地球の大気とは｜定義と成分・構造・役割をわかりやすく解説

大気は地球の周りにある気体の層で、地球の重力に支えられています。その質量の大部分は地表付近に集中しており、平均的な海面気圧は約1013 hPa（ヘクトパスカル）です。

大気の成分

大気の主な成分は、窒素(約78.1%)、酸素（約20.9%）で、これらが大部分を占めます。そのほかに、アルゴン（約0.93%）や微量の二酸化炭素（現在は約0.04%（約410 ppm）前後で季節・年により変動します）、水蒸気などが含まれます。水蒸気は場所や季節によって大きく変動し、乾燥した場所ではほとんど含まれないこともあれば、湿った空気塊では数％に達することもあります。

また、オゾン（O3）や一酸化炭素、メタン、希ガスなどの微量成分、そして人為起源・自然起源のエアロゾル（例：灰、塵、火山灰などの固体微粒子は、大気中の重要な構成要素です）も存在し、放射や化学反応、雲生成に影響を与えます。

大気の構造（層）

大気は高度によって性質が変わり、一般にいくつかの層に分けられます（高さは目安）。

対流圏（地表から約11 kmまで）：気象現象（雲、雨、風）が発生する層で、温度は高度とともに低下します。大気質量のおよそ75%がこの層に集中しています（地表から11km以内に約75%）。
成層圏（約11 km〜50 km）：高度が上がるにつれて温度が上昇する層で、オゾン層があり、太陽からの有害な紫外線を吸収します。
中間圏（約50 km〜85 km）：再び温度が低下する層で、流星が燃え尽きやすい領域です。
熱圏（電離圏を含む）（約85 km〜数百km）：太陽放射により温度が非常に高くなり、電子やイオンが多く存在します。通信への影響も生じます。
外気圏（エクソスフィア）（さらに上空）：大気が非常に希薄になり、宇宙空間へと連続的に移行していきます。

大気圏と宇宙空間の間には明確な境界線はありませんが、慣例的に高度100 km付近のカルマン線が「宇宙の始まり」として扱われることが多いです。密度は高度とともに指数関数的に減少し、厳密な「終わり」は存在しません。

大気の役割と人間生活への影響

大気は以下のような重要な役割を果たしています。

生命の維持：酸素（は動植物の呼吸に不可欠であり、生命を支える基盤となっています。
放射の調節と保護：大気中の成分やオゾンは太陽から来る有害な紫外線を吸収し、地表の生物を保護します。また、温室効果により夜間の急激な冷却を防ぎ、日中は極端な温度上昇を和らげ、夜は冷え込みを軽減します。
気候と天気：対流や水蒸気の循環により天候が生まれ、降水や風、気温分布を決定します。
物質循環：二酸化炭素や水蒸気、窒素化合物などは地球上の炭素・水・窒素循環の重要な媒体です。
音や飛行の伝達：音は大気を媒体として伝わり、航空機は大気の密度や風の影響を受けます。人工衛星や再突入体は大気との摩擦（空気抵抗）を受けます。

一方で、人間活動により大気組成が変化しつつあり、温室効果ガスの増加や大気汚染（エアロゾルや有害ガスの増加）、オゾン層の変動は気候変動や健康被害を引き起こす原因となっています。

補足（観測と境界）

地上から上空へ行くほど大気は希薄になりますが、どこで完全に「終わる」かは定義次第です。慣習的な境界であるカルマン線（高度約100 km）は航空技術と宇宙技術の便宜的な区切りであり、実際には大気はゆっくりと薄まっていきます。大気の詳細な挙動は高度、緯度、季節、太陽活動など多くの要因で変化します。

このように、大気は成分・構造・物理的性質の組み合わせによって地球環境を支え、私たちの暮らしと生態系に不可欠な役割を果たしています。

地球大気の歴史

もともと地球の大気には遊離酸素がほとんどありませんでした。最初の大気は太陽系星雲の中のガス、主に水素で構成されていた。現在のガス惑星（木星や土星）に見られるような単純な水素化物、例えば水蒸気、メタン、アンモニアなどがあったかもしれません。大気は徐々にほとんどが二酸化炭素と窒素に変わっていきました。水素やヘリウムのような軽いガスは、地球の重力に耐えられず、逃げてしまいます。長い間（20億年以上と言われています）、大気は二酸化炭素に支配されていました。

大規模な酸素化イベントでは、大気は、酸素が二酸化炭素に取って代わり、現在のような状態に変化しました。今でも大気の大部分は窒素ですが、ほとんどの生物は窒素よりも酸素との相互作用の方が強いのです。酸素化は、シアノバクテリアが光合成によって遊離酸素を作ることから始まりました。今日、ほとんどの生物は呼吸に酸素を必要としていますが、酸素なしで成長できる嫌気性生物はごくわずかです。

温度と大気層

大気中には、高さによって暑くなる部分と寒くなる部分があります。何かがまっすぐ上に登っていくと寒くなりますが、高くなるにつれて暑くなっていきます。このような温度の変化を層に分けています。これは玉ねぎの層のようなものです。層の違いは、温度の変化の仕方です。

地面から始まる大気の層です。

対流圏 - 地上から始まる。0から18キロ（0から11マイル）の間のどこかで終了します。高ければ高いほど寒くなる。この層の天気は、私たちの日常生活に影響を与えます。
成層圏 - スタート地点は18キロ（11マイル）。終点は50キロ（31マイル）。高ければ高いほど高温になります。熱は成層圏の最上部にあるオゾン層から来ています。この層には水蒸気などはほとんどありません。この層は通常安定しており、空気抵抗が少ないため、飛行機はこの層で飛行します。
中間圏-開始地点は50km（31マイル）。80または85キロ（50または53マイル）で終了します。高いほど寒くなります。この層の風は強いので、温度は安定していません。
熱圏-始点は80または85キロメートル（50または53マイル）。終点は640キロ（400マイル）以上。高いほど高温になります。この層は、電波を反射するのに役立つので、無線通信において非常に重要です。
外圏 - 熱圏の上。これは最上層であり、惑星間空間に合流する。

一つの層が次の層に変化する場所は "対流圏"と呼ばれていますつまり、対流圏の終点（高さ7～14km（4.3～8.7マイル））が対流圏の終点となります。成層圏の末端にあるのが成層圏です。中層大気は中層圏の末端にあります。これらを境界線と呼ぶ。

地球表面の大気の平均温度は14℃（57°F）です。

圧力

大気には圧力があります。これは、空気が気体であるにもかかわらず、重さがあるからです。海面の平均気圧は約101.4キロパスカル（14.71psi）です。

密度と質量

海抜での空気の密度は、1立方メートルあたり約1.2キログラムです。この密度は、高度が高くなるほど圧力が低くなるのと同じ割合で低くなります。大気の総質量は約5.1×¹⁰¹⁸kgで、地球の総質量のごく一部にすぎません。

質問と回答

Q:太陽は何からできているのですか?

A:太陽は、水素と少量のヘリウムからできています。

Q:惑星とその衛星を構成する物質はどこから来たのですか?

A:惑星や衛星を構成する物質は、それ以前の超新星爆発によってもたらされました。

Q:大気はどのように地球上の生命を守っているのでしょうか?

A:太陽からの紫外線を吸収し、昼は涼しく、夜は暖かくすることで、地球の生命を守っています。

Q:大気と関係する固体微粒子とは何ですか?

A:灰や塵、火山灰などの固体微粒子は、雲や霧を作るのに重要な役割を果たす大気の小さな部品です。

Q:大気圏と宇宙空間の境界ははっきりしているのですか?

A: 大気と宇宙空間の間に明確な境界線はありませんが、クーラン線が境界線として扱われることがあります。さらに言えば、磁気圏の端が境界線として扱われることもある。

Q:地球の大気は、地表から11km以内にどれだけあるか?

A:地球の大気の75%は、地表から11km以内にあります。

Q: 地球上の生命はいつ始まったと考えられていますか?

A: 地球の生命は、初期の地球が衝突して月が形成された後に始まったと考えられています。