圏界面

対流圏界面は、地球の大気の5つの層のうち最も下の2つである成層圏から対流圏を区切る大気の境界です。対流圏界面は、対流圏の終わりを示す熱力学的勾配成層層で、赤道地域では約17キロメートル（11マイル）、極地域では約9キロメートル（5.6マイル）上にあります。

地球の惑星表面から上昇する対流圏界面は、高度が上昇するにつれて空気が冷たくなりなくなり、水蒸気がなくなり乾燥する大気レベルです。対流圏界面は、下の対流圏と上の成層圏を区切る境界であり、対流圏の正の減少率から成層圏の負の減少率へと気温の環境減率(ELR) が急激に変化する大気の一部です。対流圏界面は、そのレベルと 2.0 km 以内の他のすべてのより高いレベルとの間の平均減率が 2°C/km を超えないことを条件として、減率が 2°C/km 以下に減少する最低レベルとして定義されます。^[1]対流圏界面は、高度の関数としての温度が大気全体で連続的に変化するが、温度勾配は不連続である一次不連続面です。^[2]

対流圏は地球の大気の最下層で、惑星境界層から始まり、ほとんどの気象現象が発生する層です。対流圏には境界層が含まれており、高度は両極で平均9 km (5.6 mi; 30,000 フィート)、赤道で17 km (11 mi; 56,000 フィート) にわたります。 [ ^{3] [4]}逆転層がなく、湿気を考慮しない場合、この層の温度減率は、米国標準大気によると平均 6.5 °C/km です。^[5]対流圏と成層圏の減率を測定すると、成層圏界面の位置を特定するのに役立ちます。成層圏では高度とともに温度が上昇し、減率が負になるためです。対流圏界面の位置は、減率が所定の閾値を下回る最低地点と一致する。

圏界面はその下にある層全体の平均温度に反応するため、赤道上で最高高度となり、両極上で最低高度となります。このため、大気の最も冷たい層は赤道上空約 17 km にあります。開始高度の変動により、圏界面の両極は赤道圏界面と極圏界面と呼ばれます。

成層圏‐対流圏交換の研究で対流圏界面を考慮する場合、減率は保守的な量ではないため、動的対流圏界面と呼ばれる別の定義が存在します。^{[6]これは、}潜在的渦度を利用して形成されます。潜在的渦度 は、等エントロピー 密度（すなわち、鉛直座標として潜在温度を使用して測定可能な密度）と絶対渦度の積として定義されますが、この量は対流圏と成層圏でまったく異なる値になります。^[7]定義変数として垂直温度勾配を使用する代わりに、動的対流圏界面表面は潜在的渦度単位（PVU、1 PVU = 10 ^-6  K m ²  kg ^-1  s ^{-1 [8]}）で表されます。絶対渦度は北半球では正で南半球では負であるため、閾値は赤道の北では正、南では負と見なす必要があります。^[9]理論的には、このようにして地球全体の対流圏界面を定義するには、正と負の閾値から生じる2つの表面を、定温位面などの別の種類の表面を使用して赤道付近で一致させる必要があります。しかし、等エントロピーがほぼ垂直であるため、赤道緯度では動的対流圏界面は役に立ちません。^[8]北半球の温帯対流圏界面については、 WMOは1.6 PVU、 ^{[8] : 152}という値を確立しましたが、伝統的には2〜3.5 PVUの範囲のより大きな値が使用されてきました。^[10]

化学組成の観点から対流圏界面を定義することも可能である。^[11]例えば、下層成層圏は上層成層圏よりもオゾン濃度がはるかに高いが、水蒸気濃度ははるかに低いため、適切な境界を定義することができる。

1949年、アラン・ウェスト・ブリューワーは、対流圏の空気が対流圏界面を通過して赤道付近の成層圏に入り、その後成層圏を通って温帯および極地に移動し、そこで対流圏に沈むと提唱した。 ^[12] これは現在ブリューワー・ドブソン循環として知られている。気体は主に熱帯地方の対流圏界面を通過して成層圏に入るため、対流圏界面が最も冷たいため、成層圏に入る空気から水蒸気が凝縮される。この「熱帯対流圏界面層コールドトラップ」理論は広く受け入れられている。 ^[13] このコールドトラップにより、成層圏の水蒸気は3～4 ppmに制限される。 ^[14]ハーバード大学 の研究者は、地球温暖化が空気循環パターンに与える影響により、熱帯対流圏界面層コールドトラップが弱まると 示唆している。 ^[15]

コールドトラップを通過できる水蒸気は、最終的に成層圏の上部まで上昇し、そこで光分解して酸素と水素、または水酸化物イオンと水素になります。 ^{[16] [17]} この水素はその後、大気圏外に逃げることができます。したがって、ある意味では、熱帯対流圏界面のコールドトラップは、地球が宇宙に水を失うのを防いでいるものです。 ジェームズ・カスティングは、10億年から20億年後に太陽の光度が増すにつれて、地球の温度が十分に上昇してコールドトラップが機能しなくなり、地球が乾燥すると予測しています。^[18]

対流圏界面は固定された境界ではありません。例えば、特に熱帯起源の激しい雷雨は、下部成層圏にオーバーシュートし、短時間（1時間以内）の低周波垂直 振動を起こします。^[19]このような振動は、その地域の大気と海洋の両方の流れに影響を与える低周波大気重力波をもたらします。^[要出典]

ほとんどの民間航空機は、巡航飛行中は対流圏界面のすぐ上の下層成層圏を飛行します。この領域では、対流圏特有の雲や大きな気象変動は通常発生しません。^[20]

• ジェット気流
• 最大区画レベル

• アンドリュース、DG; ホルトン、JR; レオヴィ、CB (1987)。R.、ドモフスカ; ホルトン、JR (編)。中層大気のダイナミクス。アカデミック プレス。p. 371。ISBN 978-0-12-058576-2。
• Panchev, Stoǐcho (1985) [1981].動的気象学. D. Reidel Publishing Company . ISBN 978-90-277-1744-3。
• ペティ、グラント W. (2008)。『大気熱力学入門』マディソン、ウィスコンシン州：サンドッグ出版。ISBN 978-0-9729033-2-5。

• 対流圏界面の高さ