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気象学において、逆転層（または気温逆転）とは、暖かい空気の層が冷たい空気の層の上に重なる現象である。通常、気温は高度が上がるにつれて徐々に低下するが、逆転層ではこの関係が逆転する。[ 2 ]
逆転層は、スモッグなどの大気汚染物質を地表付近に閉じ込めます。また、逆転層は「キャップ」のように作用することで対流を抑制することもあります。このキャップが何らかの理由で破られると、あらゆる湿度の対流が激しい雷雨へと発展する可能性があります。気温逆転は、寒冷地では着氷性の雨を引き起こすことがあります。
通常、下層大気（対流圏）では、地表付近の空気は上空の空気よりも暖かい。これは主に、太陽放射によって地表が温められ、それが今度はその真上の大気層を温めるためである（例えば、熱伝達（対流熱伝達）による）。[ 3 ]また、高度が上がると空気の温度は低下する。これは、高度が高いほど気圧が低くなり、気圧が低いと温度が低くなるためであり、これは理想気体の法則と断熱減率に従う。
適切な条件下では、通常の垂直温度勾配が逆転し、地表付近の空気が冷たくなります。これは、例えば、暖かく密度の低い気団が、冷たく密度の高い気団の上を移動する際に発生します。この種の逆転層は、温暖前線付近や、米国カリフォルニア沿岸などの海洋湧昇域で発生します。冷たい層に十分な湿度があれば、逆転層の下部に霧が発生するのが一般的です。また、地表からの放射が太陽からの放射量を上回る場合にも逆転層が発生します。これは、夜間や、太陽が空の低い位置にある冬によく起こります。この現象は、海洋が熱をはるかに長く保持するため、事実上陸地域に限られます。極地では、冬の間、陸上にほぼ常に逆転層が存在します。その一例として、アラスカ州フェアバンクスでは、2025年12月に長期にわたる逆転層が発生し、同市史上8番目に寒い12月となりました。[ 4 ]フェアバンクスでは、ほぼ1か月間、気温が平年より20度以上低いままだった。[ 5 ] [ 6 ]
暖かい気団が冷たい気団の上を移動すると、冷たい気団に存在する可能性のある対流が「停止」することがあります。これは、キャッピング逆転層として知られています。しかし、このキャップが、キャップを越える極端な対流、または前線や山脈の上昇効果によって破られると、風船が破裂するように、閉じ込められていた対流エネルギーが突然放出され、激しい雷雨を引き起こすことがあります。このようなキャッピング逆転層は、通常、米国中西部で竜巻が発生する前に発生します。この場合、「冷たい」層はかなり暖かいですが、それでも密度が高く、通常はそれを覆う逆転層の下部よりも冷たくなっています。[ 7 ]
逆転層は、広範囲にわたって空気が徐々に下降し、断熱圧縮によって暖められる結果として上空に発生することがあり、通常は亜熱帯高気圧域に関連しています。[ 8 ]その結果、海洋上に安定した海洋層が形成されることがあります。しかし、この層が次第に暖かい海域を移動するにつれて、海洋層内の乱流によって逆転層が徐々に高い高度に持ち上げられ、最終的には逆転層を突き破って雷雨が発生し、適切な条件下では熱帯低気圧が発生することもあります。逆転層の下に蓄積されたスモッグや塵はすぐに空を赤く染め、晴れた日には容易に見ることができます。
気温逆転は、通常存在する大気対流をその地域で停止させ、大気汚染物質の高濃度化につながる可能性があります。都市は、農村地域よりも大気汚染物質の排出量が多く、熱容量も大きいため、気温逆転の影響を特に受けやすく、結果として汚染物質濃度が高くなる逆転現象がより頻繁に発生します。都市が丘や山に囲まれている場合は、それらが空気循環に対する追加の障壁となるため、その影響はさらに顕著になります。深刻な逆転現象が発生すると、閉じ込められた大気汚染物質が茶色の霞を形成し、呼吸器系の問題を引き起こす可能性があります。気温逆転は安定した大気成層を作り出し、地表付近の空気と上空の空気との垂直混合を阻害し、汚染物質が地表付近に蓄積することを可能にします。この影響は、地形が空気の流れをさらに制限し、地表付近に冷たい空気と汚染物質が滞留しやすい谷、盆地、または山に囲まれた地域でより顕著になることがよくあります。[ 9 ] 1952年にイギリスのロンドンで発生した大スモッグは、このような逆転現象の最も深刻な例の1つです。推定1万～1万2千人の死者が出たとされています。[ 10 ]
逆転層が十分に高い高度にある場合、積雲は凝結するものの、逆転層の下でしか広がることができません。これにより、地上に届く日光の量が減少し、新たな上昇気流の発生が抑制されます。雲が消散すると、曇り空は晴れ間へと変わり、このサイクルは1日に複数回繰り返されることがあります。
冬には、逆転層によって氷粒や着氷性の雨が発生することがあります。これらの現象はどちらも、上空の暖かい層で雪が溶けて地表近くの冷たい層に落下するときに起こります。地表近くの冷たい空気の層が十分に厚い場合、雨滴が再凍結して氷粒が発生します。層が薄い場合は、雨滴がすぐに落下するため凍結するのに十分な時間がなく、着氷性の雨が発生します。[ 11 ]
気温が上昇すると、空気の屈折率が低下します。これは、気温が高いほど空気の密度が低くなるという副次的な効果です。通常、この結果、遠くの物体は垂直方向に短く見え、日没時に太陽が楕円形に見えるときに容易に観察できます。逆転層では、この通常のパターンが反転し、遠くの物体は逆に引き伸ばされたり、地平線より上に見えたりします。これが蜃気楼（ファタ・モルガーナ）として知られる現象です。
逆転層は、いわゆる「グリーンフラッシュ」を増幅させる可能性がある。これは日の出や日没時に発生する現象で、通常は数秒間しか見えず、太陽の緑色の光が分散によって分離される。[ 12 ]波長の短い光が最も大きく屈折し、太陽光の青色成分は「レイリー散乱によって完全に散乱される」ため、緑色は太陽円盤の上縁から見える最初または最後の光となる。[ 13 ]
非常に高い周波数の電波は逆転層によって屈折するため、霧の夜には遠くからFMラジオを聞いたり、VHF低周波帯のテレビ放送を見たりすることが可能になります。通常であれば上空に屈折して宇宙空間に伝わる信号が、温度逆転境界層によって地球に向かって屈折します。この現象は対流圏ダクトと呼ばれます。秋と春の海岸線沿いでは、伝搬損失が減少するため複数の局が同時に存在するため、多くのFMラジオ局は深刻な信号劣化に悩まされ、受信が妨げられます。マイクロ波などのより高い周波数では、このような屈折によってマルチパス伝搬とフェージングが発生します。
逆転層が存在する場合、地表で音や爆発が発生すると、音波は温度勾配（音速に影響する）によって屈折し、地表に戻ります。そのため、音は通常よりもはるかに遠くまで伝わります。これは空港周辺地域で顕著で、離着陸する航空機の音は、他の時間帯よりも夜明け頃に遠くまで聞こえることが多く、逆転層雷は通常の落雷よりも著しく大きく、遠くまで伝わります。[ 14 ]
爆発による衝撃波は、空中爆発で地面から跳ね返るのとほぼ同じように逆転層で反射され、結果としてさらなる被害を引き起こす可能性がある。この現象により、ソ連のRDS-37核実験で建物が倒壊し、2人が死亡した。[ 15 ] [ 16 ]
Wiktionaryにおける温度逆転の辞書定義