地学基礎⑩：大気の構造と熱収支

この記事で探究すること

わたしたちが毎日吸っている、空気。「大気」ともよばれるこの空気の層は、いったいどこまで続いていて、どんな構造になっているんだろう？ そして、地球が太陽から受けとる莫大なエネルギーを、どうやって宇宙に返し、絶妙なバランスを保っているんだろう？ この単元では、大気の鉛直構造と、地球全体のエネルギーの出入りである「熱収支」について探究するよ。

1. 大気の鉛直構造

地球の大気は、地上から宇宙空間まで、一様な性質ではない。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）：上空へ行くほど気温が下がる。空気の対流が活発で、雲の発生や降水といった、わたしたちが体験する気象現象は、すべてこの層で起きる。
• 成層圏（約11～50km）：上空へ行くほど気温が上がる。オゾン層がこの層に存在し、太陽からの有害な紫外線を吸収することで、大気をあたためている。大気が非常に安定しているため、ジェット旅客機などが飛行する。
• 中間圏（約50～80km）：上空へ行くほど気温が再び下がる。大気圏に突入した流星が、光って見えるのはこの層だ。
• 熱圏（約80km～）：上空へ行くほど気温が急激に上がる。空気は非常にうすいが、太陽からのエネルギーを直接受けるため、温度は数百度にも達する。オーロラが出現するのもこの層だ。

ちさまるといっしょに考えよう！

対流圏では、上空に行くほど太陽に近づくのに、どうして気温は下がっていくんだろう？

それは、大気が、太陽からの光で直接あたためられているわけではないからだ。大気は、まず太陽光が地面をあたため、その地面から放出される熱（赤外線）を受けとって、下からあたためられている。だから、熱源である地面から離れるほど、気温は下がっていくんだね。

2. 地球の熱収支

地球の平均気温は、長い目で見ると、ほぼ一定に保たれている。これは、地球が太陽から受けとるエネルギー量と、地球が宇宙空間へ放出するエネルギー量が、全体として釣り合っている（収支がゼロになっている）からだ。これを「地球の熱収支（放射平衡）」という。

コレクトの論理 de 解説：エネルギーの流れ

太陽から地球に入射するエネルギーを100とすると、その流れは以下のようになります。

• 約30%は、雲や地表で反射され、そのまま宇宙空間へ戻る（この反射率をアルベドという）。
• 約20%は、大気や雲に吸収される。
• 残りの約50%が、地表に吸収される。

吸収されたエネルギーは、最終的に、地表や大気から地球放射（赤外線）として宇宙空間へ放出されます。このとき、大気中の水蒸気や二酸化炭素といった「温室効果ガス」が、地表からの放射の一部を吸収し、再び地表へ返す（温室効果）ことで、地球は生物が生存可能な平均気温（約15℃）に保たれているのです。

コレクトの数理的アプローチ：放射平衡温度

仮に、地球に大気がなく、温室効果が全くなかった場合の、地球の平均表面温度（放射平衡温度）を計算してみましょう。物理法則によると、物体が放出するエネルギーは、その表面温度の4乗に比例します（シュテファン・ボルツマンの法則）。

地球が吸収する太陽放射エネルギーと、地球自身が放出する地球放射エネルギーが等しいという「熱収支のつり合い」から計算すると、この放射平衡温度は、約-18℃となります。実際の地球の平均気温（約15℃）よりも、30℃以上も低い値です。この差こそが、大気の持つ「温室効果」がいかに絶大であるかを示しています。

コレクトの発展ラボ：緯度別の熱収支

豆知識ですが、地球全体では熱収支は釣り合っていますが、緯度別に見ると、そうではありません。

• 低緯度地域（赤道付近）：太陽からのエネルギーを多く受けとるため、熱収支はプラス（エネルギー過剰）。
• 高緯度地域（極付近）：太陽からのエネルギーが少ないため、熱収支はマイナス（エネルギー不足）。

この、低緯度で余ったエネルギーを、高緯度へと運ぶ巨大な流れこそが、次単元で学ぶ「大気の大循環」や「海流」なのです。地球は、常に熱のバランスをとろうとする、巨大な熱エンジンなのです。

共通テスト対策まとめ

大気の構造と熱収支は、気象分野の基礎となる最重要テーマだ！

1. 大気の４層構造の名前と、それぞれの温度変化の傾向を完璧に覚える。
   特に、気象現象が起きる「対流圏」と、オゾン層がある「成層圏」の特徴は頻出。
2. 地球の熱収支の、基本的な数値（アルベド約30%、地表吸収約50%）を覚える。
   エネルギーの流れを図で理解することが重要。
3. 「温室効果」のメカニズムを説明できるようにする。
   キーワードは「温室効果ガス（二酸化炭素など）」と「地球放射（赤外線）の吸収・再放射」。
4. 緯度別の熱収支の不均衡と、そのエネルギー輸送の担い手（大気・海洋）を理解する。

練習問題

問１：大気の鉛直構造のうち、雲の発生などの気象現象が起こる層を何というか。

問２：太陽から入射するエネルギーのうち、雲や地表で反射される割合（アルベド）は、約何％か。

問３：大気中の二酸化炭素などが増加すると、地球全体の平均気温が上昇するのはなぜか。「地球放射」と「吸収」という語句を用いて、簡潔に説明しなさい。