気温の鉛直分布について

 地上から空に向かって真っすぐ観測ロケットを打ち上げて、高度によって気温がどのように広がっているかを調べたものを「気温の鉛直分布」と言うそうです。

 大気は今まで一層のモデルとして考えてきましたが、地層のように何枚かに分けることができます。でもやりすぎると複雑になっちゃうので、ここでは雲が出来る場所「対流圏(地面から上空13kmくらいまで)」とその上にある「成層圏」に分けて考えてきます。

 観測データによると対流圏では、上に1km上がるごとに気温が6℃ずつ下がっていきます。富士山の上の方に雪があるのを考えれば、「高いところは寒い」って言うのはイメージしやすいと思います。
 上空に行けばいくほど気圧が低くなるので、体積が膨張、熱エネルギーが分散します。これを「断熱膨張」と言います。
 つまり東京ディズニーランドのような混雑している場所では暑苦しいけど、広い割に人が少ない、平日の葛西臨海公園ではそうでもないって感じだと思います(この例え葛西臨海公園に失礼ですね…)。
 とにかく気圧の低下によって地面では23℃の気温が、対流圏のおわり「圏界面」ではマイナス6℃くらいまで下がっちゃいます。

 しかし成層圏に突入すると、成層圏のはじめ~上空20kmまでは気温の変化がほとんどなくて等温で、20kmを超えると、逆に徐々に気温が高くなるのです。
 これは一体どういうことか?ってことなんですけど、成層圏を暖めているのは、あの有名な「オゾン層(上空20km~50kmに存在)」だと考えられています。
 オゾンというのは酸素原子が三つで出来ている気体で、紫外線をシャットアウトしてくれますが、猛烈に反応性が高く、極めて不安定な気体であると言えます。
 だからオゾン層が壊れても、「よし、じゃあ直すべ」と、人間が実験室で手っ取り早く作るのは不可能で、光合成を行なうストロマトライトなどの生物の、何億年にも及ぶ地道な酸素の蓄積で形成されたとされています。
 
 オゾンの材料は言うまでもなく気体の酸素ですが、酸素は、酸素原子二つが共有結合と言うくっつき方をして、一つの「分子」として存在しています。
 この酸素分子に135㎚~240㎚の短い波長の紫外線がぶつかると、酸素の共有結合が外れて二つの酸素原子になります。
 酸素原子というのは、「オレは誰ともつるまねえ」と単体でやっていける金属原子のような一匹オオカミではなく、とにかく一人ぼっちが嫌な現代っ子で、すぐに分子を作りたがります。

 そこで寂しい酸素原子は、他の酸素分子と強引に合体、酸素原子三つのチームであるオゾンを作ります。しかし強引にできたチームオゾンの結束力は低く(=反応するエネルギーが高い)、すぐに元の酸素原子一つと酸素分子一つに戻ってしまいます。
 しかしこの酸素原子と酸素分子の合併に、成層圏の上部において窒素のような第3者(第3体と言います)が絡むと、その合併はいくぶん強固なものになります。
 オゾンの持つエネルギーを、第3体がうまく回収してくれるのでオゾンは安定して存在するのです。そのエネルギーの熱量は、オゾン一分子あたり24キロカロリーと言います。

 しかし上手いこと合併したオゾンも、成層圏の下の方で320㎚以上の波長が相対的に長い紫外線が当たると、酸素原子と酸素分子に戻ってしまいます。
 そこで出来た酸素原子は、今度はオゾンと反応、酸素原子は計4つになり、二つの酸素分子となります。ここで94キロカロリーの熱が発生します。

 ここまでの話を整理すると・・・

1.成層圏の上部では、短い波長の紫外線によって酸素分子からオゾンが作られる。またその過程で24キロカロリーの熱が発生する。

2.成層圏の下部では、長い波長の紫外線によってオゾンが酸素分子に戻る。その時94キロカロリーの熱が発生する。

となります。こういったプロセスを「チャップマン機構」と言います。
 つまりオゾン層において、プロセス1と2を繰り返していることで、合計118キロカロリーの熱が生み出されていて、それが成層圏を暖めている事になります。
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