大気の組成と鉛直構造

乾燥空気の組成（窒素約 78 %・酸素約 21 %）と、気温の高度変化による対流圏・成層圏・中間圏・熱圏の区分、各層の特徴（気象現象・オゾン層による成層圏の加熱・オーロラ・気温の極小）について述べた文の正誤を判定できる

前提

気象の観測と大気の圧力（中学理科地学分野の用語と知識）

説明

地球をとりまく大気がどんな気体でできているか、そして高さによって気温がどう変わり、どのような層に分けられるかを整理する技能です。乾燥空気の組成と、対流圏・成層圏・中間圏・熱圏の 4 つの層それぞれの気温の変わり方や特徴を覚え、それについて述べた文の正誤を判断できるようになります。天気の変化や、オゾン層・オーロラなどの話題を学ぶときの土台になります。

なぜそうしてよいのか

まず組成です。水蒸気を除いた乾燥空気では、体積で窒素が約 78 %、酸素が約 21 % を占め、残りのほとんどはアルゴン（約 0.9 %）で、二酸化炭素は約 0.04 % にすぎません。大気は上下によくかき混ぜられているので、高さ約 80 km までは、この割合はほぼ変わりません。水蒸気は場所や時間によって量が大きく変わるので、組成を考えるときは除いておきます。

次に鉛直構造です。大気の層は「高さとともに気温が下がるか、上がるか」で区切ります。地表は太陽放射で暖められ、その熱が下から大気に伝わるので、地表に近い対流圏（高さ約 11 km まで）では上空ほど気温が低くなります（平均で 1 km につき約 6.5 ℃）。下が暖かく上が冷たい空気は対流を起こしやすく、水蒸気もほぼこの層にあるため、雲・雨・雪などの気象現象はおもに対流圏で起こります。その上の成層圏（約 11〜50 km）にはオゾンが多く集まったオゾン層（高さ約 20〜30 km 付近で特に濃い）があり、オゾンが太陽の紫外線を吸収して空気を暖めるため、上空ほど気温が高くなります。熱源が上にあるので、成層圏の空気は上下に混ざりにくくなります。

成層圏より上ではオゾンが少なくなり、中間圏（約 50〜80 km）では再び上空ほど気温が下がります。中間圏のいちばん上（高さ約 80 km 付近）は、大気の中で最も気温が低いところ（約 $- 90$ ℃）です。その上の熱圏（約 80 km 以上）では、空気がとても薄いうえに、太陽からの紫外線や X 線を吸収するため、上空ほど気温が高くなります。熱圏では、宇宙から入ってきた電気を帯びた粒子が大気の分子や原子にぶつかって光る、オーロラが見られます。このように、気温が「下がる・上がる・下がる・上がる」と変わる境目で、4 つの層に分けられます。

手順

選択肢の文が、大気の組成について述べたものか、どの層について述べたものかを見分ける
組成の文なら、窒素約 78 %・酸素約 21 %・アルゴン約 0.9 %・二酸化炭素約 0.04 %（乾燥空気の体積の割合）と、約 80 km までは割合がほぼ一定であることと照らし合わせる
層の文なら、その層の高さの範囲と、気温が上空ほど下がるか上がるか（対流圏：下がる、成層圏：上がる、中間圏：下がる、熱圏：上がる）を確かめる
その層の特徴（対流圏：気象現象、成層圏：オゾン層による加熱、中間圏の上端：気温の最低、熱圏：オーロラ）が、正しい層に結びつけられているかを確かめる
誤りのある部分（層の名前・気温の増減・成分の名前や割合）を見つけた選択肢を除き、残ったものを答える

例題

地球の大気について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　乾燥空気の体積の約 78 % を占める、最も多い成分は酸素である。
イ　成層圏では、オゾンが太陽からの紫外線を吸収するため、上空ほど気温が高くなる。
ウ　雲の発生や降水などの気象現象は、おもに中間圏で起こる。
エ　オーロラは、おもに対流圏の上部で見られる。

例題の解答

手順 1：アは組成、イ・ウ・エは層についての文である。
手順 2：アについて、乾燥空気で体積の約 78 % を占めるのは窒素で、酸素は約 21 % である。よってアは誤り。
手順 3：イについて、成層圏は上空ほど気温が高くなる層である。ウについて、気象現象が起こるのは上空ほど気温が下がり、対流が起こりやすく、水蒸気のほとんどがある対流圏である。エについて、オーロラが見られるのは熱圏である。
手順 4：イの「オゾンが紫外線を吸収して成層圏を暖める」は正しい結びつきである。ウは「中間圏」、エは「対流圏」という層の名前が誤っている。
手順 5：正しいものはイである。

答え:

イ

よくある誤り

「上空ほど気温は低くなる」と大気全体に当てはめてしまう誤り。正しくは、気温が上空ほど下がるのは対流圏と中間圏で、成層圏と熱圏では上空ほど気温が上がる。
大気の中で最も気温が低いのは対流圏と成層圏の境目（約 11 km、約 $- 56$ ℃）だとしてしまう誤り。正しくは、最も低いのは中間圏のいちばん上（約 80 km、約 $- 90$ ℃）である。
成層圏の気温が上がる理由を、地表からの熱や二酸化炭素などの温室効果だとしてしまう誤り。正しくは、オゾン層のオゾンが太陽の紫外線を吸収して空気を暖めるためである。
上空ほど酸素の割合が減る（たとえば高さ 10 km で酸素が 21 % より大きく減る）としてしまう誤り。上空で減るのは空気全体の量（気圧）であり、正しくは約 80 km までは窒素約 78 %・酸素約 21 % という割合はほぼ変わらない。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
地球の大気は、気温の高さによる変化のようすをもとに、いくつかの層に区分されている。地表から高さ約 $11 km$ までの、雲や雨などの気象現象が起こる層のすぐ上には、高さ約 $50 km$ まで続く層がある。この層には、オゾンを多く含む部分があり、オゾンが太陽からの紫外線を吸収するため、高くなるほど気温が上がっている。
文中で述べた「高さ約 $11 km$ から約 $50 km$ までの、高くなるほど気温が上がる層」を何というか。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

地球の熱収支と温室効果（高校地学大気と気象（知識））
オゾン層の破壊（高校地学大気と気象（知識））