成層圏：特性、機能、温度 - 環境 - 2024

成層圏は対流圏と中間圏の間に位置し、地球の大気の層の一つです。成層圏の下限の高度はさまざまですが、惑星の中緯度では10 kmと見なすことができます。その上限は、地球の表面から50 kmの高度です。

地球の大気は、惑星を取り巻くガス状のエンベロープです。化学組成と温度変化により、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、外圏の5層に分かれます。

図1.宇宙から見た成層圏。出典：NOSAガリシア宇宙庁

対流圏は地球の表面から最大10 kmの高さまで広がっています。次の層である成層圏は、地表から10 kmから50 kmの範囲です。

中間圏の高さは50 km〜80 kmです。熱圏は80 kmから500 kmであり、最後に外気圏は500 kmから10,000 kmの高さまで伸びており、惑星間空間の限界です。

成層圏の特徴

ロケーション

成層圏は対流圏と中間圏の間に位置しています。このレイヤーの下限は、緯度または地球の赤道線からの距離によって異なります。

惑星の極では、成層圏は地球の表面から6〜10 km上空から始まります。赤道では、高度16〜20 kmの間で始まります。上限は地球表面から50 km上です。

構造

成層圏には、温度によって定義される独自の層状構造があります。冷たい層が下にあり、熱い層が上にあります。

また、成層圏には、オゾン層またはオゾン層と呼ばれる高濃度のオゾンが存在する層があり、地表から30〜60 km上にあります。

化学成分

成層圏で最も重要な化学物質はオゾンです。地球の大気中に存在する全オゾンの85〜90％は成層圏で発見されています。

オゾンは、酸素が受ける光化学反応（光が介在する化学反応）を通じて成層圏で形成されます。成層圏のガスの多くは対流圏から入ります。

成層圏には、オゾン（O ₃）、窒素（N ₂）、酸素（O ₂）、窒素酸化物、硝酸（HNO ₃）、硫酸（H ₂ SO ₄）、ケイ酸塩、およびクロロフルオロカーボンなどのハロゲン化化合物が含まれています。これらの物質のいくつかは火山噴火に由来します。成層圏の水蒸気（ガス状のH ₂ O）の濃度は非常に低いです。

成層圏では、乱気流がないため、垂直方向のガス混合は非常に遅く、実際にはゼロです。このため、この層に入った化学物質やその他の材料は、その中に長く残ります。

温度

成層圏の温度は、対流圏の温度とは逆の振る舞いを示します。この層では、気温は高度とともに上昇します。

この温度の上昇は、オゾン（O ₃）が介在する熱を放出する化学反応の発生によるものです。成層圏にはかなりの量のオゾンがあり、太陽からの高エネルギーの紫外線を吸収します。

成層圏は安定した層であり、ガスが混合するための乱流はありません。空気は下部が冷たく濃く、上部は暖かく軽い。

オゾン形成

成層圏では、分子酸素（O ₂）は太陽からの紫外線（UV）放射の影響によって解離します。

O ₂ + UVライト→O + O

酸素（O）原子は反応性が高く、酸素（O ₂）分子と反応してオゾン（O ₃）を形成します。

O + O _2→ O ₃ +熱

この過程で熱が放出されます（発熱反応）。この化学反応は成層圏の熱源であり、上層で高温になります。

特徴

成層圏は、地球上に存在するあらゆる形態の生命の保護機能を果たします。オゾン層は、高エネルギー紫外線（UV）放射が地表に到達するのを防ぎます。

次の化学反応で示されるように、オゾンは紫外線を吸収し、原子状酸素（O）と分子状酸素（O ₂）に分解します。

O ₃ + UVライト→O + O ₂

成層圏では、オゾンの形成と破壊のプロセスは、その一定の濃度を維持する平衡状態にあります。

このように、オゾン層は、紫外線からの保護シールドとして機能します。これは、遺伝子変異、皮膚がん、作物や植物の一般的な破壊の原因です。

オゾン層破壊

フロン化合物

1970年代以来、研究者たちはオゾン層に対するクロロフルオロカーボン（CFC）の有害な影響について大きな懸念を表明してきました。

1930年、商業的にフレオンと呼ばれるクロロフルオロカーボン化合物の使用が導入されました。これらの中には、CFCl ₃（Freon 11）、CF ₂ Cl ₂（Freon 12）、C ₂ F ₃ Cl ₃（Freon 113）およびC ₂ F ₄ Cl ₂（Freon 114）があります。これらの化合物は、容易に圧縮可能で、比較的非反応性であり、不燃性です。

それらは、エアコンや冷蔵庫の冷媒として使用され始め、アンモニア（NH ₃）と液体二酸化硫黄（SO ₂）（毒性が高い）に取って代わりました。

その後、CFCは、使い捨てプラスチック製品の製造において、缶内のエアゾールの形での市販製品の推進剤として、および電子デバイスカードの洗浄溶剤として大量に使用されてきました。

大量のフロンが広く使用されるようになり、産業や冷媒用途で使用されるものが大気中に排出されるため、深刻な環境問題が発生しています。

大気中、これらの化合物はゆっくりと成層圏に拡散します。この層では、UV放射の影響により分解します。

CFCl _3→ CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

塩素原子はオゾンと非常に簡単に反応して破壊します。

Cl + O ₃ →ClO + O ₂

1つの塩素原子が10万個を超えるオゾン分子を破壊する可能性があります。

窒素酸化物

窒素酸化物NOとNO _2が反応してオゾンを破壊します。成層圏におけるこれらの窒素酸化物の存在は、超音速航空機のエンジンから排出されるガス、地球上の人間活動からの排出、および火山活動によるものです。

オゾン層の薄化と穴

1980年代に、南極地域の上のオゾン層に穴が形成されたことが発見されました。この地域では、オゾンの量が半分に削減されました。

また、北極の上と成層圏全体で、オゾンの量が大幅に減少したため、保護オゾン層が薄くなっている、つまり、その幅が狭くなっていることもわかりました。

成層圏でのオゾンの損失は地球上の生命に深刻な影響を及ぼし、いくつかの国ではCFCの使用の大幅な削減または完全な廃止が必要かつ緊急であると認めています。

CFCの使用制限に関する国際協定

1978年、多くの国が商用エアゾール製品の推進剤としてのCFCの使用を禁止しました。1987年、先進国の大多数がいわゆるモントリオール議定書に署名しました。これは、CFC製造の段階的な削減と2000年までのその完全な廃止を目標とした国際協定です。

いくつかの国はモントリオール議定書に準拠していません。これは、CFCのこの削減と排除が彼らの経済に影響を及ぼし、経済的利益を地球上の生命の保護よりも優先させるためです。

飛行機が成層圏を飛ばないのはなぜですか？

飛行機の飛行中、4つの基本的な力が作用します。揚力、飛行機の重量、抗力、推力です。

揚力は、飛行機を支えて上向きに押す力です。空気の密度が高いほど、揚力は大きくなります。一方、重量は、地球の重力が平面を地球の中心に向かって引っ張る力です。

抵抗とは、航空機が前進するのを遅くしたり妨げたりする力です。この抵抗力は、飛行機の進路と反対方向に作用します。

推力は、飛行機を前進させる力です。ご覧のように、推力と揚力は好意飛行です。重量と抵抗は飛行機の飛行を不利にするように働きます。

航空機

短距離の民間航空機および民間航空機は、海抜約10,000メートル、つまり対流圏の上限で飛行します。

すべての航空機は、圧縮空気を航空機のキャビンに送り込むことで構成されるキャビンの加圧を必要とします。

キャビンの加圧が必要なのはなぜですか？

航空機がより高い高度に上昇すると、外気圧が低下し、酸素含有量も減少します。

加圧空気がキャビンに供給されなかった場合、乗客は疲労、めまい、頭痛、酸素不足による意識喪失などの症状を伴う低酸素症（または山岳病）に苦しむことになります。

キャビンへの圧縮空気の供給の失敗または減圧が発生した場合、飛行機がすぐに降下しなければならない緊急事態が発生し、すべての搭乗者は酸素マスクを着用する必要があります。

成層圏の飛行、超音速飛行機

高度が10,000メートルを超えると、成層圏ではガス層の密度が低くなるため、飛行に有利な揚力も低くなります。

一方、これらの高度では、空気中の酸素（O ₂）の含有量は低くなり、これは航空機のエンジンを機能させるディーゼル燃料の燃焼と、機内での効果的な加圧の両方に必要です。

地表から1万メートルを超える高度では、飛行機は超音速と呼ばれる非常に高速で移動しなければならず、海面で時速1,225 km以上に達します。

図2.コンコルドの超音速民間航空機。出典：Eduard Marmet

これまでに開発された超音速機の欠点

超音速飛行は、雷に似た非常に大きなノイズである、いわゆるソニックブームを生成します。これらのノイズは、動物や人間に悪影響を及ぼします。

さらに、これらの超音速航空機はより多くの燃料を使用する必要があるため、低高度で飛行する航空機よりも多くの大気汚染物質を生成します。

超音速航空機は、製造するのにはるかに強力なエンジンと高価な特殊材料を必要とします。商業便は経済的に非常にコストがかかったため、その実装は収益性がありませんでした。

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