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第１０回　気圏と水圏：　地球の大気

配付プリント等

• 　気圏（Atmosphere）は、高度に対する気温の変化のしかたによって４圏に分けられている。地表（平均気温１５℃）から高度１０キロメートル付近までは、高度とともに気温も下がり、最上部では−５０℃以下である。この圏には気圏全体の３分の２の大気が存在し、大気の対流が活発であるために対流圏（Troposphere）と名付けられている。その上には、逆に高度とともに気温が上昇する圏があり、大気の３分の１が存在するが、温度構造のために対流はおこさない。従って、成層圏（Stratosphere）と名付けられている。成層圏は高度５０キロメートル付近までであるが、２０〜３０キロメートルにはオゾン（O3）濃度の高いオゾン層（Ozone Layer）と呼ばれる層が含まれる。成層圏の上は、対流圏と同じ温度構造であるものの大気がほとんど存在しないために顕著な現象が観察されない中間圏（Mesosphere）がある。これは高度８０キロメートル付近までである。その上には、成層圏と同じような温度構造の熱圏（Thermosphere）がある。熱圏の上部は不明瞭であるが高度５００キロメートル程度である。熱圏では、太陽紫外線による大気成分の電離作用によって熱が発生している。つまり、熱圏の大部分は電離層（Ionosphere）と重なる。
  　一般に宇宙空間（Outer Space、Space）とされるのは、高度１００キロメートル以上である。
  　気圏の上部にある特徴的な圏は磁気圏（Magnetosphere）である。これは地磁気（地球磁場、Earth's Magnetic Field）によって生じている。磁気圏の上部は太陽側では６万キロメートル程度とされている。磁気圏の太陽と反対側は、太陽風（Solar Wind）の影響により、彗星の尾のように遠くまで伸びている。なお、磁気圏内には、太陽風のプラズマ（Plasma）が閉じこめられたバンアレン帯（Van Allen Radiation Belt）も存在する。
  　地表側に戻ると、地表に対する影響が最も大きいのは対流圏である。気象（Weather）現象の大部分はここで生じている。気圏における大気の大循環（Zonal Overturning Circulation）は基本的には対流圏で生じている。北半球では、東西方向の循環の帯が３つ存在し、赤道面を対称にして南半球にも３つ存在する。最も大きくて強いのは赤道に近いものであり、ハドレー循環（Hadley Cell）と呼ばれている。残りは、順に、フェレル循環（Ferrel Cell）と極循環（Polar Cell）である。これらの循環のため、南北３０度付近は地球規模の乾燥帯となっており、代表的な砂漠が分布している。このような大気の循環が発生する原因は、極地域と赤道地域で典型的な緯度の違いによる太陽光の影響の違いから生じる温度差である。この温度差を無くす方向に大気は運動する訳である。さらに、地球が自転している影響（コリオリの力、Coriolis Force）も受けている。
  　大気の大循環などの運動エネルギーを与えているのは太陽光（Sunlight）である。地表で起こっている物質の移動のエネルギー源はすべて太陽光である。特に地表付近の温度に与える影響は重要である。このように、地球が太陽から受け取っているエネルギーを太陽放射（Solar Radiation）と呼ぶ。受け取るだけでは地表温度は限りなく上昇するので、地球から宇宙へエネルギーを放出している。それを地球放射と呼ぶ。太陽放射と地球放射のバランスの結果として、現在の地表温度（気温）が平均１５℃となっている。太陽放射の実体は電磁波であり、可視光（Visible Spectrum）領域の波長をもつ強度が最も大きく、赤外線や紫外線（Ultraviolet）なども含まれる。一方、地球放射の方は赤外線（Infrared：主に熱を伝える）であり、目には見えない。電磁波（Electromagnetic Radiation：スペクトル）の波長と強度は、それを発生している物質の温度と物理的関係を持つ（シュテファン＝ボルツマンの法則、Stefan-Boltzmann Law）。つまり、太陽放射スペクトルは、太陽表面温度の６０００℃に対応し、地球放射スペクトルは地表温度１５℃に対応している。ちなみに、地球放射の赤外線と反応する大気成分（例えば、CO2など）は温室効果ガス（Greenhouse Gas）とも呼ばれる。
• 『気圏と水圏：　地球の大気』。講義内容は以下について。
  『３　気圏と水圏　3.1　地球の大気』。
  �@大気の構造：対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、オゾン層、電離層
  　　対流圏には全大気量の2/3が存在し、気象現象は主にここで生じる。
  �A磁気圏：太陽風、バンアレン帯
  �B大気の大循環：ハドレー循環、フェレル循環、極循環
  　とくに、南北30度付近は、乾燥した大気が下降する高気圧帯となり、植物等の生育が制限されるために砂漠となりやすい。
  �C太陽放射と地球放射：紫外線、可視光、赤外線
• ビデオ『大気の運動』（13分）。
• プリント2枚（番号：９）。出席票。
  【1枚目】
  図2-1、表2-1…、『地球システム科学入門』（17,18p）
  図3.1…『教養の地学　改訂版』（40p）
  図2-1、図2-3、図4-4、図4-5、図4-6、図4-7、図4-8…『地球と宇宙･地球編（改訂版）』（21,22,55,56,58p）
  表1-1、図1-3…『大気とその運動』（2,5p）
  【2枚目】
  図1-4、図1-6…『大気とその運動』（7,11p）
  図3.2、図3.3…『教養の地学　改訂版』（41,43p）
  表�U-2、表�U-3、表�U-4、図�U-1、図�U-2、図�V-1、図�V-2…『人工衛星の生いたち』(20,23,25,35p）

補足説明

全般	地球科学用語については『地球科学用語集』ページを参照。 単位については『単位について』のページを参照。 地質年代については『地質年代表』のページを参照。

• NHKビデオ『大気の運動』
  『〔内容〕
  １．気象衛星ひまわりの写真から、大、小の大気の流れを知る。
  ２．太陽からの熱による、地球の熱の放射をアニメーションでみる。
  ３．海上に太陽の熱放射が及んだ時の大気の流れと雲の発生、大気への熱放射をアニメーションで示す。
  ４．緯度別に見た年平均の太陽からの熱の入射量と地球からの熱の放射量についてしらべ、低い緯度の地域では熱が過剰となって熱源となり、極地方では熱が不足して冷源となることを知る。
  ５．北極の上空からみた北半球の夏、冬の、雲の様子を見せ、太陽の影響がいかに大きいかを知らせる。
  ６．北極上空から見た暖流と寒流の流れをアニメーションで見、熱の極地域のアンバランスを解消するものとして海流の流れがあることを説明する。
  ７．大気中での極と赤道との熱のアンバランスを解消するために赤道から極に向って、子午線方向の流れがあることを示す。
  ８．子午線方向の流れが地球の回転の作用で偏西風、偏東風になることをアニメーションでみせる。
  ９．円板状にカメラをのせ、円板を回転して球をころがすと、右に曲がる。この実験から地球上の大気も同じ影響を受けることを知る。
  １０．亜熱帯高圧帯と亜熱帯低圧帯ができるわけをしらせる。
  １１．海風、陸風を例に太陽からの熱吸収が大きく大気に作用していることをみる。
  １２．海陸風が大規模になったものが夏、冬、の季節風であることを知らせる。
  １３．水の大循環から大気と地球の間での熱のやりとりがあることを知る。
  １４．北極の上空から北半球の高層に於ける大気の流れを１７日間の天気図の変化で知る。
  １５．流体実験により、地球上の大気に大きな流れがあることをたしかめる。』

• 気圏については『気圏について』のページを参照。
• フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。
  ■Category:大気（Category:Atmosphere）／地球の大気（Earth's atmosphere⇒Atmosphere of Earth）／大気圏（Atmosphere）／対流圏（Troposphere）／成層圏（Stratosphere）／中間圏（Mesosphere）／熱圏（Thermosphere）／
  ■オゾン層（Ozone layer）／電離層（Ionosphere）／
  ■磁気圏（Magnetosphere）／太陽風（Solar wind）／ヴァン・アレン帯（Van Allen radiation belt）／
  ■Category:大気放射（Category:Atmospheric radiation）／太陽放射（Solar radiation⇒Sunlight）／大気の窓（Infrared window）／
  ■大気循環（Atmospheric circulation）／ハドレー循環（Hadley cell）／
  ■Portal:気象と気候（Portal:Atmospheric sciences）／
  ■コリオリの力（Coriolis effect）／フーコーの振り子（Foucault pendulum）／　

【大気の鉛直構造】

• 大気の鉛直構造 〔三輪剛史氏によるJacso Palaceの中の『気象用語集』から〕

【大気の温度構造】

• Figure 7b-1: Vertical change in average global atmospheric temperature. Variations in the way temperature changes with height indicates the atmosphere is composed of a number of different layers (labeled above). These variations are due to changes in the chemical and physical characteristics of the atmosphere with altitude. 〔Michael Pidwirny氏によるPhysicalGeography.netの『FUNDAMENTALS OF PHYSICAL GEOGRAPHY』の『CHAPTER 7: Introduction to the Atmosphere』の『(b). The Layered Atmosphere』から〕 　大気の温度構造。高度に対して温度は下降と上昇を繰り返しているが、その変わり目を境界として、地表から対流圏・成層圏・中間圏・熱圏と名づけられている。それらの境界は、地表から対流圏界面・成層圏界面・中間圏界面と呼ばれる。成層圏界面付近の温度上昇は、太陽紫外線によるオゾンの生成と分解に伴う発生熱による。なお、オゾン層は高度20〜30km付近に存在する。また、熱圏の温度上昇は、大気を構成するさまざまなガス分子の太陽紫外線による電離反応に伴う発生熱による。

【大気の大循環】

• 〔David Hodell and Ray G. Thomas両氏によるWelcome to the GLY1073 Electronic Tutor:　"An Introduction to Global Change"の『Atmospheric Circulation』の中から〕

  Idealized, three cell atmospheric convection in a rotating Earth. "Three cell" being either three cells north or south of the equator. The deflections of the winds within each cell is caused by the Coriolis Force. Figure 7.5 in The Atmosphere, 8th edition, Lutgens and Tarbuck, 8th edition, 2001. 〔Eastern Illinois UniversityのJohn P. Stimac氏による『Weather and Climate ESC 1400G - Sections 7, 8, 9』の『Atmospheric Circulation』から〕 　大気の大循環。おもに対流圏であるが、図は誇張されている。北半球においては、赤道側からハドレー循環・フェレル循環・極循環の３つが存在する。南半球にも対称的に３つの循環が存在する。ただし、図は理想化されている。南北方向の大気の動きは、地球の自転の影響を受けて、例えば北半球では進行方向の右側にそれる。南半球では逆である。

【太陽放射と地球放射】

• 電磁波（光）の波長0.4〜0.7μm付近が可視光であり、その短波長側が紫外線、長波長側が赤外線である。太陽放射（左のピーク：入）はおもに可視光ではあるが、紫外線と赤外線も含む。しかし大気を透過できる波長域（オレンジ）はおもに可視光である。地球放射（右のピーク：出）は赤外線であり、大気を透過できる波長域（グリーン）は限られる。 　下図のように、大気中の特定のガス成分は特定の波長の光と反応し、その光を吸収する。とくに、地球放射の赤外線を吸収すると、大気中にそのエネルギー（熱）が保持されるため、気温が上昇することになる。これらのガス成分は温室効果（温暖化）ガスと呼ばれるが、水蒸気や二酸化炭素が代表である。 〔Seafriends Marine Conservation and Education Centreによるseafriendsの『oceanography』の中の『Oceanography - currents』から〕

【太陽放射と地球放射の緯度による違い】

• Figure 7j-1: Balance between average net shortwave and longwave radiation from 90°North to 90°South. 〔Okanagan University CollegeのDepartment of GeographyのMichael Pidwirny氏によるPhysicalGeography.netの『FUNDAMENTALS OF PHYSICAL GEOGRAPHY』の『CHAPTER 7: Introduction to the Atmosphere』の中の『(j). Global Heat Balance: Introduction to Heat Fluxes』から〕 　赤道域は太陽放射（おもに可視光）＞地球放射（赤外線）であり、極域は太陽放射＜地球放射であるため、温度差が生じる。その温度差をなくす方向に大気は動くが、地球規模のこのような大気の動きを大気の大循環と呼ぶ。

【地球の磁気圏】

• 〔東京工業大学の藤本正樹氏による『地球周辺の宇宙空間をプラズマの視点から見ると、、、』から〕 　プラズマ（陽子と電子）からなる太陽風は、地球磁場によって作られた磁気圏で大部分が遮蔽され、その内部に閉じこめられる（プラズマ圏＝バンアレン帯）。プラズマの一部は、磁場が弱い南北両極付近から地表に近づく。そのさいに、大気と反応して発光し、オーロラを生む。

参考

【地表でのエネルギー源】

• 地表でのエネルギー源（熱源）強度比較
  

  エネルギー源	強度比	地球上のエネルギー流量*
  		エネルギー源	エネルギー流量 （1020 kJ/年）
  		太陽から宇宙へ放射されるエネルギー	1.17×1011
  太陽光	5000	地球に入射する太陽エネルギー	54.4
  		地球の気候や生物圏に影響するエネルギー	38.1
  		水の蒸発に使われるエネルギー	12.5
  		風力エネルギー	0.109
  		光合成に使われる太陽エネルギー	0.0836
  		純一次生産力に使われるエネルギー	0.0372
  地熱	1	地球の内部から表面に伝達されるエネルギー	0.0100
  		人類が消費した全一次エネルギー（1990）	0.00368
  		消費された化石燃料のエネルギー含量（1990）	0.00297
  重力	0.1	潮汐と波力エネルギー	0.00126
  		米国の全エネルギー消費量（1990）	0.000837
  		人類が消費した食糧のエネルギー含量（1990）	0.000188
  *スピロ・スティリアニ（2000）による〔『地球環境の化学』（1-5p）から〕の『表1.1　地球上のエネルギー流量』から

【自転のない地球での大気の大循環】

• Figure 6. Wind patterns of the world for (A) a hypothetical world with no rotation, (B) the world with rotation, and (C) the resulting bands of general circulation. 〔The University of Michigan's Global Change CurriculumのIntroduction to Global Changeの『Global Change 1』の中の『Climate Patterns Past and Present』から〕 　左は、地球が自転していない場合に考えられる大気の大循環であり、南北両半球にそれぞれ一つの循環しか存在しない。実際には、自転により（現在の自転速度、大気の厚さや性質などによって）両半球にそれぞれ三つの循環が存在する。

【太陽光の透過状態と光合成化合物】

• 〔Seafriends Marine Conservation and Education Centreによるseafriendsの『oceanography』の中の『Oceanography - currents』から〕

【太陽光の吸収状態の緯度による違い】

• 〔Seafriends Marine Conservation and Education Centreによるseafriendsの『oceanography』の中の『Oceanography - currents』から〕

【放射平衡温度】

• 〔千葉県環境研究センターの『平成14年度第1回公開講座第1部スライド』から〕 地球が受けるエネルギー＝地球が放射するエネルギー S・（1−A）・πｒ2＝４πr2・I ここで、 ・S＝太陽定数（常数）＝1.37×103（J・m-2・s-1）＝1.37×103（W・m-2） ・A＝アルベド≒0.3 ・r＝地球半径（m） ・I＝地表での放射エネルギー≒240（W・m-2） 　上式から I が求められ、さらにステファン・ボルツマンの法則から地表温度が求められる。 ステファン・ボルツマンの法則〔Stefan-Boltzmann law〕（黒体の表面から単位面積・単位時間当りに放出される電磁波のエネルギー I は、その黒体の絶対温度 T の4乗に比例する）： I（W・m-2）＝σT4 ここで、ステファン・ボルツマン定数σ＝5.67×10-8 （W・m-2・K-4）

【温室効果】

• 〔千葉県環境研究センターの『平成14年度第1回公開講座第1部スライド』から〕

【地表でのエネルギー収支】

• Figure 2 - Globally Averaged Energy Budget 〔Oklahoma Climatological Surveyの『Training Materials』の『Overview of Meteorology』の中の『Earth's Energy Budget』から〕 太陽放射のうち約３割（アルベド）は宇宙へ反射される。