空気は一見、とても単純に思えます。私たちはそれを吸い込み、風として感じ、雲がその中を流れていくのを見ています。でも、地球の大気は意外と「レシピ」が偏っていて、その中身は高さによって変化します。
地表付近の乾いた空気は、およそ78.08％が窒素、20.95％が酸素で占められ、アルゴンが0.93％、二酸化炭素は約0.04％です。さらに、ごくわずかな量のほかの気体も含まれています。そこに加わるのが、水蒸気という“ワイルドカード”的な成分です。その量は大きく変動し、下層の寒冷な空気ではモル分率で約1000万分の10程度ですが、暑くて湿った空気塊では最大で約5％に達することもあります。
この混合比は重要です。大気は単なる気体の「毛布」ではありません。大気は多くの流星や太陽からの紫外線を遮り、昼夜の気温差を和らげ、温室効果によって地球を温かく保っています。また、大気の流れによって、熱と水分が地球全体に運ばれています。
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空気を構成するもの
地球大気の主要成分は、窒素、酸素、アルゴンの3つです。それ以外はすべて微量成分と呼ばれ、ごく少ない割合で存在する気体です。その中には、二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、オゾンなどの温室効果ガスも含まれます。
水蒸気は特に重要です。窒素や酸素と違って、その濃度は場所や時間によって劇的に変わります。質量で見れば、大気全体の平均ではおよそ0.25％程度ですが、下層大気では気温や湿度に応じて大きく変動します。これが、地域によって天気の体感が大きく違う理由の一つです。
空気にはエアロゾルや粒子状物質も含まれます。これは大気中に浮かぶ、ごく小さな固体や液体の粒子です。自然由来のものとしては、砂塵、花粉、胞子、海塩粒子、火山灰などがあります。工業活動にともなう汚染物質も、気体やエアロゾルとして存在し、硫黄化合物などさまざまな汚染成分が含まれます。
下層大気がよく混ざっている理由
大気の組成で興味深い点の一つは、主要な気体が重さごとにきれいな層を作ってすぐに分かれてしまうわけではない、ということです。直感的には、重い気体は沈み、軽い気体はその上に浮かびそうですが、実際の大気の大半はそのようには振る舞いません。
およそ高度100 kmまでは、大気の乱流によって気体はよく混ざり合っています。乱流とは、空気の中で起こる渦巻き状で複雑な動きのことです。飛行機が揺れる原因になったり、煙が予測不能な形でよじれながら広がったりするのも乱流です。大気中では、この乱流が気体をかき混ぜ、広い高度範囲にわたって各成分の割合をほぼ一定に保っています。
このようによく混ざった大気の領域を「均質圏（ホモスフィア）」と呼びます。均質圏では、分子量による違いよりも乱流による混合が優勢なため、化学組成は高度にあまり依存しません。ここには対流圏、成層圏、中間圏、そして熱圏の最下部が含まれます。
そのため、地上付近でも山の上でも、さらには気球で高く昇っても、空気が突然まったく別の種類の混合気体になることはありません。大気は常にかき混ぜられているのです。
成分の「より分け」が始まる中間領域
とはいえ、この混合はいつまでも続くわけではありません。およそ高度80〜120 kmにかけて、乱流による混合から分子拡散が支配的になる領域へと、徐々に移り変わる中間ゾーンがあります。
分子拡散とは、分子が自分自身の熱運動によってゆっくりと広がっていく現象です。乱流のように空気のかたまりを一気にかき混ぜるのではなく、一つひとつの分子レベルで進みます。乱流が十分に弱まると、この拡散によって分子量の違いに応じて気体が分かれ始めるようになります。
この変化は、大気の振る舞いが大きく異なる領域への入口を意味します。そこでは、もはや激しくかき混ぜられることなく、気体はより層状の状態になります。重い気体は比較的下側にとどまり、軽い気体ほど高い高度で優勢になっていきます。
不均質圏（ヘテロスフィア）の世界へ
よく混ざり合った均質圏の上には「不均質圏（ヘテロスフィア）」が広がります。ここは高度によって化学組成が変化する、大気の上層部です。
この領域では、粒子同士が衝突せずに長い距離を飛ぶことができます。衝突がまれになると、大気はもはや十分にはかき混ざらず、すべての気体が均一に分布しなくなります。その結果、気体は分子量に応じて自分自身を「より分ける」ようになります。
酸素や窒素といった重めの気体は、不均質圏の下側に多く存在します。さらに高く上がるにつれて、より軽い気体が支配的になります。不均質圏の最上部は、最も軽い元素である水素がほぼ全体を占めるようになります。
これは地球大気でもとくに奇妙な変化の一つです。私たちが日常で慣れ親しんでいる「空気」は、高度が増すにつれて徐々に姿を変え、地表付近とはまったく違う、極端な高層環境へと移り変わっていきます。
この変化が起こるのは大気のどの層か
地球大気は、気温の高度変化に基づいて、一般に対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、外気圏の5つの主な層に分けられます。
最下層の対流圏は、地表から平均約12 kmまで広がっています。ここには大気全質量のおよそ80％が含まれ、ほとんどすべての水蒸気と、大部分の気象現象が存在します。
その上にある成層圏は、およそ12 kmから約50 kmまで広がっています。ここには他の高度に比べてオゾン濃度の高いオゾン層があります。
中間圏は約50 kmから80〜85 kmまで続き、その上に熱圏が広がります。熱圏は太陽活動に応じて、およそ500〜1000 km付近まで達します。最外層の外気圏は熱圏の上に始まり、徐々に宇宙空間へと移り変わっていきます。
気体がよく混ざった状態から、分子量に応じた成分分離が始まるのは、中間圏の上部から熱圏の下部にかけてであり、高度が上がるほどその傾向が強まります。
上層大気がまったく違う振る舞いをする理由
下層大気では、空気が十分に濃く、分子同士の衝突が頻繁に起こります。一方、上層大気では空気は極めて薄くなります。高度が上がるにつれて密度と気圧は下がっていき、大気が突然終わって宇宙空間になるような、はっきりとした境界線はありません。
外気圏ともなると、原子や分子の間隔は非常に広くなり、衝突せずに数百キロメートルも移動できるようになります。この領域では、大気はもはや通常の気体のようには振る舞いません。粒子は弾道軌道を描いて飛び、場合によっては地球の重力圏から逃げ出して宇宙空間へと飛び去ることもあります。
この“希薄化”こそが、高高度で軽い気体が優勢になる理由の一つです。粒子同士がまばらで衝突がほとんどない領域では、混合があまり起こらないため、組成を均一に保つ仕組みが働きにくくなるのです。
大気をにぎやかにしている「例外」水蒸気
このエピソードの主役は主成分ガスですが、大気の組成をより動的なものにしている水蒸気にも目を向ける価値があります。
窒素や酸素と違い、水蒸気のほとんどは対流圏に集中しています。大気中の水分のほぼすべてがそこにあり、そのおよそ90％は対流圏の下部にたまっています。高度が上がると気温が低くなり、大気が保持できる水分量は減るため、より高くて寒い場所ほど水蒸気は少なくなります。
そのため、水蒸気は寒冷な空気ではごくわずかな量にとどまる一方、暑く湿った条件では数パーセントまで増えることがあります。これこそが、天気が主に下層大気に集中する理由でもあります。
驚くほど薄いのに、中身は濃い大気
地球の大気は高くまで広がっていますが、その質量のほとんどは地表付近のごく薄い層に集中しています。全質量の約4分の3は地表から約11 km以内にあり、半分は5.6 kmより下、90％は16 kmより下、99.99997％は100 kmより下にあります。
つまり、人間がよく知っている大気とは、巨大なシステムのごく薄い「底の一枚」にすぎません。その上ではルールが徐々に変わっていきます。乱流は弱まり、拡散が支配的になり、重い気体は少なくなり、軽い気体が優勢になります。
大気は一様な空気の殻ではなく、層構造をもった動的なシステムなのです。地表付近では気体がよく混ざり合った領域が続き、そのはるか上空では、分子量によって自らを「より分ける」領域が広がっています。
まとめ
地球の大気は主に窒素と酸素から成り立っていますが、そのシンプルな事実の裏には興味深い仕組みが隠れています。およそ高度100 kmまでは乱流が主要な気体をかき混ぜ、空気の組成をほぼ一様に保っています。ところが、その上の不均質圏へ移るにつれて、分子拡散が働き、気体は分子量に応じて分離し始めます。
その結果、地球はまず、人間が呼吸できるよくかき混ぜられた空気の層に包まれ、そのさらに上には、より軽い気体が徐々に主役となり、最上層では水素が支配的になる“異世界のような”上層大気が続いているのです。
身近な「空気」も、高度を追っていけば、じつは驚きに満ちた存在であることを思い出させてくれます。
