大気

I

プロローグ

地球や金星、火星などの惑星や、土星の衛星であるティタンなどをとりまく気体。大気はさまざまな気体の混合物で、引力でこれらの惑星などの周りにひきつけられている。一般には地球をつつんでいるものをさすことが多い。また、大気の広がっている範囲を大気圏という。

地球の大気を構成しているのは、おもに窒素(78%)と酸素(21%)である。残りの1%は、アルゴン(0.9%)、二酸化炭素(0.03%)、そしてごくわずかな水素、オゾン、メタン、一酸化炭素、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなどである。それ以外にも、時に応じて量が大きく変化する水蒸気があるが、空気中の水蒸気の量は気温、場所などによってかなりのちがいがある。

II

大気ができるまで

地球が誕生してから現在の大気ができるまでに、約46億年かかった。初期の大気は、火山からの火山噴出物だけでできていたと考えられている。しかし、現在の火山爆発で放出される気体(火山ガス)は、水蒸気、二酸化炭素、二酸化硫黄、窒素などで、酸素はほとんど放出されない。もしも、初期の地球大気が、これと同じ組成であったとすれば、現在の大気ができるまでにはさまざまな過程がおきていなくてはならない。その過程のひとつは、空気中の水蒸気が水にかわる凝結(凝縮)という現象である。地球が全体として冷えていく間に、火山からの水蒸気が大量に凝結して、最初の海ができたと考えられる。さまざまな化学反応も必要である。二酸化炭素は、一部は地殻の岩石と反応して炭酸塩となり、一部は海にとけこんだ。

のちに海中で、光合成のできるシアノバクテリア(藍色植物)が酸素をつくりはじめた。現在の大気中の酸素のほとんどは、光合成によって二酸化炭素と水からできたとされている(→ ストロマトライト)。大気が酸素をふくむようになった時期については、従来、岩石中の硫黄元素をしらべる方法により約23億2000万年前から約24億5000年前と推定されていた。しかし、2008年(平成20年)に日本の研究チームが、赤鉄鉱をふくむ岩石中の黄鉄鉱の分析結果から約27億6000万年前には酸素濃度が現在の1.5%にまで上昇していたとする調査結果を発表している。やがて、海洋と大気中の酸素は、約6億年前に海洋生物が呼吸をするのにじゅうぶんな量になり、4億年ほど前には陸上生物が呼吸するのにじゅうぶんな量になった。

III

大気の構造

地球大気は、いくつかの層にわけられる。一番下層は対流圏である。原則として、高度があがると気温は1kmにつき約6°Cの割合でさがっていく。ほとんどの雲はこの層でできる。対流圏は熱帯地方で高度17km(気温は約-80°C)、温帯地方では約10km(気温は約-50°C)までおよぶ。対流圏の上層が成層圏(高度20～50km)である。成層圏下部では、気温は一定か、あるいは高度とともにわずかにあがる。オゾン層(高度約30km前後)の中では気温の上昇はずっと急速である。成層圏の上部境界は高度50km程度だが、気温は地表とほぼひとしい(約0°C)。50～90kmの領域を中間圏とよび、高度が高くなると気温がさがるのが特徴で、高度90km付近では-80°Cほどになる。

高度約90kmから上では、大気は太陽からの紫外線、X線、電子の流れによってイオン化されている。この層はある特定の周波数領域の電磁波を地表へはねかえす。このイオン濃度の比較的高い層を電離層といい、高度約70から400～500kmにかけていくつかの電離層が存在することから、この領域を電離圏ともいう。なお、この層は約1200°Cと、高温であることから熱圏ともよばれている。熱圏の上は外気圏とよばれ、数万キロメートルの高さにまでおよび、これが大気の一番外側である。→ 大気圏

空気の密度は、高度があがるにつれて気圧に比例、気温に反比例して急速に小さくなる。気圧は気圧計で測定し、パスカル(Pa)、またはヘクトパスカル(hPa)という単位であらわす。海面での標準大気圧は1013.25hPaで、1気圧といわれる。高度がますごとに、気圧はへっていく。

対流圏と成層圏下部の観測は、気圧、気温、湿度の測定器と、観測されたデータを地上におくるための電波送信機とをつんだ探測気球(→ 気球)でおこなわれる。数百キロメートルまでの上空はロケットで探査し、おくってくる気象データでしらべることができる(→ 高層気象観測)。オーロラの形状とスペクトルを研究することによって、高度約800kmまでの情報をえることができる。→ 宇宙探査

IV

大気汚染

大気中に放出される酸化物など工場や自動車からの排気物質による酸性雨の被害が大きな問題になっている。また19世紀からつかわれつづけている石炭、また20世紀になって大量につかわれるようになった石油などの化石燃料の燃焼により、大気中の二酸化炭素の量がふえつづけており、地球の気候に大きな影響をあたえている。→ 地球温暖化：温室効果：気候変動枠組み条約

大気中のメタンの急激な増加も、温室効果の問題と関係がある。さらにメタンには大気中の水酸イオンの量をへらし、その結果、大気自体の汚染浄化力を弱めてしまうという問題もある。→ 大気汚染：気候：スモッグ

空気塊のサンプルを調査した結果によると、少なくとも高度およそ80kmまでの大気の組成は、基本的に地表付近とかわらない。重い気体は軽い気体の下に移動しようとするが、気流によって常にかきまぜられる。オゾンO₃は酸素原子3つで1つの分子をつくっているが、大気の下層ではひじょうに濃度が低い。高度およそ30km付近では、太陽からの紫外線の光化学作用(→ 光化学)によってオゾンが生成されるため、オゾン濃度が高くなっている。このあたりをオゾン層という。さまざまな大気の乱れや下降流は、このオゾンを地表まではこぶ。大気下層では、人間活動によるオゾンの増加が農作物などに被害をあたえることがある。

冷蔵庫や冷房装置の冷媒やスプレーにつかわれてきた、クロロフルオロカーボン(CFC)やクロロフルオロメタン(CFM)という化学物質(→ フロンガス)が、大気中に急増してきていることが、1970年代の初めにわかり、それらの物質によるオゾン層の破壊が問題になった(→ オゾンホール)。オゾン層のオゾンは、地表が過度に太陽光線中の紫外線にさらされるのをふせいでいるが、これらの化合物は太陽光線の作用で化学反応をおこし、成層圏のオゾンを破壊することが明らかになった。オゾン層のオゾンは、太陽からの紫外線を吸収し、強い紫外線から生物をまもっている。オゾン層の破壊は、生物への悪影響、とくに人間の皮膚癌の増加につながると心配されている。そのため、必要不可欠なもの以外、CFCはほかのもので代用されている。→ フロン：環境問題：スプレー：オゾン層：モントリオール議定書

大気の循環については、気象学、風を参照。