地球大気の層の構造
地球の大気は地表に近いほうから，対流圏（～高度約11km）・成層圏（高度約11～50km）・中間圏（高度約50～80km）・熱圏（高度約80km～800km）と４つの層に分けられるのでした（その外の外気圏を含めれば５層）。そして天気などの気象現象のほとんどは地上11kmまでの対流圏で起こるのです。
さらにこれまで風について学んできて，地衡風・傾度風といった風は対流圏の中でも平均高度1km以上の上空で吹く風であることを勉強しました。一方地上付近に吹く風（地上風）は地表から高度約1kmまでの間で観測され，地表面との摩擦を考慮するんでしたね。
さて，復習はこれぐらいにしておきましょう。ここから本題。
今回は地表面との影響を受ける高度１kmまでの層（大気境界層）についてと，地表面の摩擦を無視できる高度１km以上の層（自由大気）について勉強していきます。
大気境界層の役割と乱流・乱渦
地表面からの影響を受ける高度約1kmまでの大気層のことを大気境界層と呼びます。地表面から何の影響を受けるかというと，地面からの摩擦や地表面の温度などです。
ただ，高度１kmというのはあくまで平均的な値であって（実際に境界が目で見えるほどハッキリしているわけではない），朝方の太陽光線による空気の対流があれば高度は高くなりますし，日没後の安定な大気層では高度は低くなります。また山がある場所ではその分大気境界層の厚みも増します。
すなわちまとめると，一日のうちでも大気境界層の厚みは時間帯によって，また場所によって大きく変化するのです。
ではこの大気境界層の役割は何なんでしょう。
それは熱や水蒸気，物質などを地表面から自由大気へと輸送すること。
例えば地表面付近にたまった熱を上空へ輸送することにより自由大気は安定した温度に保たれます。
特に，乱流や乱渦は地表面の起伏や不均一な地表温度によって発生し，この乱れによって，これがないときと比較してはるかに効率よく鉛直方向の熱・水蒸気輸送が可能となります。
もちろんこの大気境界層の輸送によって，大気汚染物質が効率よく拡散されてしまうということも起こり得ます。
下は都市汚染における乱流の影響を見た動画のようです。
大気汚染物質が拡散されてしまうのは悲しいことですが，この動画を見ているとビルなどの摩擦によって乱流がどのように発生するかが理解できます。
大気境界層の分類
大気境界層は大きく３つに分類されます。
最も下層にあり，地面と接しているのが接地層。そしてその上の対流混合層。最も上層にあるのが移行層。対流混合層と移行層の２つをまとめてエクマン境界層とも呼ぶようです*1。
接地層ですが，昼間温められた地面から大気の下層が温められ，その上に相対的に冷たい空気が存在するので絶対不安定な状態が続きます。
一方，対流混合層では大気は対流によって均一に混合されるため，温位や風速，混合比がほぼ一定になります（ただし凝結をしない未飽和空気の場合）。
自由大気
最後は自由大気ですが，この層は摩擦力を考慮する必要がなく，地衡風平衡がよい近似で成り立っています。
過去の勉強で見てきたとおり，地衡風や傾度風は気圧傾度・コリオリ力・遠心力などを考慮すればよかったんでしたね。
【まとめ】学習の要点
ということで，今回学習したところで重要そうなところをメモしておきます。
- 地表面の摩擦や温度の影響を受ける高度約１kmまでの層を大気境界層という。
- 地表面の摩擦を無視できる高度約１km以上の層を自由大気層という。
- 一日の中でも大気境界層の厚みは時間帯によって，また場所によって大きく変化する。
- 地表面の起伏や不均一な地表温度によって乱流や乱渦が発生し，熱や水蒸気，物質などが効率よく地表面から自由大気へと輸送される。
- （太陽放射を受け取っている昼間の）接地層では大気の下層が温められ，その上に相対的に冷たい空気が存在するので絶対不安定な状態となる。
- 対流混合層では大気は対流によって均一に混合されるため，温位や風速，混合比がほぼ一定になる。
参考図書・参考URL
下記のサイトから画像などを一部お借りいたしました。
- 『イラスト図解 よくわかる気象学』ナツメ社 p256-p261
- WTENK2-2_13380.pdf (metsoc.jp)
- 大気境界層の科学 (hokudai.ac.jp)
- 境界層, 乱流と汚染の広がり|大気物理学MFF英国の学科 (cuni.cz)
- 大気混合層の湿度変化 (kishoyohoshi.com)
- 自由大気 - Wikipedia
*1:接地層・摩擦層・移行層の３つと説明されることもある
