【第64回】2025年８月試験（学科一般試験）問１（地球⼤気の鉛直構造の⼀般的な特徴）

本問は、地球⼤気の鉛直構造の⼀般的な特徴に関する問題です。

本問の解説：(a) について

（問題）国際標準⼤気では、対流圏内の気温減率と温位は⾼さ⽅向に⼀定である。

→ 答えは 誤 です。

国際標準大気 とは、地球大気の気温、気圧、密度、重力加速度が高度によってどのように変化するかを理想化して定めたモデルのことです。

このモデルでは、下表のように気温や気圧などの物理量が高度ごとに定められています。

では、まずは国際標準大気における対流圏内の 気温減率 について考えてみましょう。

上表をもとに国際標準大気の気温を高度に対してグラフ化すると、下図のようになります。

上図を見ると、地表から高度約 11 km付近の対流圏界面までは、気温が直線的に低下していることが分かります。

その低下の割合は 6.5 ℃/kmであり、対流圏内では高度が変わっても気温減率が一定に保たれていることが分かります。

以上より、国際標準大気における対流圏内の気温減率は高さ方向に一定であるといえます。

次に、国際標準大気における対流圏内の 温位 について考えてみましょう。

温位 とは、空気塊を乾燥断熱的に1000hPaの高度まで移動させたときの絶対温度[ K ]のことです。

（絶対温度とは、温度をケルビン [ K ] で表したものです。）

乾燥断熱減率 とは、未飽和の空気塊が、周囲と熱のやり取りを行わずに（＝断熱条件下で）上昇・下降した際の気温減率のことで、その値は 約 10 ℃/km です。

この変化において、空気塊の温位は保存される（高度によらず一定）という性質があります。

つまり、約 10 ℃/kmの乾燥断熱減率で気温が変化した際に空気塊の温位は保存されるということです。

しかし、国際標準大気の気温減率は 6.5 ℃/kmであり、乾燥断熱減率（約 10 ℃/km）よりも約 3.5 ℃/km小さくなっています。

これは、国際標準大気における気温の下がり方が、乾燥断熱的に上昇する空気塊の気温低下よりも緩やかであることを意味しています。

そのため、高度が高くなるほど、空気塊を乾燥断熱的に 1000 hPaまで下ろしたときの温度は高くなるので、結果として温位は高度とともに増加します。

具体的には、高度が１km高くなるごとに、温位は約 3.5 K（約 3.5 ℃）ずつ高くなります。

この特徴は、実際の大気の温位分布でも確認することができます。

下図は、80°Wに沿った北半球南北鉛直断面上の１月の平均温位の分布図です。

上図を見ると、対流圏内では上空にいくにつれて温位が高くなっていることが分かります。

つまり、対流圏内において、温位は高さ方向に一定ではなく、上空ほど大きくなっているということです。

したがって、国際標準⼤気では、対流圏内の気温減率は「高さ方向に一定」ですが、温位は「⾼さ⽅向に⼀定」ではなく「上空ほど高い」ので、答えは 誤 となります。

本問の解説：(b) について

（問題）対流圏界⾯の⾼さは、平均的には⾼緯度の地域より低緯度の地域のほうが⾼い。

→ 答えは 正 です。

下図は、12月～２月（冬季）および６月～８月（夏季）における、気温の緯度・高度分布図です。

図中の赤色の破線は対流圏界面を表しています。

上図を見ると、対流圏界面の高さは緯度によって異なり、低緯度（赤道付近）では高く、高緯度（極付近）では低いことが分かります。

これは、低緯度では日射が強く大気がよく暖められることで、ハドレー循環に伴う上昇流が卓越するためです。

これにより、空気が上空まで持ち上げられることで、対流圏の厚さが厚くなり、対流圏界面が高くなるのです。

一方、高緯度では気温が低く、上昇流も弱いため、対流圏の厚さが薄くなり、対流圏界面の高度も低くなります。

したがって、対流圏界⾯の⾼さは、平均的には⾼緯度の地域より低緯度の地域のほうが⾼いので、答えは 正 となります。

本問の解説：(c) について

（問題）成層圏のオゾンの数密度は、太陽放射に含まれる紫外線の吸収により気温が極⼤となる成層圏界⾯付近で最⼤になる。

→ 答えは 誤 です。

下図は、大気の気温分布とオゾン分布の関係を示した図です。

上図によると、オゾン分布（＝オゾンの数密度）のピークは、オゾン層がある高度 25 km付近にあり、気温分布のピークは、高度 50 km付近にあることが分かります。

オゾン分布

オゾンの生成は、紫外線と酸素分子が十分に存在することが必須ですので、オゾンの数は

① 紫外線の量が多い上層ほど

② 酸素分子の数が多い下層ほど

③ 光化学反応の触媒が多い下層ほど

多くなります。

（③について、光化学反応を促進する触媒として他の分子（例えば、窒素 N₂ など）が多いほど、反応が進みますので、密度の大きい下層ほどオゾンの生成が進みます。）

その結果、オゾン分布のピークは、紫外線も、酸素分子も、触媒となる分子もそこそこ多い高度 25 km付近に存在するのです。

気温分布

オゾンは、生成・消滅の過程で紫外線を吸収し、大気を加熱しますので、その加熱率は

① 紫外線の量が多い上層ほど

② 酸素分子の数が多い下層ほど

③ 熱容量が小さい上層ほど

大きくなります。

（③について、熱容量 [J/K] とは、物体の温度を単位温度、すなわち１K（＝１℃）上昇させるために必要な熱量のことで、熱容量が小さいほど、その物体は暖まりやすくなります。大気上層ほど空気密度が小さく、大気が暖まりやすいので、熱容量は小さくなります。）

その結果、成層圏の大気の加熱量は、オゾン分布のピークである高度25kmよりも上空で大きくなるため、温度分布のピークは高度 50 km付近（＝成層圏界面）に存在するのです。

したがって、成層圏のオゾンの数密度は、「高度 50 km（＝成層圏界面）付近」ではなく「高度約 25 km付近」に存在しますので、答えは 誤 となります。

本問の解説：(d) について

（問題）中間圏では窒素分⼦や酸素分⼦が紫外線を吸収して光電離することにより、上空ほど気温が⾼くなっている。

→ 答えは 誤 です。

下図は、大気の鉛直構造と気温分布を示した図です。

上図を見ると、高度 50 km（成層圏界面）付近に気温の極大域があり、その後、高度 90 km（中間圏界面）付近にかけて気温が低下していることが分かります。

この高度 50 ～ 90 km付近の気温が低下する領域を 中間圏 といい、高度 90 km付近以上の領域を 熱圏 といいます。

中間圏 では、オゾンによる紫外線吸収がほとんどなく、また分子の密度も低いため、太陽放射による加熱が弱くなります。

その結果、高度が高くなるほど気温が低下するのです。

一方、熱圏 では、波長 0.1 μm以下の強い紫外線やX線を、窒素分子（ N₂ ）や酸素分子（ O₂ ）が吸収し、光電離が起こります。

この過程で粒子の運動エネルギーが増加するため、高度とともに気温が再び上昇するのです。

では、下表（諸物理量の各高度における値）でも確認してみましょう。

上表の平均分子量の欄を見ると、高度 90 km付近までは約 28.9 とほぼ一定であるのに対し、高度 90 km付近以上では平均分子量が次第に小さくなっていることが分かります。

これは、熱圏では窒素分子（ N₂ ）や酸素分子（ O₂ ）が紫外線を吸収して光電離され、大気の主成分が分子から、原子やイオンへと変化していることを表しています。

したがって、窒素分⼦や酸素分⼦が紫外線を吸収して光電離することにより、上空ほど気温が⾼くなってるのは「中間圏」ではなく「熱圏」ですので、答えは 誤 となります。

以上より、本問の解答は、(a) 誤 (b) 正 (c) 誤 (d) 誤 とする ４ となります。