成層圏

成層圏（/ ˈ s t r æ t ə ˌ s f ɪər , - t oʊ -/ ）は、地球の大気圏で2番目に低い層であり、対流圏の上、中間圏の下にある。^{[2] [3]}成層圏は成層した温度帯で構成されており、暖かい空気の層は上方（宇宙に近い）にあり、冷たい空気の層は下方（地球の惑星表面に近い）にある。高度とともに温度が上昇するのは、太陽の紫外線（UV）がオゾン層に吸収される結果であり、オゾンは周期的に発熱反応を起こして酸素に光分解される。^[4]この温度逆転は、高度とともに温度が低下する対流圏とは対照的であり、対流圏と成層圏の間には、温度逆転の始まりを区切る 対流圏界面の境界があります。

赤道付近では、成層圏の下端は20km（66,000フィート、12マイル）の高さに達し、中緯度では約10km（33,000フィート、6.2マイル）、両極では約7km（23,000フィート、4.3マイル）になります。^[4]気温は、対流圏界面付近の平均-51°C（-60°F、220K）から中間圏付近の平均-15°C（5.0°F、260K）まで変化します。^{[5]成層圏の気温は、}季節の変化 に応じて成層圏内でも変化し、極夜（冬）には特に低温になります。^{[6]成層圏の} 風速は対流圏の風速をはるかに上回り、南極渦では60m/s（220km/h、130mph）近くに達することもあります。^[6]

1902年、フランスのレオン・テイセラン・ド・ボルトとドイツのリチャード・アスマンは、別々ではあるが協調して出版し、その後何年にもわたる観測を経て、下部成層圏の底部である高度11～14km（6.8～8.7マイル）付近に等温層を発見したと発表した。これは、ほとんどが無人、少数の有人の計器付き気球からの温度プロファイルに基づいていた。^[7]

オゾン層の形成を説明するメカニズムは、1930年に英国の数学者で地球物理学者の シドニー・チャップマンによって説明され、チャップマンサイクルまたはオゾン-酸素サイクルとして知られています。^{[8]分子状酸素は、約240 nmより短い波長で、} UV-C領域の高エネルギー太陽光を吸収します。ホモリシス分解された酸素分子から生成されたラジカルは、分子状酸素と結合してオゾンを形成します。オゾンは、太陽放射がより強い長波長でより強い吸収を持つため、分子状酸素よりもはるかに急速に光分解されます。オゾン（O 3 _）の光分解により、OとO _{2 が}生成します。酸素原子生成物は大気中の分子状酸素と結合してO ₃を再形成し、熱を放出します。オゾンの急速な光分解と再形成により成層圏が加熱され、温度逆転が発生します。高度とともに温度が上昇するこの特徴は、成層圏が垂直混合に抵抗するということは成層していることを意味します。成層圏内では高度とともに気温が上昇する（温度逆転を参照）。成層圏上部の温度は約270 K（−3 °Cまたは26.6 °F）である。^{[9] [ページが必要]}

この鉛直成層は、上部に暖かい層、下部に冷たい層があり、成層圏を力学的に安定させています。つまり、大気のこの部分には、規則的な対流やそれに伴う乱流はありません。しかし、火山の噴火柱や激しいスーパーセル雷雨のオーバーシュート頂部など、例外的にエネルギーの強い対流プロセスでは、非常に局所的かつ一時的に対流が成層圏に運ばれることがあります。全体として、DNA を損傷する波長の太陽紫外線がオゾン層によって減衰することで、海洋以外の地球の表面で生命が存在することが可能になっています。成層圏に入る空気はすべて、対流圏と成層圏を分ける最低気温である対流圏界面を通過しなければなりません。上昇する空気は文字通り凍結乾燥しており、成層圏は非常に乾燥した場所です。成層圏の上部は成層圏界面と呼ばれ、それより上では高度とともに気温が低下します。

シドニー・チャップマンは、成層圏オゾンの発生源と成層圏内で熱を生成する能力について正確な説明を行った。^[要出典]彼はまた、オゾンは原子状酸素と反応して分子状酸素 2 分子になることで破壊される可能性があると書いている。現在では、オゾンが失われるメカニズムが他にも存在し、これらのメカニズムは触媒的であることがわかっている。つまり、少量の触媒で大量のオゾン分子を破壊できるということである。1 つ目は、ヒドロキシルラジカル(•OH) とオゾンの反応によるものである。•OH は、オゾンの光分解によって生成された電気的に励起された酸素原子と水蒸気の反応によって生成される。成層圏が乾燥している間は、メタン(CH _{4 ) の光化学的酸化によって、その場で追加の水蒸気が発生する。OH と O 3}の反応によって生成されたHO ₂ラジカルは、酸素原子またはオゾンとの反応によって OH にリサイクルされる。さらに、太陽の陽子現象は、放射線分解とそれに続く OH の形成によってオゾン濃度に大きな影響を与える可能性がある。亜酸化窒素(N ₂ O) は地表での生物活動によって生成され、成層圏で NO に酸化されます。いわゆる NO _xラジカルサイクルも成層圏オゾン層を破壊します。最後に、クロロフルオロカーボン分子は成層圏で光分解され、塩素原子を放出します。この塩素原子はオゾンと反応して ClO と O _{2 を}生成します。塩素原子は、ClO が成層圏上部で O と反応するとき、または ClO が南極のオゾンホールの化学反応でそれ自体と反応するときにリサイクルされます。

ポール・J・クルッツェン、マリオ・J・モリーナ、F・シャーウッド・ローランドは、成層圏オゾンの形成と分解を解明した研究により、1995年にノーベル化学賞を受賞した。^[10]

民間航空機は通常、温帯緯度では成層圏の下層にあたる高度9～12km（30,000～39,000フィート）を巡航します。^[12]これにより、主に対流圏界面付近の低温と空気密度の低さにより、機体にかかる寄生抗力が減少するため、燃料効率が最適化されます。言い換えれば、航空機は飛行機の重量に等しい揚力を維持しながら、より速く飛行することができます。（燃料消費量は抗力に依存し、抗力は揚力と揚力比で表されます。）また、飛行機は対流圏の 乱気流の上空にとどまることができます。

コンコルド機は高度約60,000フィート（18 km）でマッハ2で巡航し、SR-71は高度85,000フィート（26 km）でマッハ3で巡航しました。いずれも成層圏内です。

対流圏界面と下部成層圏の温度は高度が上昇してもほぼ一定であるため、そこでは対流とそれに伴う乱気流はほとんど発生しません。この高度での乱気流のほとんどはジェット気流やその他の局所的な風のせん断の変動によって引き起こされますが、下の対流圏で対流活動が活発な領域 (雷雨) があると、対流オーバーシュートの結果として乱気流が発生することがあります 。

2014年10月24日、アラン・ユースタスは有人気球の高度記録である135,890フィート（41,419メートル）に到達し、記録保持者となった。^[13]ユースタスは垂直速度スカイダイビングの世界記録も破り、最高速度1,321 km/h（822 mph）と合計自由落下距離123,414フィート（37,617メートル）を4分27秒で達成した。^[14]

成層圏は、放射、力学、化学過程の相互作用が激しい領域であり、気体成分の水平混合が垂直混合よりもはるかに速く進行します。成層圏の全体的な循環はブリューワー・ドブソン循環と呼ばれ、熱帯から極まで広がる単細胞循環で、熱帯対流圏からの熱帯の空気の湧昇と熱帯外の空気の沈降で構成されています。成層圏循環は主に波動駆動循環であり、熱帯の湧昇は西に伝播するロスビー波の波力によって引き起こされ、ロスビー波ポンピングと呼ばれる現象です。

成層圏循環の興味深い特徴は、熱帯緯度における準2年振動（QBO）であり、これは対流圏で対流によって生成される重力波によって駆動される。QBOは、オゾン^[15]や水蒸気などのトレーサーの成層圏全球輸送に重要な二次循環を引き起こす。

成層圏循環に大きく影響するもう一つの大規模な特徴は、中緯度で激しい準水平混合をもたらす惑星波^{[16]の破壊である。この破壊は、この地域がサーフゾーンと呼ばれる冬半球でより顕著である。この破壊は、垂直に伝播する惑星波と}極渦と呼ばれる孤立した高ポテンシャル渦度領域との間の高度に非線形な相互作用によって引き起こされる。結果として生じる破壊は、中緯度サーフゾーン全体で空気とその他の微量ガスの大規模な混合を引き起こす。この急速な混合のタイムスケールは、熱帯での湧昇や温帯での沈降のはるかに遅いタイムスケールよりもはるかに小さい。

北半球の冬には、成層圏で東風が発達する冬の約半分で、成層圏でのロスビー波の吸収によって引き起こされる急激な成層圏の温暖化が観測されます。これらの現象は異常な冬の天候に先立って起こることが多く^[17]、1960年代のヨーロッパの寒い冬の原因である可能性もあります。^[18]

極渦の成層圏温暖化は極渦の弱体化をもたらす。^[19]渦が強いときは、冷たい高圧の気団が北極に閉じ込められる。一方、渦が弱まると、気団が赤道方向に移動し、中緯度の天候が急激に変化する。

高層大気雷は、通常の雷や嵐の雲の高度よりはるかに高い高度で発生する、短命の電気破壊現象の一種です。高層大気雷は、電気的に誘導された発光プラズマの一種であると考えられています。対流圏から成層圏まで伸びる雷はブルージェットと呼ばれ、中間圏まで伸びる雷はレッドスプライトと呼ばれます。

細菌は成層圏で生存しており、生物圏の一部となっている。^[20] 2001年、高高度気球実験で高度41キロメートルで塵が収集され、後に研究室で検査したところ、細菌物質が含まれていることが判明した。^[21]

鳥類の中には対流圏の上層を飛ぶ種もいると報告されている。1973年11月29日、コートジボワールの11,278メートル（37,000フィート）上空で、ツメバゲリ（Gyps rueppelli ）がジェットエンジンに飲み込まれた。^[22]マガン（Anser indicus ）は、頂上が標高8,848メートル（29,029フィート）のエベレストを越えて渡ることがある。^{[23] [24]}

• ル・グラン・ソー
• ロッキード U-2
• オーバーシュートトップ
• オゾン層の破壊
• パリ砲（発射体は成層圏上部に到達した最初の人工物であった）
• ペルランプロジェクト
• プロジェクト エクセルシオール、1961 年から 2012 年までの最高ジャンプの世界記録
• レッドブル・ストラトス、2012-2014年の世界最高ジャンプ記録
• RQ-4 グローバルホーク
• サービス上限
• 上層大気の雷

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• 10 hPa レベルでの世界の風と気温の現在の地図。