地学⑯：大気圏

わたしたちが「空」とよんでいる、この透明な空間。それは、地球をうすいベールのように取り巻く、窒素や酸素からなる「大気圏」だ。この単元では、大気の基本的な組成と、高度によって気温が劇的に変化する「大気の層構造」の物理的な理由を探究する。そして、日々の天気予報が、地上から宇宙まで、どのような最新技術で大気を観測し、作られているのか、その舞台裏にせまるよ。

1. 大気の組成と気圧

地表付近の乾燥した空気は、体積比で、約78%の窒素（N₂）、約21%の酸素（O₂）、約1%のアルゴン（Ar）からなる。地球温暖化で注目される二酸化炭素（CO₂）は、約0.04%と、ごく微量だが、温室効果に大きな役割を果たしている。

空気の重さによって生じる圧力を「気圧」という。気圧は、上空へ行くほど、その上にある空気の量が減るため、指数関数的に減少する。地上の1気圧（約1013hPa）に対し、高度約5.5kmで約1/2気圧、高度約16kmでは約1/10気圧にまで低下する。

2. 大気圏の層構造

大気圏は、高度による温度変化にもとづいて、下から順に「対流圏」「成層圏」「中間圏」「熱圏」の４つの層に区分される。

対流圏（高度0～約11km）：上空ほど気温が低下する。原因は、地面からの放射熱で下から暖められているため。空気の対流が活発で、雲や雨などの気象現象は全てこの層で起こる。
成層圏（約11～50km）：上空ほど気温が上昇する。原因は、この層に存在するオゾン層が、太陽からの紫外線を吸収して大気を加熱するため。大気が非常に安定している。
中間圏（約50～80km）：上空ほど気温が再び低下する。オゾン層から離れ、加熱源がなくなるため。大気圏で最も低温（約-90℃）に達する。
熱圏（約80km～）：上空ほど気温が急激に上昇する。太陽からのX線や紫外線を直接吸収するため、温度は1000℃以上に達する。ただし、空気が極めて希薄なため、熱くは感じない。

3. 大気の観測

正確な天気予報のためには、地表から超高層まで、大気の状態を立体的に把握する必要がある。

地表気象観測：アメダス（自動気象データ収集システム）などで、気温、気圧、湿度、風向・風速、降水量などを、全国規模で常時観測。
高層気象観測：ラジオゾンデという観測機器を、大きなゴム気球につけて上空へ飛ばし、高度ごとの気温、湿度、気圧、風向・風速を直接観測する。
気象衛星による観測：静止気象衛星「ひまわり」などが、宇宙から雲の分布や動き、雲頂の温度、水蒸気の量などを、広範囲にわたって常時観測する。可視画像（昼）と赤外画像（昼夜）を使い分ける。

これらの膨大な観測データを、スーパーコンピュータに入力し、物理法則に基づいたシミュレーション（数値予報）を行うことで、未来の天気が予測されている。予報官は、この数値予報の結果を、地形の効果などを考慮して解釈・修正し、最終的な予報を発表する。

豆知識ですが、天気予報では、地上の天気図だけでなく、上空の気圧の様子を示した「高層天気図」が極めて重要です。例えば、「500hPa高層天気図」は、気圧が500hPaになる高度（約5500m）の分布を示したものです。この高度の等高線は、上空の風の流れ（偏西風など）をほぼ表しており、気圧の谷（等高線が南にへこんだ部分）が近づくと、地上では低気圧が発達し、天気が崩れる、といった対応関係があります。上空の大気の流れが、地上の天気を支配しているのです。

大気圏の構造は、温度変化の「なぜ？」が問われる！

大気の主成分（窒素、酸素）の体積比（約4:1）を覚える。
大気圏の４つの層（対流圏、成層圏、中間圏、熱圏）を、下から順番に完璧に覚える。
各層の「温度変化の傾向（上昇/低下）」と、その「物理的な理由」をセットで説明できるようにする。
（例：「成層圏で気温が上昇するのは、オゾン層が紫外線を吸収して加熱するため」）
３つの観測方法（地上、高層、衛星）の、それぞれの名称と、主な役割を理解する。
特に、高層観測で用いる「ラジオゾンデ」は頻出。