が吹くのは、 コリオリ力 のせい。 南半球では逆になります。
4. 大気大循環
3 つの循環
地球全体の 大気 の動き = 大気大循環 は、 各半球で 3 つの循環 から成ります。
| 循環 | 緯度 | 動き |
|---|
| ハドレー循環 | 赤道〜30° | 赤道で上昇、 30° で下降 |
| フェレル循環 | 30°〜60° | 中緯度の弱い循環 |
| 極循環 | 60°〜極 | 極で下降、 60° で上昇 |
各循環のしくみ
ハドレー循環:
| 段階 | 場所 | 動き |
|---|
| ① 加熱 | 赤道付近 | 強い 太陽熱で空気が上昇 |
| ② 高緯度 へ | 上空 | 高い高度 を北 (南) へ流れる |
| ③ 下降 | 緯度 30° 付近 | 冷えて下降、 亜熱帯高圧帯 |
| ④ 戻る | 地表 | 貿易風 として赤道へ戻る |
地表での風の帯
大気大循環 の結果、 地表には緯度 ごとに特徴的な風が吹きます。
| 緯度 | 風 | 名前 |
|---|
| 赤道付近 | 弱い上昇気流 | 赤道無風帯 |
| 0°〜30° | 北東 (南東) の風 | 貿易風 |
| 30°〜60° | 西寄りの風 | 偏西風 |
| 60°〜極 | 極からの風 | 極偏東風 |
高圧帯と低圧帯
| 緯度 | 気圧 | 天気の傾向 |
|---|
| 赤道 (0°) | 赤道低圧帯 | 雨が多い (熱帯雨林) |
| 30° | 亜熱帯高圧帯 | 乾燥 (砂漠 が集中) |
| 60° | 亜寒帯低圧帯 | 低気圧 が通りやすい |
| 極 | 極高圧帯 | 寒くて乾燥 |
ポイント: サハラ砂漠 や アラビア砂漠、 オーストラリア中央の 砂漠 が 緯度 30° 付近 に集中 しているのは、 亜熱帯高圧帯 の下降気流 が原因。 大気大循環 の結果 として地球上の 気候 が決まっています。
5. 偏西風とジェット気流
偏西風とは
偏西風 は、 中緯度 (30°〜60°) の上空を 1 年中 西から東へ 吹く強い風。 日本上空にも吹いていて、 天気が西から東へ移る 原因です。
ジェット気流
ジェット気流 は、 偏西風 の中でも特に強い流れ。 高度約 10 km、 幅数百 km、 速さ 100〜300 km/h に達します。
| 種類 | 緯度 | 特徴 |
|---|
| 亜熱帯ジェット気流 | 緯度 30° 付近 | 強くて安定 |
| 寒帯前線ジェット気流 | 緯度 50°〜60° 付近 | 蛇行しやすく、 天気を大きく動かす |
偏西風の蛇行と異常気象
偏西風 はまっすぐではなく 南北に蛇行 します。 蛇行が大きくなると:
| 現象 | 説明 |
|---|
| ブロッキング高気圧 | 蛇行が動かなくなり、 高気圧が 1 か所に居座る → 猛暑・熱波 |
| 強い 寒波 | 北からの寒気が大きく南下 → 大雪 |
| 長雨 | 低気圧 が同じ場所を通り続ける |
大事: 近年の 「異常気象」 (猛暑・豪雨・暖冬) は、 偏西風 の蛇行が大きくなった結果 とも言われています。 気候変動 との関係 が 研究 されています。
日本の飛行機とジェット気流
東京 → ロサンゼルスは 追い風 で約 10 時間、 ロサンゼルス → 東京は 向かい風 で約 12 時間かかります。 ジェット気流 は 航空 に大きな影響 を与えます。
6. ふりかえりと安全配慮
- [ ]大気 の 4 層 (対流圏・成層圏・中間圏・熱圏) を 気温 の変化とセットで言える
- [ ]オゾン層 の役割 と オゾンホール、 モントリオール議定書を知っている
- [ ]コリオリ力 が自転 から生まれるしくみと半球で向きが違うことを説明 できる
- [ ]大気大循環 の 3 循環 (ハドレー・フェレル・極) を言える
- [ ]貿易風・偏西風・極偏東風 が緯度 ごとに吹くと知っている
- [ ]偏西風 と ジェット気流 が天気を西から東へ動かすことを知っている
- [ ]偏西風 の蛇行が異常気象 を生むことを知っている
この章の安全配慮
- 高山での 高山病 に 注意: 高度 が上がると 気圧 が下がり酸素 が薄くなる
- 紫外線対策: オゾン層 が守ってくれても、 高緯度 や高山では強い → 日焼け止め・サングラス
- 航空機内では 気圧 が低い環境 (約 0.8 気圧)、 体調不良に 注意
- 気象 現象 (台風・豪雨・落雷) は 気象庁 の 警報・注意報 を必ず確認
- 大気 汚染 (PM 2.5・黄砂) が多い日は マスク・換気 注意
次の章: 第 6 章では 大気 の中で起こる 気象 現象 を詳しく学びます。 雲 のでき方、 前線、 低気圧・高気圧、 台風、 そして日本の 四季 と天気の関係がテーマです。
大気大循環 の立体模式図 — 各半球 に ① ハドレー循環 (赤道〜30°、 貿易風)、 ② フェレル循環 (30°〜60°、 偏西風)、 ③ 極循環 (60°〜極、 極偏東風) の 3 つが並ぶ。 30° の下降気流 = 亜熱帯高圧帯 に サハラ砂漠 などが集中 する理由 が一目で分かる。
