地球科学

レッスンの目的

• 大気の主要な層とその温度をリストします。li>
• なぜすべての天気が対流圏で起こるのかを議論してください。
• オゾン層が有害な放射線から表面をどのように保護するかについて議論してください。,

語彙

• オーロラ
• 外圏
• 反転
• 電離圏
• 磁気圏
• 中間圏
• オゾン層
• 太陽風
• 成層圏
• 温度勾配
• 熱圏
• 対流圏

はじめに

大気は階層化されており、大気の温度が高度によってどのように変化するかに対応しています。 高度による温度変化を理解することで、大気の仕組みについて多くのことを学ぶことができます。, 天気は下層大気で起こりますが、美しいオーロラなどの興味深いものは大気中で高く起こります。

気温

暖かい空気が上昇するのはなぜですか（上の図）？ 気体分子は自由に移動することができ、大気中にあるように、それらが収容されていない場合、多かれ少なかれ空間を占有することができます。

• ガス分子が冷たいとき、それらは鈍く、それほど多くのスペースを占有しません。, より少ないスペースの分子の同じ数によって、空気密度および空気圧は両方高いです。
• 気体分子が暖かいとき、それらは活発に移動し、より多くのスペースを占有します。 空気密度および空気圧はより低いです。

より暖かく、より軽い空気はその上のより涼しい空気よりも浮力があるので、それは上昇します。 それはその下の空気よりも密度が高いので、より涼しい空気は沈みます。 これは、プレートテクトニクスの章で説明されていた対流です。

高度によって最も顕著に変化する特性は気温です。, 高度とともに減少する圧力と密度の変化とは異なり、気温の変化は規則的ではありません。 距離による温度の変化は、温度勾配と呼ばれます。

大気は、その層の温度が高度によってどのように変化するか、層の温度勾配（下の図）に基づいて層に分割されます。 各層の温度勾配は異なっています。 いくつかの層では、温度は高度とともに増加し、他の層では減少する。 各層の温度勾配は、層の熱源によって決まります（下図）。,

大気の重要なプロセスのほとんどは、最も低い二つの層で行われます：対流圏と成層圏。,

対流圏

対流圏の温度は地球の表面付近で最も高く、高度とともに減少します。 平均して、対流圏の温度勾配は6.5°c/1,000m（3.6°F/1,000ft）です。 高度の）。 対流圏の熱源は何ですか？

その熱のほぼすべてが太陽から来ているものの、地球の表面は、対流圏のための熱の主要な供給源です。 地球上の岩石、土壌、水は太陽の光を吸収し、熱として大気中に放射します。, また、ガス密度が高いため、表面近くの温度も高くなります。 重力が高いほど温度が上昇します。

対流圏では、より暖かい空気がより冷たい空気の下にあることに注意してください。 あなたはこれの結果は何だと思いますか？ この状態は不安定です。 表面近くの暖かい空気が上昇し、対流圏のより高い冷たい空気が沈む。 対流圏の空気は多くの混合を行います。 この混合により温度勾配は時間および場所と変わります。, 対流圏における空気の上昇と沈下は、惑星の天候のすべてが対流圏で起こることを意味します。

時には温度反転があり、対流圏の気温は高度とともに上昇し、暖かい空気は冷たい空気の上に座っています。 反転は非常に安定しており、数日または数週間持続することがあります。 反転フォーム：

• 地面が寒いとき、夜間または冬に土地の上に。 冷たい地面はその上に座っている空気を冷やし、この低層の空気をその上の空気よりも密度が高くします。
• 冷たい海水がその上の空気を冷やす海岸の近く。, その密度の高い空気が内陸に移動するとき、それは土地の上の暖かい空気の下に滑ります。

温度反転は安定しているため、汚染物質を捕捉し、都市で不健康な空気状態を生み出すことがよくあります（下図）。

対流圏の上部には、温度が高さとともに変化しない薄い層があります。, これは、対流圏のより涼しく密度の高い空気が、成層圏のより暖かく密度の低い空気の下に閉じ込められていることを意味します。 対流圏と成層圏からの空気はめったに混ざりません。

成層圏

大きな火山噴火からの灰とガスは、成層圏、対流圏の上の層に破裂することがあります。 一度成層圏に入ると、二つの層の間にはほとんど混合がないため、何年もそこに浮遊しています。 パイロットは、空気の乱れがほとんどないので、成層圏の下部を飛行するのが好きです。,

成層圏では、気温は高度とともに上昇します。 成層圏の熱源は何ですか？ 成層圏の直接熱源は太陽です。 成層圏の空気は、より暖かく密度の低い空気がより涼しく密度の高い空気の上に座っているため、安定しています。 その結果、層内の空気の少し混合があります。

オゾン層は、15-30キロ（9-19マイル）の高度の間の成層圏内にあります。 オゾン層の厚さは季節や緯度によって異なります。,

成層圏のオゾンガスが太陽の有害な紫外線（UV）放射のほとんどを吸収するため、オゾン層は非常に重要です。 このため、オゾン層は地球上の生命を保護します。 高エネルギーのUV光は細胞に浸透し、DNAに損傷を与え、細胞死（私たちは悪い日焼けとして知っています）につながります。 地球上の生物は、それらを殺すか、または損傷する重い紫外線曝露に適応していません。 UVCとUVBの放射線を反射するオゾン層がなければ、地球上のほとんどの複雑な生命は長く生き残ることはできません（下の図）。,

中間圏

中間圏の温度は高度とともに減少します。 中間圏には太陽の放射を吸収する気体分子がほとんどないため、熱源は下の成層圏です。 中間圏は非常に寒く、特にその上部では約-90°C（-130°F）です。

中間圏の空気の密度は非常に低く、大気の質量の99.9％が中間圏の下にあります。, その結果、空気圧は非常に低くなります（下の図）。 紫外線保護を提供するオゾン層が成層圏にあるので中間圏を通って旅行する人は紫外線からの厳しい焼跡を経験する。 呼吸のための酸素はほとんどないでしょう。 見知らぬ人はまだ、保護されていない旅行者の血液は、圧力が非常に低いので、正常な体温で沸騰するでしょう。

熱圏とその向こう

熱圏では分子の密度が非常に低いため、あるガス分子が別の分子と衝突する前に約1km移動することができます。 非常に少ないエネルギーが伝達されるので、空気は非常に冷たく感じます（上の図）。

熱圏の中には電離層があります。, 電離層は、正に帯電したイオンと一つ以上の負に帯電した電子を作成するためにガス分子を電離太陽放射からその名前を取得します。 解放された電子は電離層内を電流として移動する。 自由イオンのために、電離層は多くの興味深い特性を有する。

夜になると、電波は電離層から跳ね返り、地球に戻ります。 これが、夜間にソースから遠く離れたAMラジオ局を頻繁に拾うことができる理由です。,

ヴァン-アレン放射線帯は、磁気圏の大気の向こうに位置する高荷電粒子の二つのドーナツ状のゾーンです。 粒子は太陽フレアに由来し、太陽風に乗って地球に飛ぶ。 一度地球の磁場によって閉じ込められると、それらは磁場の磁力線に沿って続きます。 これらの線は、赤道の上から北極まで、そして南極まで伸び、その後赤道に戻ります。,

大規模な太陽嵐によってVan Allenベルトが粒子で過負荷になると、その結果、電離層の最も壮大な特徴である夜間のオーロラ（下図）が得られます。 粒子は、磁力線に沿って極に向かって渦巻いています。 荷電粒子は酸素および窒素のガスの分子に活気づき、それらをつけます。 各ガスは特定の色の光を放出する。

大気の最も外側の層である外気圏には本当の外側の限界はありません。 大気の向こうには太陽風があります。 太陽風は、主に陽子と電子の高速粒子でできており、太陽から急速に外側に移動しています。

このビデオは、大気の層についての議論において非常に徹底しています。, 各層の化学組成は、成層圏（8a）に見られるオゾン層を除いてほぼ同じであることを忘れないでください：http://www.youtube.com/watch?v=S-YAKZoy1A0（6:44）。

KQED：オーロラを照らす

それが色で塗られた場合、地球の磁場はどのように見えますか？ それはオーロラのように見えます！ このクエストビデオでは、太陽風、地球の磁場、地球の大気についての手がかりを提供するオーロラを見ています。 詳細については、http://science.kqed.org/quest/video/illuminating-the-northern-lights/を参照してください。,

レッスンの概要

• 大気の特徴は高度によって変化します：密度が低下し、空気圧が低下し、温度変化が変化します。
• 異なる温度勾配は、大気中に異なる層を作り出します。
• 最も低い層は、大気ガスのほとんどと惑星のすべての天気が位置する対流圏です。 対流圏は地面から加熱されるため、高度とともに温度が低下します。 暖かい空気が上昇し、冷たい空気が沈むため、対流圏は不安定です。,
• 成層圏では、気温は高度とともに上昇します。 成層圏にはオゾン層が含まれており、太陽の有害な紫外線から惑星を保護します。

レビューの質問

1. 暖かい空気が上昇する理由の詳細な説明を与えます。
2. なぜ高度によって気温が一様に変化しないのですか？ 例を挙げる。
3. 地面が対流圏の熱源としてどのように機能するかを説明します。 エネルギーの源は何であり、そのエネルギーはどうなりますか？li>
4. 反転はどのように安定しており、なぜですか？ 反転はどのように形成されますか？,
5. フェニックス、アリゾナ州は、南西部の砂漠の都市です。 夏は非常に暑いです。 冬の日がかなり暖かな冬の連泊でも肌寒い。 月には、反転は非常に一般的です。 これらの条件の下で反転はどのように形成され、この広大な車に依存する都市への反転の結果は何ですか？
6. なぜ対流圏と成層圏からの空気が自由に混ざらないのですか？
7. 成層圏の熱源は何ですか？ その熱はいかに吸収されるか。
8. オゾン層におけるオゾン生成と損失を記述する。 一つは他のものよりも多く発生しますか？,
9. “流れ星”はどのように、どこで作られていますか？
10. なぜ保護されていない旅行者の血が中間圏で沸騰するのでしょうか？

さらに読む/補足リンク

• NASA、オーロラの謎：http://www.youtube.com/watch?v=PaSFAbATPvk。

考慮すべきポイント

• 太陽エネルギーは大気の層をどのように作り出しますか？
• 太陽エネルギーはどのように天気を作り出しますか？
• オゾン層にオゾンが少なかったら、地球上の生命はどうなるでしょうか？