成層圏・中間圏の気温と風

成層圏・中間圏の気温分布

第2章で大気の鉛直構造を学んだときに、対流圏の上に成層圏、さらにその上に中間圏があることを知りました。ここでは、成層圏と中間圏における大規模な大気の運動について学んでいきます。

まず、成層圏と中間圏の気温分布について確認しましょう。

対流圏の上端（圏界面、高度約10〜16km）から成層圏が始まります。成層圏では、高度が上がるにつれて気温が上昇します。これは成層圏の中にオゾン層があり、オゾンが太陽からの紫外線を吸収して大気を加熱するためです。成層圏の上端（成層圏界面、高度約50km）付近で気温は約0℃に達します。

成層圏界面より上の中間圏では、再び高度とともに気温が低下します。中間圏の上端（中間圏界面、高度約80km）付近で気温は約−90℃程度にまで下がります。

夏半球と冬半球での違い

成層圏・中間圏の気温分布は、夏半球と冬半球で大きく異なります。

夏半球の成層圏では、太陽の紫外線がオゾンに吸収されることで強く加熱されます。特に成層圏上部（高度40〜50km付近）では夏極付近で気温が最も高くなります。これは夏半球の極地方では24時間太陽が照り続ける白夜の状態となるためです。

冬半球の成層圏では、極地方に太陽光がほとんど当たらないため、オゾンによる加熱がなくなります。このため冬極の成層圏は非常に低温となり、夏極との間に大きな温度差が生じます。

中間圏では、意外なことに夏極付近のほうが冬極付近よりも気温が低くなります。これは対流圏や成層圏の一般的な傾向（夏のほうが暖かい）とは逆です。中間圏の気温分布は、単純な放射加熱・冷却だけでは説明できず、大気の力学的な過程（大規模な循環）が重要な役割を果たしています。

コールドトラップ

熱帯地方の対流圏界面付近は、対流圏の中でも非常に気温が低い領域です（約−80℃）。この低温の領域はコールドトラップ（冷たいわな）と呼ばれています。

対流圏の中で上昇してきた空気は、この非常に冷たい対流圏界面付近を通過する際に、空気中に含まれている水蒸気のほとんどが凝結・凍結して除去されます。つまり、対流圏から成層圏に入る空気は、コールドトラップによって極端に乾燥させられるのです。

このため、成層圏の空気は対流圏に比べて非常に乾燥しています。コールドトラップの存在が、成層圏に水蒸気がほとんど侵入できない原因となっているのです。

成層圏・中間圏の風の分布

成層圏と中間圏の風系も、夏半球と冬半球で大きく異なります。

冬半球の風

冬半球では、冬極の成層圏が非常に低温であり、赤道側との間に大きな南北温度傾度が存在します。温度風の関係から、この大きな温度傾度に対応して強い西風が吹きます。

成層圏の西風は高度とともに強くなり、成層圏界面付近で最も強くなります。この成層圏の強い西風の帯は極夜ジェットと呼ばれています。極夜ジェットは冬極を取り囲むように吹く西風であり、その内側の極域の冷たい空気を閉じ込める壁のような役割をしています。この極域の冷たい空気の渦を極渦（きょくうず）といいます。

中間圏でも冬半球では西風が卓越します。

夏半球の風

夏半球では、夏極の成層圏が暖かいため、赤道側よりも極側のほうが気温が高くなります。つまり、温度傾度の向きが冬半球とは逆になります。温度風の関係から、成層圏では東風が吹きます。

中間圏でも夏半球では東風が卓越します。

高度による風の変化のまとめ

対流圏では両半球ともに偏西風（西風）が吹いていますが、成層圏・中間圏では季節によって風向が変わります。冬半球では対流圏から成層圏・中間圏まで一貫して西風が吹きますが、夏半球では成層圏・中間圏で東風に変わります。

季節の変わり目（春と秋）には、成層圏の風向が西風から東風に、または東風から西風に切り替わります。この切り替わりを成層圏突然昇温（突然昇温）と関連づけて理解することが重要です。冬から春への移行期には、成層圏の気温が急激に上昇する現象が起きることがあります。これが成層圏突然昇温であり、極渦の崩壊や西風から東風への急激な転換を伴います。