高校地学基礎 大気の層構造—気温と高度のグラフから各層の特徴を読む｜武蔵野個別指導塾

高度に沿って気温の折れ線を追い、対流圏から熱圏までを区分します。自作の表で温度差を計算し、気圧の変化と分けて判断する手順を確かめましょう。

よくあるのは、気温の折れ線を見た高校生が「高いほど気温は必ず下がる」と考え、途中で折れ曲がる理由を説明できなくなる場面です。地表に近い空気の変化だけを覚えていると、その上の層でも同じ向きに変化すると見誤ります。まず学校の範囲表と授業ノートを開き、ワークや小テストで使ったグラフの軸と層の名前を確かめましょう。ここでは気温による層の区分と、気圧が高度とともにどう変わるかを扱います。

縦軸と横軸から出題を読む

問題の型の1つは、気温と高度のグラフに区切りを入れ、低い側から層の名前を答えるものです。気温が上がる部分と下がる部分を見分け、変化の向きが切り替わる位置に注目します。グラフを横向きに置いた場合、右が高温、上が高高度という軸の意味を取り違えないことが出発点です。

もう1つは、ある層で気温がどう変わるか、あるいは別の高度との気圧の大小を答える型です。気温と気圧は別の量なので、片方の折れ線の向きをもう片方にも当てはめてはいけません。理由を問われたら、何の上にある空気を考えたかまで書きます。

さらに、資料の数値を使って温度差を求め、その符号と層の特徴を結び付ける型もあります。これは表に示された条件の読み取りであり、その数値を実際の大気の測定値として覚える問題ではありません。答えの単位と、高度がどちらからどちらへ変わったかを最後に照合します。

層の名前と気温の変化

気温の高度による変化を手がかりに、大気を下から対流圏、成層圏、中間圏、熱圏に区分します。まず名前の順番を、地表から上向きに指でたどって確認します。層の境目の高度を固定した数字として暗記するのではなく、問題の図や表で与えられた区切りを使います。

対流圏では、一般に高度が上がると気温は下がります。その上の成層圏では、一般に高度が上がると気温は上がります。さらに上の中間圏では再び下がり、熱圏では上がります。上がる、下がるという言葉は、必ず高度が低い側から高い側に向かって読んだときのものです。逆向きにたどれば、気温の変化を表す言葉も逆になります。

図1のように、層を縦に並べたとき、隣り合う層で気温の変化の向きが切り替わります。矢印は高度を上げる向きを示し、各層の言葉はその向きに進んだときの気温の変化を表します。温度そのものの大小や境界高度の縮尺を示すものではありません。対流圏では雲や雨などの気象現象が主に起こります。成層圏ではオゾンによる紫外線の吸収が気温の上昇に関係しますが、気温が高いから気圧も高いとはいえません。

気圧は、その場所より上にある空気の重さによって生じる圧力です。高度が上がると、その上に残る空気が少なくなるので、気圧は低くなります。気温が上向きに増える層でも、上にある空気の量が減ることは変わりません。したがって、気温の変化は層ごとに向きが変わっても、気圧の大小は高度で別に判断します。

同じ層の2地点を比べる問題でも、気温の変化と気圧の変化を一度に判断しないようにします。まず高度の低い点と高い点を特定し、気温はその層の折れ線を、気圧は上にある空気を手がかりにします。2つの答えが反対向きになっても、調べた量が異なるので矛盾ではありません。

境界の線を見つけるときは、折れ線が右向きから左向きへ、または左向きから右向きへ変わる点を探します。折れ点そのものは隣り合う層の境目です。境界付近の実際の大気は一定の高度でいつも同じ形になるわけではないため、図が示す模式的な変化と実際の数値を混ぜないようにします。

基本例題：表の差を順に計算する

次の表は、練習のために作った大気のモデルです。各区間は下から順に対流圏、成層圏、中間圏、熱圏に対応し、区間内の気温は直線的に変化するものとします。数値は実際の観測値や境界高度ではありません。

問い：BからCへ高度が上がるときの気温差を、Cの気温からBの気温を引いて、符号と単位を付けて答えなさい。また、この区間の層名と、AとCのうち気圧が高い地点を答えなさい。

図2のように、横軸は気温で右ほど高く、縦軸は高度で上ほど高くなっています。AからEへ折れ線をたどると、各区間の変化の向きを確認できます。図はこのモデルの値に合わせたグラフであり、実際の大気の境界の位置を示すものではありません。

まず、終点Cの気温は -25 ℃、始点Bの気温は -45 ℃です。問題は「CからBを引く」と指定しているので、順番を逆にしません。

気温差 = -25 − (-45) ℃

負の数を引くので、-25 + 45 = 20 です。したがって気温差は +20 ℃です。正の符号はBからCに向かって気温が上がったことを表します。差を戻して、Bの -45 ℃に 20 ℃を加えると -25 ℃となり、Cの条件に一致します。

BからCは下から2番目の区間なので、層名は成層圏です。気圧は気温の折れ線とは別に、高度を比べます。AはCより低い位置にあり、その上にある空気が多いので、気圧が高い地点はAです。Cの気温がBより高いことから気圧を決めているわけではありません。

この表でAからBを見直すと、気温差は -45 − 15 = -60 ℃です。Aの 15 ℃に -60 ℃を加えればBの -45 ℃に戻ります。BからCの上昇と比べると、隣の区間で変化の向きが切り替わることを表からも確かめられます。

グラフから数値を読むときは、点から横軸、縦軸へそれぞれたどります。軸の単位と目盛りを先に確認すれば、気温の値を高度として読む間違いを防げます。数値の差と層の名称を別々に答えた後、上昇という結果と成層圏という名称が対応していることを確認します。

少し難しい例題：区間と地点を分ける

別の練習用モデルで、低い側からP、Q、R、S、Tを境界または端の地点とします。高度が低い順に気温は 12 ℃、-48 ℃、-18 ℃、-58 ℃、-28 ℃です。隣接する地点の間は下から順に対流圏、成層圏、中間圏、熱圏とし、各区間で気温は直線的に変化します。この数値も問題の条件であり、実測値ではありません。

問い：PからTまで高度を上げたとき、気温が上がる区間を地点の組で全部答えなさい。さらにQからSまでの気温差を、Sの気温からQの気温を引いて符号と単位を付けて答え、その結果と途中の変化との違いを説明しなさい。

まず区間ごとに終点から始点を引きます。PからQは -48 − 12 = -60 ℃で下降、QからRは -18 − (-48) = +30 ℃で上昇です。RからSは -58 − (-18) = -40 ℃で下降、SからTは -28 − (-58) = +30 ℃で上昇です。したがって上がる区間はQからRとSからTです。4区間をそれぞれ調べているので、片方を見落としません。

次に端点だけを比べると、QからSの差は -58 − (-48) = -10 ℃です。Qの -48 ℃に -10 ℃を加えるとSの -58 ℃に戻ります。途中の差でも +30 ℃と -40 ℃を合わせると -10 ℃になり、同じ結果です。答えは全体で -10 ℃ですが、途中のQからRでは気温が上がっています。始点と終点の差が負だからといって、途中の全区間で下がったとはいえません。

ここが考え方の分かれ目です。「どの区間で上がるか」なら隣接する点を順に比較します。「出発点と到着点の差」なら指定された2点を引きます。グラフの折れ点を飛ばして端点だけを見ると、途中の上昇を消してしまいます。逆に全体の差を聞かれたときに上昇分だけを答えると、下降分が抜けます。

誤答を直す：気温と気圧を別に追う

誤答の例は「高度が高くなると気温はずっと下がるので、成層圏の気温も下がる」です。地表付近の対流圏での傾向を、他の層にもそのまま広げたことが原因です。図3のように、成層圏では高度が上がる方向に気温が上がると直します。気温の変化の向きは層の名前と組にして確認します。

もう1つの誤答は「成層圏で気温が上がるから気圧も上がる」です。温度の変化を圧力の変化に置き換えたことが原因です。図3では同じ上向きの移動に対して、気温は上昇、気圧は低下と示しています。気圧は上にある空気の重さを考え、気温とは別の判断として書き直します。

また、グラフで右向きを高度の上昇と取り違える場合があります。右向きが意味する量は横軸の見出しで決まります。縦軸が高度なら、まず下から上へ進みながら折れ線が左右どちらへ動くかを見ます。図の形だけを覚えるのではなく、軸の名称を読んでから矢印を付け直しましょう。

温度差で「-45から-25になったので -20 ℃」とする間違いもあります。負の数の大小では、数直線の右側が大きいと考えます。終点 -25 から始点 -45 を引くと +20 ℃で、始点に加えると終点に戻ります。引く順番と戻し算を答案に残すと、符号の誤りを見つけやすくなります。

練習：初めに問題をまとめて解く

次の問題の数値は練習用の条件で、実際の観測値や境界高度を表しません。途中の計算と判断の理由も書いてください。

1. 下から順に4層を並べるとき、対流圏の次と中間圏の次に入る層をそれぞれ答えなさい。また、その2層で高度が上がるとき、気温が一般に上がるか下がるかを答えなさい。
2. 高度が低い点Uの気温を -36 ℃、高い点Vの気温を -12 ℃とするモデルがあります。Vの気温からUの気温を引いた差を、符号と単位を付けて答えなさい。UからVへの区間が4層のいずれか1層に含まれるとき、その区間が対流圏と成層圏のどちらに対応するかも答えなさい。
3. 点Xは点Yより高い場所にあります。2点の気温はXの方が高いとします。気圧の高い点を選び、「上にある空気」という語を使って理由を説明しなさい。
4. あるモデルの高度が低い順の3点L、M、Nの気温は、それぞれ -42 ℃、-10 ℃、-34 ℃です。LからM、MからNではそれぞれ気温が直線的に変わります。各区間で上昇か下降かを答え、Nの気温からLの気温を引いた差を符号と単位を付けて求めなさい。端点の差だけでは途中の変化を言い表せない理由も書きなさい。

答えと確かめ方

1. 対流圏の次は成層圏、中間圏の次は熱圏です。どちらも高度が上がると一般に気温は上がります。対流圏、成層圏、中間圏、熱圏と下から並べ直し、求められた位置に戻して確認します。名前の順だけでなく、変化の向きを一緒に対応させます。

2. -12 − (-36) = +24 ℃です。Uの -36 ℃に 24 ℃を加えるとVの -12 ℃に戻ります。高度を上げると気温が上昇するので、選択肢のうち成層圏に対応します。差の符号を省くと上昇か下降かが曖昧になるため、指定どおり符号を付けます。

3. 気圧が高いのはYです。YはXより低く、Yの上にある空気の重さがXの上にある空気より大きいためです。条件に戻ると、Xの気温が高いことと、Xの気圧が低いことは両立します。温度の大小を圧力の大小に置き換えないことが理由の中心です。

4. LからMは -10 − (-42) = +32 ℃なので上昇、MからNは -34 − (-10) = -24 ℃なので下降です。端点の差は -34 − (-42) = +8 ℃です。Lの -42 ℃に 8 ℃を加えるとNの -34 ℃に戻り、区間ごとの差も +32 − 24 = +8 ℃です。端点の差は正でも、途中のMからNは下降するため、全体の差だけでは途中の変化を表せません。

覚える順番

地表側から対流圏、成層圏、中間圏、熱圏です。 高度を上げたときの気温は、下がる、上がる、下がる、上がるの順です。 気圧は上にある空気の重さを考え、高度が上がるほど低くなります。 差は指定された終点から始点を引き、始点へ戻して確かめます。

答案のどこで止まったかを見つける

層の名前は言えてもグラフで位置を選べない場合は、縦軸と横軸の意味を先に指で示せるかを確かめます。折れ線の変化は読めるのに名称が違う場合は、地表からの順序を紙に並べ直します。個別指導で確認するなら、正答だけを聞くのではなく、どの方向に高度をたどったかを答案の矢印で見ます。

気圧の理由が「気温が高いから」で止まる場合は、2地点それぞれの上にある空気を図に描いて比べます。差の符号が合わない場合は、終点と始点を式に書き込み、求めた差を始点に加えて終点へ戻るか確かめます。気温の折れ線と気圧の変化を別々に追えば、各層の読み違いを修正できます。