高1 ／ 地学基礎 ／ eb-05

更新 2026-09-12

大気の構造と熱収支

この単元でできるようになること

• 大気の組成（N₂ 78%・O₂ 21%・Ar 0.9%・CO₂ 0.04%）と、気圧（1 気圧 ＝ 1013 hPa、高度とともに減少）を説明できる
• 大気の4 層構造（対流圏・成層圏・中間圏・熱圏）を、気温の変化と特徴（対流・オゾン層・オーロラ）で言える
• 太陽放射（可視光線が中心）と地球放射（赤外線）、太陽定数（約 1.37 kW/m²）を説明できる
• 地球の熱収支（反射・吸収・放射のバランス、温室効果のしくみ）を説明できる
• 高度と気温（気温減率 約 6.5 ℃/km）、緯度による熱の過不足を計算・説明できる

入試での位置づけ

大気の構造は「4 層の気温変化のグラフ」と「成層圏でオゾンが紫外線を吸収して気温が上がる」が定番。熱収支は「太陽放射は可視光線、地球放射は赤外線」「温室効果ガスは赤外線を吸収して再放射」を図で説明できるかが問われます。太陽定数と地球が受け取るエネルギー（πR² × 太陽定数）の計算も出ます。

1. 大気の組成と気圧

まずここだけ

乾燥空気の組成（体積 %）：窒素 N₂ 78%、酸素 O₂ 21%、アルゴン Ar 0.9%、二酸化炭素 CO₂ 0.04%（約 420 ppm、増加中） 水蒸気は場所・時間で変わる（0〜4%）ので別に扱う。約 80 km までは組成がほぼ一定。

気圧：その上にある空気の重さ。1 気圧 ＝ 1013 hPa ＝ 1.013 × 10⁵ Pa。

• 高度が上がると急に減る（約 5.5 km で半分、16 km で 1/10）
• 大気の質量の約 8 割は対流圏（〜11 km）にある

2. 大気の層構造

まずここだけ

気温の変化で 4 つに分ける。境界を「〜界面」という。

グラフ：気温は 下がる → 上がる → 下がる → 上がる のジグザグ。境界で折れ曲がる。

3. 太陽放射と地球放射

まずここだけ

• 太陽放射：太陽表面（約 5800 K）からの電磁波。エネルギーの大部分は可視光線（一部紫外線・赤外線）
• 太陽定数：地球の大気の上端で太陽に垂直な 1 m² が 1 秒に受けるエネルギー ＝ 約 1.37 kW/m²（1.37 × 10³ W/m²）
• 地球全体が受け取るエネルギー ＝ 太陽定数 × πR²（断面積）。地表全体（4πR²）で平均すると 1/4 ＝ 約 340 W/m²
• 地球放射：地表（約 288 K ＝ 15 ℃）からの放射は赤外線。温度が低いほど波長の長い電磁波を出す

4. 地球の熱収支と温室効果

ここまでできれば十分

太陽放射を 100 とすると（おおよそ）：

• 約 30 が反射（雲・大気で 20、地表で 10）→ 宇宙へ。この割合がアルベド（反射率）約 0.3
• 約 20 が大気（水蒸気・オゾン・雲）に吸収
• 約 50 が地表に吸収

地表は受け取った分を赤外線の放射・潜熱（蒸発）・顕熱（伝導・対流）で大気に渡し、大気は宇宙へ赤外線を放射。入る量 ＝ 出る量でつり合い、平均気温は一定。

温室効果：

1. 地表からの赤外線を、温室効果ガス（水蒸気・CO₂・メタン・オゾンなど）が吸収
2. 大気が暖まり、地表へも赤外線を再放射
3. 地表は太陽放射 ＋ 大気からの放射を受けるので暖かい

• 温室効果がなければ地球の平均気温は約 −18 ℃、実際は約 15 ℃（差 33 ℃）
• 温室効果自体は必要。人為的な CO₂ 増加による強化が地球温暖化の問題（eb-09）

緯度による熱の過不足：低緯度は受け取る太陽放射 ＞ 放射（余る）、高緯度は逆（足りない）。この差を大気と海洋の循環が運んで埋める（eb-06）。

5. 高度と気温の計算

ここまでできれば十分

対流圏では 気温減率 約 6.5 ℃/km（100 m で 0.65 ℃）。

地上 20 ℃、高度 3,000 m の気温：20 − 6.5 × 3 ＝ 0.5 ℃ 富士山頂（3,776 m）は平地より約 24 ℃ 低い

（雲ができるときは水蒸気の凝結熱で減率が小さくなる：乾燥断熱減率 1 ℃/100 m、湿潤断熱減率 約 0.5 ℃/100 m。フェーン現象はこの差で山を越えた風が暖かく乾く。）

6. よくある間違い

• 大気の 2 番目に多い気体を CO₂ とする（O₂。CO₂ は 0.04%）
• 成層圏で気温が上がる理由を「太陽に近いから」とする（オゾンが紫外線を吸収）
• 中間圏と熱圏を逆にする（中間圏で最低温、熱圏で上昇）
• 地球放射を可視光線とする（赤外線）
• 温室効果ガスが「太陽光を吸収」と書く（地表からの赤外線を吸収）
• 地球全体が受ける太陽エネルギーを 4πR² × 太陽定数とする（断面積 πR²）
• 「温室効果は悪いもの」と書く（なければ −18 ℃。問題は強まりすぎ）

7. 自己チェック

1. 大気の組成 4 つの % を言えるか
2. 4 層の名前・高度・気温の変化・特徴を言えるか
3. 成層圏で気温が上がる理由を言えるか
4. 太陽放射（可視光）と地球放射（赤外線）を区別できるか
5. 太陽定数と πR²、平均 340 W/m² を言えるか
6. 温室効果のしくみを 3 段階で言えるか
7. 気温減率で高度の気温を計算できるか

8. 小テストへ

→ 小テスト（eb-05）

関連する単元

• 前提：s2-09 気象（中学）、pb-07 熱、pb-08 波（電磁波）
• 次に進む：eb-06 大気と海洋の運動、eb-09 地球環境（温暖化）
• ここで使う考え方が出てくる：bb-08 バイオーム（気温）

参考資料

• 文部科学省『高等学校学習指導要領（平成30年告示）解説 理科編 理数編』── 「地学基礎」(3) ア 地球の熱収支、大気の構造
• 気象庁「二酸化炭素濃度の経年変化」（https://www.data.jma.go.jp/ghg/）

受験のしらべ ／ https://juken-shirabe.pages.dev/daigaku/science/eb-05/ ／ 更新 2026-09-12

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