成層圏 せいそうけん (高度 こうど 約 やく 36km)での写真 しゃしん 例 れい 。上空 じょうくう は暗 くら く、地平線 ちへいせん 上 じょう には青白 あおじろ い大気 たいき の層 そう が見 み える。
対流圏 たいりゅうけん と中 ちゅう 間 あいだ 圏 けん の間 あいだ に位置 いち する層 そう である[ 1] 。
対流圏 たいりゅうけん と成層圏 せいそうけん との境目 さかいめ は対流圏 たいりゅうけん 界面 かいめん (高度 こうど は極地 きょくち で約 やく 8km、緯度 いど が低 ひく くなるに従 したが って高 たか くなり赤道 せきどう 付近 ふきん で約 やく 17km)、成層圏 せいそうけん と中間 なかま 圏 けん との境目 さかいめ は成層圏 せいそうけん 界面 かいめん (高度 こうど 約 やく 50km)と呼 よ ばれる[ 1] 。
対流圏 たいりゅうけん や中 ちゅう 間 あいだ 圏 けん では高度 こうど とともに温度 おんど が低 ひく くなるのに対 たい して、成層圏 せいそうけん では逆 ぎゃく に、高度 こうど とともに温度 おんど が上昇 じょうしょう する[ 1] 。成層圏 せいそうけん 下部 かぶ 、対流圏 たいりゅうけん 界面 かいめん 付近 ふきん では気温 きおん が約 やく -56℃前後 ぜんこう であるのに対 たい して、中間 なかま 圏 けん との境 さかい の成層圏 せいそうけん 界面 かいめん 付近 ふきん では-15℃から0℃になることがある。ただし、上空 じょうくう へ行 い くほど高温 こうおん といっても成層圏 せいそうけん の温度 おんど 上昇 じょうしょう 率 りつ は一定 いってい ではない。まず、対流圏 たいりゅうけん 界面 かいめん の高 たか さを10kmとすると、ここから上 うえ に20kmくらいまでの温度 おんど は対流圏 たいりゅうけん 界面 かいめん とほぼ等温 とうおん 状態 じょうたい が保 たも たれる。そこから約 やく 15kmくらいまでは温度 おんど がわずかに上昇 じょうしょう する層 そう があり、さらにそこから成層圏 せいそうけん 界面 かいめん までは温度 おんど が急激 きゅうげき に上昇 じょうしょう する。
成層圏 せいそうけん で高度 こうど とともに温度 おんど が上昇 じょうしょう するのは、成層圏 せいそうけん の中 なか に存在 そんざい するオゾン層 そう が太陽 たいよう からの紫外線 しがいせん を吸収 きゅうしゅう するからである。オゾン 濃度 のうど が一番 いちばん 高 たか いのは高度 こうど 約 やく 20 - 25km付近 ふきん だが、実際 じっさい に成層圏 せいそうけん 内 ない で温度 おんど が一番 いちばん 高 たか いのは高度 こうど 約 やく 50km付近 ふきん である。この理由 りゆう は、オゾン濃度 のうど がどうであれ上部 じょうぶ のオゾン層 そう ほど濃度 のうど の高 たか い紫外線 しがいせん を吸収 きゅうしゅう することもでき、また、上層 じょうそう ほど空気 くうき 密度 みつど が低 ひく いことから温度 おんど の上昇 じょうしょう 率 りつ も大 おお きいためである。この理由 りゆう から成層圏 せいそうけん では実際 じっさい のオゾン濃度 のうど が一番 いちばん 高 たか い付近 ふきん よりも上 うえ に温度 おんど が最大 さいだい の場所 ばしょ がある。
成層圏 せいそうけん という名称 めいしょう からは、この層 そう は対流圏 たいりゅうけん のような擾乱 じょうらん のある層 そう ではなく安定 あんてい した成層 せいそう であるかのような印象 いんしょう を受 う ける。たしかに対流圏 たいりゅうけん ほど気象 きしょう は活発 かっぱつ ではないが、完全 かんぜん な成層 せいそう でもない。成層圏 せいそうけん の発見 はっけん はおよそ100年 ねん 以上 いじょう 前 まえ にもさかのぼる。1902年 ねん にフランス の気象 きしょう 学者 がくしゃ ティスラン・ド・ボール (1855年 ねん - 1913年 ねん )が気球 ききゅう 観測 かんそく によって対流圏 たいりゅうけん とは構造 こうぞう がやや異 こと なった層 そう があることを発見 はっけん し、翌年 よくねん に発表 はっぴょう した。その発表 はっぴょう 内容 ないよう は、成層圏 せいそうけん は対流圏 たいりゅうけん とは異 こと なり成層圏 せいそうけん 下部 かぶ は温度 おんど が低 ひく く、上部 じょうぶ は温度 おんど が高 たか いというものであった。したがって、下部 かぶ に重 おも い気体 きたい が、上部 じょうぶ に軽 かる い気体 きたい があるため、上下 じょうげ の混合 こんごう は起 お こらないと推定 すいてい したことから、当時 とうじ はこの層 そう は成層 せいそう であると考 かんが えられてきた。これが現在 げんざい のstratosphere 成層圏 せいそうけん という名前 なまえ の由来 ゆらい である。語源 ごげん となったラテン語 らてんご の stratusは、英語 えいご で 'a spreading out'(広 ひろ がり)の意 い である。その後 ご 、高層 こうそう 気象 きしょう 観測 かんそく の技術 ぎじゅつ も発達 はったつ し成層圏 せいそうけん の本格 ほんかく 的 てき な研究 けんきゅう により、実際 じっさい は成層圏 せいそうけん でも上下 じょうげ の混合 こんごう が起 お こっており、成層圏 せいそうけん 内 ない でも風 ふう が吹 ふ いていることが分 わ かった。
成層圏 せいそうけん 内 ない での風 ふう の分布 ぶんぷ には興味深 きょうみぶか い特徴 とくちょう があり、まず成層圏 せいそうけん 下部 かぶ では対流圏 たいりゅうけん 上部 じょうぶ の偏西風 へんせいふう の影響 えいきょう を受 う け、おおむね西風 せいふう が吹 ふ いている。成層圏 せいそうけん 上 じょう 中部 ちゅうぶ では次 つぎ のような現象 げんしょう が見 み られる。極 ごく 付近 ふきん は夏 なつ に白夜 はくや という現象 げんしょう が起 お きる。したがって、季 き 節 ぶし が夏 なつ の半球 はんきゅう では太陽 たいよう があたる時間 じかん が低 てい 中 ちゅう 緯度 いど よりも高緯度 こういど の方 ほう が長 なが くなる。そのため極 ごく 付近 ふきん ではオゾン層 そう によって大気 たいき がどんどん暖 あたた められ、結果 けっか として高 こう 圧 あつ 状態 じょうたい になる。逆 ぎゃく に低 てい 緯度 いど では相対 そうたい 的 てき に低圧 ていあつ である。このため、高緯度 こういど 側 がわ の高 こう 圧 あつ 部 ぶ から低 てい 緯度 いど 側 がわ の低圧 ていあつ 部 ぶ に向 む けて気圧 きあつ 傾 かたぶけ 度 ど 力 りょく が生 しょう じる。気圧 きあつ 傾 かたぶけ 度 ど 力 りょく は低 てい 緯度 いど から高緯度 こういど に向 む かうコリオリの力 ちから と釣 つ りあい、これを満 み たすように夏 なつ 半球 はんきゅう が東風 こち になる。したがって、成層圏 せいそうけん 上 じょう 中部 ちゅうぶ では特別 とくべつ な場合 ばあい を除 のぞ いて、夏季 かき は常 つね に東風 こち 、すなわち偏 へん 東風 こち が吹 ふ いている。これを成層圏 せいそうけん 偏 へん 東風 こち と呼 よ ぶ。また冬 ふゆ には逆 ぎゃく の現象 げんしょう が起 お き、極 ごく 付近 ふきん では夏 なつ とは逆 ぎゃく に一 いち 日 にち 中 ちゅう 太陽 たいよう があたらない状態 じょうたい なので低 てい 緯度 いど 付近 ふきん と比 くら べて低温 ていおん 、すなわち低圧 ていあつ となる。よって、低 てい 緯度 いど から高緯度 こういど に向 む けて気流 きりゅう が生 しょう じ、コリオリの力 ちから を受 う けて偏西風 へんせいふう となる。これを成層圏 せいそうけん 偏西風 へんせいふう という。この現象 げんしょう は季 き 節 ぶし によって変化 へんか する風 ふう 、すなわち季節風 きせつふう と捉 とら えることができる。この現象 げんしょう はいわば「成層圏 せいそうけん のモンスーン」である。この循環 じゅんかん に加 くわ えて、夏 なつ の極上 ごくじょう 空 そら では熱 ねつ 圏 けん へ向 む かう上昇 じょうしょう 気流 きりゅう 、冬 ふゆ の極上 ごくじょう 空 そら では熱 ねつ 圏 けん からの下降 かこう 気流 きりゅう が起 お こっており、これらをまとめてブリューワー・ドブソン循環 じゅんかん と呼 よ んでいる。成層圏 せいそうけん 偏西風 へんせいふう 、成層圏 せいそうけん 偏 へん 東風 こち どちらも最大 さいだい 風速 ふうそく は約 やく 50m/sである。
このように成層圏 せいそうけん は名前 なまえ のように成層 せいそう ではなく大気 たいき 擾乱 じょうらん がある。ただし、上 うえ で述 の べたことは通常 つうじょう の季 き 節 ぶし 変化 へんか を示 しめ したものであり、冬季 とうき に成層圏 せいそうけん 突然 とつぜん 昇 のぼり 温 あつし という現象 げんしょう が起 お こった際 さい には、成層圏 せいそうけん 偏西風 へんせいふう が東風 こち になることがある。
19世紀 せいき 末 まつ からフランスのテスラン・ド・ボール はパリ郊外 こうがい のトラペスで無人 むじん 気球 ききゅう を用 もち いて高層 こうそう 気象 きしょう 観測 かんそく を行 おこな っていたが、1898年 ねん 4月 がつ の夜間 やかん 観測 かんそく で初 はじ めて高度 こうど 10 kmで昇 のぼり 温 あつし する層 そう を観測 かんそく した。同年 どうねん 6月 がつ 8日 にち 早朝 そうちょう の観測 かんそく でも高度 こうど 11.8 km以上 いじょう で-59℃の等温 とうおん 層 そう を観測 かんそく した。しかし彼 かれ は太陽 たいよう 放射 ほうしゃ を受 う けて温度 おんど が上 あ がったのではないかと測定 そくてい 結果 けっか を疑 うたが ったため、科学 かがく アカデミーへの報告 ほうこく では高度 こうど 13 kmで-71℃に気温 きおん を下 さ げる補正 ほせい を行 おこな った[ 2] 。
彼 かれ は1899年 ねん 1月 がつ 8日 にち の夜間 やかん の観測 かんそく でも上層 じょうそう で等温 とうおん 層 そう を観測 かんそく した。彼 かれ は測定 そくてい 器 き カバーからの放射 ほうしゃ を疑 うたが い、温度 おんど 計 けい をカバーの外 そと に移 うつ した。それでも結果 けっか は変 か わらずやはり等温 とうおん 層 そう を観測 かんそく した[ 3] 。彼 かれ は同時 どうじ に複数個 ふくすうこ の気球 ききゅう を上 あ げて、確認 かくにん のための比較 ひかく 観測 かんそく を行 おこな ったりもした[ 4] 。
テスラン・ド・ボールの紙 かみ 製 せい の気球 ききゅう は安価 あんか で観測 かんそく 頻度 ひんど を稼 かせ ぐことができた。それにまだゴム製 せい の気球 ききゅう がない時代 じだい に、彼 かれ の軽 かる い紙 かみ 製 せい の気球 ききゅう は比較的 ひかくてき 高 たか い高度 こうど まで容易 ようい に達 たっ することができた。彼 かれ が1902年 ねん までにパリで行 おこな った観測 かんそく では、236個 こ が高度 こうど 11 km以上 いじょう に達 たっ し、そのうち74個 こ が高度 こうど 14 km以上 いじょう に達 たっ した。彼 かれ は数 すう 多 おお くの観測 かんそく と注意深 ちゅういぶか い確認 かくにん により、等温 とうおん 層 そう を観測 かんそく の誤 あやま りや一時 いちじ 的 てき な現象 げんしょう ではなく、実在 じつざい する定常 ていじょう 的 てき な現象 げんしょう であると考 かんが えた[ 5] 。彼 かれ は1902年 ねん 4月 がつ 28日 にち のパリの科学 かがく アカデミーの会合 かいごう で、この等温 とうおん 層 そう の発見 はっけん を2ページの文書 ぶんしょ で報告 ほうこく した(フランス中央 ちゅうおう 気象台 きしょうだい 長官 ちょうかん マスカールが代読 だいどく したことになっている)[ 6] 。
一方 いっぽう 、ドイツの気象 きしょう 学者 がくしゃ リヒャルト・アスマン は1900年 ねん ころにはドイツのゴム会社 かいしゃ と共同 きょうどう で薄 うす くて軽 かる くよく伸 の びるゴム製 せい 気球 ききゅう を開発 かいはつ した。しかし、ゴムの性能 せいのう のためか当初 とうしょ は高度 こうど 15~16 kmで破裂 はれつ して、それ以上 いじょう の高度 こうど にはなかなか上 あ がれなかった。それでも定 てい 積 せき 気球 ききゅう よりは高度 こうど 10 km以上 いじょう まで安定 あんてい して観測 かんそく できた。後年 こうねん には改良 かいりょう されて高度 こうど 30 km程度 ていど まで上昇 じょうしょう できるようになった。
アスマンは1901年 ねん の4月 がつ から11月 がつ まで、ベルリンでゴム製 せい の探測 たんそく 気球 ききゅう を用 もち いて6回 かい の高層 こうそう 気象 きしょう 観測 かんそく を行 おこな い、それらは高度 こうど 12~17 kmまで達 たっ した。そして1902年 ねん 5月 がつ 1日 にち のベルリンの科学 かがく アカデミーの会合 かいごう において、高度 こうど 10 km以上 いじょう で気温 きおん 減 げん 率 りつ が急速 きゅうそく にゆっくりとなって等温 とうおん 層 そう に達 たっ するかむしろ昇 のぼり 温 あつし が起 お こっており、高度 こうど 10 kmから12 kmより高 たか い高度 こうど で暖 あたた かい大気 たいき の流 なが れがあることは疑 うたが いようがないことを示 しめ した[ 7] 。また、その際 さい には彼 かれ はテスラン・ド・ボールがパリで200回 かい 以上 いじょう の観測 かんそく を行 おこな っていることを示 しめ し、アスマンはテスラン・ド・ボールの観測 かんそく も同 おな じような結果 けっか を示 しめ していることを付 つ け加 くわ えた[ 7] 。
テスラン・ド・ボールとアスマンの発表 はっぴょう によって、上空 じょうくう で気温 きおん の下降 かこう が止 と まることが研究 けんきゅう 者 しゃ たちに明確 めいかく に意識 いしき され始 はじ めた。テスラン・ド・ボールとそれを支持 しじ するアスマンの結果 けっか は、各国 かっこく の科学 かがく 者 しゃ が集 あつ まった1902年 ねん 5月 がつ 20日 はつか のベルリンでの第 だい 3回 かい 「科学 かがく 航空 こうくう 国際 こくさい 委員 いいん 会 かい (the International Committee for Scientific Aeronautics)」の会合 かいごう で発表 はっぴょう された[ 8] 。その後 ご 、この説 せつ は各国 かっこく で広 ひろ まった。
テスラン・ド・ボールの報告 ほうこく がアスマンの発表 はっぴょう よりわずかに早 はや かったことと、アスマンがテスラン・ド・ボールの結果 けっか を自分 じぶん の結果 けっか の支持 しじ に使 つか ったことから、成層圏 せいそうけん の発見 はっけん をテスラン・ド・ボールの功績 こうせき に帰 かえ している著作 ちょさく 物 ぶつ が多 おお いようである。しかし、テスラン・ド・ボールのわずか2ページの文書 ぶんしょ による報告 ほうこく より、実際 じっさい の観測 かんそく データを示 しめ したアスマンの論文 ろんぶん [ 7] の方 ほう が説得 せっとく 力 りょく があるように思 おも える[誰 だれ ? ] 。ただ、テスラン・ド・ボールとアスマンの二人 ふたり の功績 こうせき と記 しる しているもの少 すく なくなく[ 3] 、国 くに の威信 いしん をかけた思惑 おもわく もあってか成層圏 せいそうけん の発見 はっけん 者 しゃ に関 かん する記述 きじゅつ は統一 とういつ されていない[ 9] 。なお、6月8日 にち を「成層圏 せいそうけん 発見 はっけん の日 ひ 」としているウェブサイトがあるが、その根拠 こんきょ は不明 ふめい である。
成層圏 せいそうけん の発見 はっけん は、地球 ちきゅう が球状 きゅうじょう の層状 そうじょう 構造 こうぞう を持 も っているという考 かんが え方 かた の発端 ほったん になった。それによって大気 たいき だけでなく、海洋 かいよう のエクマン層 そう や陸 りく 域 いき のモホロビチッチの不連続 ふれんぞく 面 めん の発見 はっけん など地球 ちきゅう 科学 かがく の発展 はってん にも影響 えいきょう を及 およ ぼしたと考 かんが えられている[ 10] 。