%題名 地球概説  鉛直１次元構造  温度構造
%履歴 90/08/02 保坂征宏
%     90/09/04 保坂征宏
%     92/07/27 林祥介
%\Dchapter{地球大気の鉛直構造}
%
\documentstyle[a4j,12pt,ascmac,twoside,dennou,Depspic]{jarticle}
\Dtitle{地球現象論: 地球大気の鉛直構造}
     \Dauthor{地球流体電脳倶楽部}
     \Ddate[96/08/02]{1996 年 8 月 2 日}
     \Dpath{/riron/genshou/earth/entyoku/}

\begin{document}

%      \pagenumbering{roman}
      \maketitle
      \tableofcontents      
%      \clearpage
%      \pagenumbering{arabic}
\begin{abstract}
  ここでは, 地球大気の
  \begin{itemize}
  \item 温度
  \item 密度
  \end{itemize}
に関する鉛直１次元分布を示す.
\end{abstract}

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\section{温度分布}

図1 は, 
観測値とモデルから NASA が決定した米国標準大気（1976）
の温度分布である. 
全地球の代表的温度分布を表しているとみなされることが多い. 

\vspace{5mm}
この鉛直温度分布に基づいて, 
${\displaystyle \DP{T}{z} }$ の符号の変化するところを
境界面（圏界面と呼ばれる）
とするような４つの領域（圏と呼ばれる）に大気を分類することが多い. 


%図とキャプション


\begin{center}
\Depsf[110mm]{fig-prohibited/entyoku-1.ps}
\end{center}
\begin{description}
  \item 
  図1 \ 米国標準大気の鉛直１次元温度分布. 高度は 120km 以下である. 
  （理科年表, 1990）
\end{description}

\newpage


図2 は高度 100$\sim$500km における温度構造をあらわす. 


\begin{center}
\Depsf[80mm]{fig-prohibited/entyoku-2.ps}
\end{center}
\begin{description}
\item 図2 \ 
      高度100km以上の大気の平均温度. 
      温度構造は太陽活動度によって異なる. 
      それぞれ太陽活動度が, 
      a） 非常に弱い, b）並, c）非常に強い, 状態に対応する. 
      （Houghton (1986). 原図は COSPER (1972)）
\end{description}

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\section{密度分布}

図3 は
観測値とモデルから NASA が決定した米国標準大気（1976）
の密度分布である. 

高度が増すにつれて密度は指数関数的に減少することがわかる. 

%図とキャプション


\begin{center}
\Depsf[140mm]{fig-prohibited/entyoku-3.ps}
\end{center}

\begin{description}
  \item 
  図3 \ 米国標準大気の鉛直１次元密度分布. 高度は 1000km 以下である. 
  高度 120km の部分については, 
  高度 1000km で 1000 K である, という境界条件の元に解いている. 
  （理科年表, 1990）
\end{description}

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\section{組成分布（高度$\sim100$km）}

ここでは, 微量成分の組成の鉛直分布を示す. 

\vspace{5mm}
ただし, 組成の主要成分である
 $\mbox{N}_{2}$,  $\mbox{O}_{2}$ , Ar の鉛直分布は
高度約 100km まではほぼ一様であり, 
 `地球現象論 $\sim$ 地球に関する基本的な数字' 
 に示した大気全体の組成とほとんど変わらない. 
また, $\mbox{N}_{2}$ や $\mbox{O}_{2}$ では, 
総量が多いので, 大気全体の組成からのずれも感知できない. 

\vspace{5mm}
ここでは,  $\mbox{N}_{2}$ ,  $\mbox{O}_{2}$ , Ar よりも少ない
大気中の成分のうちのいくつかの鉛直分布を示す. 
図4 が高度 10km から 100km までの大気の微量成分の鉛直分布である. 
私が気がついたところとしては, 次のようなことが挙げられる. 
  \begin{itemize}
    \item 成分毎に鉛直分布の仕方が異なる. 
    \item  $\mbox{O}_{3}$ は, 
          数密度としては高度約 22km で最大だが, 
          質量比としては高度 35km 程度で
          最大である. 
    \item  $\mbox{H}_{2}$O は高度によらず
          質量比が一定であるように見える. 
          しかし, 大気全体では, 
             $\mbox{H}_{2}$O が占める質量比は $2 \times 10^{-3}$ 程度
            である\footnotemark[1]ことから
            対流圏とそれよりも高い高度では大きく異なることがわかる. 
              \footnotetext[1]{
              `地球現象論 $\sim$ 地球大気に関する基本的な数字' 参照. }
              
    \item C$\mbox{O}_{2}$ は高度によらず
          質量比が一定である\footnotemark[2]. 
             \footnotetext[2]{
               実際, 大気全体においても, 
                C$\mbox{O}_{2}$ が占める質量比は
               約 $5 \times 10^{-4}$ である. 
               これについては, 
              `地球現象論 $\sim$ 地球大気に関する基本的な数字' 参照. }
    \item 高度 100km 以上の領域では
          微量成分の中では, 酸素原子 O の占める割合が大きい. 
  \end{itemize}

% 図とキャプション

\newpage


\begin{center}
\Depsf[140mm]{fig-prohibited/entyoku-4.ps}
\end{center}
\begin{description}

  \item 
  図4 \ 高度 10km から 100km までの大気の微量成分の鉛直分布. 
  横軸は数密度（ 1cm$^3$ あたりの分子の数）をとっている. 
  図中の斜めの細い実線は, 全組成に対する質量比である. 
  Middle Atmosphere Program (1976) の一環として, 
  7 年間の飛行機, 気球, ロケット観測に基づき作られた. 
 （Ackerman, 1979） 

\end{description}

\newpage

\section{密度, 組成分布（高度 100$\sim$500km）}

図5 は高度 100$\sim$500km における大気の組成および密度を示している. 


\begin{center}
\Depsf[100mm]{fig-prohibited/entyoku-5.ps}
\end{center}
\begin{description}
  \item 図5 大気の平均状態に対する種々の成分及びその全体の数密度
            （Houghton, (1986). 原図はCOSPER, (1972)）
\end{description}

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\newpage
\section{Appendix \ \ 米国標準大気(1966)}

NASA が 1966 に決定した 
U. S. Standard Atmosphere Supplements 
について簡単に記しておく. 
これは高度 $0 \sim 1000$ km のモデル大気である. 

\begin{itemize}
  \item 高度 120km 以下については
        春秋, １月, ７月の３つの季節について, 
        それぞれ
        緯度 $15,30,45,60,75^{\circ} \mbox{N}$ 
        および中緯度（$30 \sim 60^{\circ} \mbox{N}$ をあらわす）
        のモデルがある. 
        高度 30 km まではゾンデの観測によるものを用いている. 
        それ以上の高度については（$8^{\circ}\mbox{S}$ における）
        ロケット観測のデータも使っている. 

  \item 高度 120 km 以上については春秋, 夏, 冬の 3つの季節について, 
        それぞれ 高度 1000km における温度\footnotemark[1]
        が 600K から 2100K のものまで
         16通りずつ, 合計 48 通りの表がある. 

          \footnotetext[1]{これがモデルを作る際の境界条件の一つ
                           となっている.}
\end{itemize}

普通米国標準大気として用いられるのは, 
季節は春秋, 緯度は中緯度のモデルである. 

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\section{参考文献}

\begin{description}
       
       \item Ackerman,M.,1979 :
            {\em In situ} measurement of middle atmosphere compiosition.
             {\em J. Atmos. Terres. Phys.},
             {\bf 41},
             723-733.

       \item Houghton,J.T., 1986 : 
             The Physics of Atmosphere 2nd edition. 
             Cambridge University Press, 
             271pp. 　　   　　　　   

       \item NASA, 1966 :
             U. S. Standard Atmosphere Supplements,1966.
             U. S. Government Printing Office, Washington,D.C.,
             289pp.
       
       \item 国立天文台編, 1990 : 
             理科年表. 
             丸善, 
             1032pp.
       
       \item 松野太郎, 島崎達生, 1981 : 
             大気科学講座3 成層圏と中間圏の大気. 
             東京大学出版会, 
             279pp.
       
\end{description}

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\vspace{2em}

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{\Large \bf 謝辞}
\vspace{1em}

本稿は 1989 年から 1993 年に東京大学地球惑星物理学科で行なわれていた,
流体理論セミナーでのセミナーノートがもとになっている.
原作版は保坂征宏による「地球現象論」 (90/9/4) であり,
林祥介によって地球流体電脳倶楽部版「地球現象論」
として書き直された.
構成とデバッグに協力してくれたセミナー参加者のすべてにも
感謝しなければならない.

\end{document}















