高等学校 地学基礎/大気と海洋

大気圏の構造

大気圏の温度分布

大気圏は地表から順に、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏の4つの層に分けられる。

対流圏

地表から約10-15kmの高度までを対流圏（たいりゅうけん）という。

• 対流圏では、高度が100m高くなるごとに気温が約0.65℃下がる。この気温低下の度合いを気温減率（きおんげんりつ）という。
• 対流圏と成層圏の境界を対流圏界面（たいりゅうけんかいめん）という。単に「圏界面」と省略されることもある。対流圏界面の高度は、場所や季節によって異なる。
• 一般の雲は対流圏内にとどまり、対流圏界面付近で上昇が止まる。

積乱雲（入道雲）

• 積乱雲（いわゆる入道雲）が上空で横に広がるのは、圏界面に達したためと考えられている。
• 降雨などの気象現象は、ほとんどがこの対流圏内の雲の影響による。
• 対流圏は他の層と比較して水分が多く、大気中のほとんどの水分がここに存在する。
• 対流圏では、太陽光で熱せられた地面や海面からの熱が対流の原因となっている。

成層圏

対流圏界面から高度約50kmまでを成層圏（せいそうけん）という。

• 成層圏にはオゾン層が存在する。オゾンの化学式はO₃である。
• 高度20km以上では高度が上がるにつれて温度が上昇する。これはオゾン層が紫外線のエネルギーを吸収し、大気を暖めているためである。
• 高度約50kmで気温は約0℃になる。
• オゾン層は紫外線を吸収するため、地上の生命を紫外線の害から守っている。
• ラジオゾンデが到達する高度は一般的に成層圏である。

中間圏

夜光雲（国際宇宙ステーションからの撮影）
中央より右上の白い水平のスジが夜光雲

高度約50km〜80kmが中間圏である。

• 中間圏では対流圏と同様に、高度が高くなるにつれて気温が下がる。ただし、その気温減率は対流圏ほど大きくない。
• 中間圏では、夜光雲（やこううん）という特殊な薄い雲が観測されることがある。

熱圏

アラスカでのオーロラ

高度約80km以上から数百kmが熱圏である。

• オーロラは熱圏の高度約100kmあたりで観測される。一般に北極または南極に近い高緯度地方で観測され、両極でほぼ同時に発生する。
• オーロラは、太陽風などによって地球に流れ込んできた電荷を帯びた微粒子が、極地方の磁力線にとらえられて大気の酸素分子や窒素分子などに衝突することにより発生する発光現象である。
• 流星が観測される高度も熱圏である。
• 熱圏では高度が上がるにつれて温度が上昇する。これは太陽からのX線や紫外線を吸収しているためと考えられている。
• 電波をよく反射する電離層（でんりそう）は熱圏にある。電離層は下からD層、E層、F1層、F2層の複数の層に分かれており、これらをまとめて電離圏（でんりけん）という。
• 無線による遠距離通信（漁業無線など）では、電離層・電離圏の影響が強く表れる。

熱圏よりも上空は外気圏といい、宇宙空間に通じている。

地球の熱収支

地学「地球のエネルギー収支」を参照してください。

大気と海水の運動

海洋

海水の塩分

大洋の年平均表面塩分濃度

• 海水の主成分は塩化ナトリウム（NaCl）であり、そのほか塩化マグネシウム（MgCl₂）などの塩類が溶けている。
• 海水1kgあたりのすべての塩類の量を塩分（えんぶん）という。塩分の単位はg、％（パーセント）、‰（パーミル）で表す。
• 海水の塩分は3.3％〜3.8％（33‰〜38‰）で、平均約3.5％（35‰）である。
• 地域によって海面付近の塩分濃度は異なる：
  • 赤道付近：降雨が多いため塩分が低い
  • 緯度30°付近の亜熱帯：蒸発が多いため塩分が高い

海水の温度

海水の層構造（模式図）
表層温度は一例であり地域や季節によって異なる。

• 海水温は季節や地域によって異なるが、地域差が大きいのは表面付近の数百メートルの範囲である。
• 深さ数千メートルの深部では、世界中どの地域でも水温は約2℃である。
• 一般に、赤道付近の低緯度ほど表層の水温は高い。
• 海水の表面付近は風や波で混ぜられるため、鉛直方向の温度差が少ない層（数十m）があり、これを混合層または表層混合層という。
• 混合層の下には水温が急激に下がる層があり、これを水温躍層という。水温躍層は深さ約500mまで続く。
• 深さ約2000m以降は、世界中どの地域でも温度はあまり変化せず約2℃でほぼ一定になる。

水温躍層では、温度だけでなく塩分も深くなるにつれて急激に濃くなる。海水の密度は塩分と温度によって決まるため、水温躍層では海水の密度も急激に上昇する。深層の塩分濃度は、緯度によらずほぼ一定である。

海水の循環

海洋は水平方向と鉛直方向に運動するが、水平方向の運動を海流という。

• 日本近海の主な海流：黒潮（くろしお）、親潮（おやしお）、対馬海流（つしまかいりゅう）、リマン海流
• 海流の主な発生原因：地球の自転、貿易風や偏西風などの大規模な風の影響

海水の大循環

• 海水の密度は温度が低いほど、また塩分濃度が高いほど大きくなる。
• 北大西洋のグリーンランド付近では、海水表面の凍結により塩分が増加し、密度の高い海水が生成される。
• この高密度の海水が海底に向かって沈み込み、海の表層と深層との大循環の一部を形成する。
• この深層を含む海底の大循環を深層循環またはコンベアーベルトという。
• 深層循環の速度は非常に遅く、北大西洋で沈んだ海水が北太平洋で上昇するまでに約2000年かかる。