Stratosphere

Japanese: 成層圏 - せいそうけん（英語表記）stratosphere

A division of the atmosphere that is located above the troposphere and below the mesosphere. The altitude of the tropopause (also called the tropopause), the lower end of the stratosphere, is around 10 kilometers at high latitudes and about 17 kilometers in the tropics. The standard atmosphere, which is representative of mid-latitudes, is 11 kilometers. The altitude of the stratopause, the upper end of the stratosphere, is 48 kilometers.

At mid- and high-latitudes, the temperature remains almost constant (-50 to -60 °C) up to about 20 km altitude, and above that the temperature increases with height, reaching a maximum at the stratopause, where it is about 0 °C. At low latitudes, the temperature begins to rise once the tropopause, which is about -70 °C, is crossed.

This type of temperature structure is similar to the inversion layers sometimes seen near the earth's surface; it is stable against any vertical movement and convection never occurs. The existence of such a layer above the troposphere was discovered by balloon observations in the early 20th century. Immediately after its discovery, the atmosphere in the stratosphere was extremely quiet, and it was hypothesized that the various gaseous components of air were separated by differences in specific gravity and formed layers in order of weight, hence the name stratosphere. In reality, such separation of components by weight does not occur, but because mixing between the top and bottom is not strong, a layered structure like the ozone layer and aerosol layer is likely to form.

The stratosphere contains an ozone layer. It is formed through a series of reactions that begin with the photodissociation of oxygen by ultraviolet rays in solar radiation, and reaches its maximum concentration at an altitude of 15 to 25 kilometers. This ozone layer absorbs ultraviolet rays that are harmful to living things. The absorbed ultraviolet rays also become heat, creating high temperatures at the stratopause, driving the general circulation of the stratosphere.

The stratosphere is in a state of radiative equilibrium. In other words, a constant temperature is maintained by a balance between the absorption of solar radiation and the absorption and emission of thermal radiation. In the lower stratosphere, a balance is maintained between the absorption of thermal radiation emitted by the Earth's surface and the tropospheric atmosphere and the loss of thermal radiation from the stratospheric atmosphere itself, while in the upper stratosphere, a balance is maintained between the absorption of solar ultraviolet radiation and thermal radiation.

[Taro Matsuno]

Depletion of the stratospheric ozone layer

Ozone _O3 is produced in the stratosphere through a series of reactions that begin with the photodissociation of oxygen by ultraviolet light, and at the same time, there are also reactions that destroy ozone, so a certain concentration is maintained where the two are in balance. However, since the 1970s, the artificial substance fluorocarbons (a compound of chlorine, fluorine, and carbon used in refrigeration coolants, sprays, etc.) have accumulated in the atmosphere and their concentration has increased, and they have released chlorine when exposed to strong ultraviolet light in the upper stratosphere, which has caused the decomposition reaction of ozone to accelerate, resulting in the decrease of ozone. What was theoretically predicted in 1974 appeared in 1985 as the Antarctic ozone hole, raising concerns about the increase in harmful ultraviolet light. Following warnings from researchers around the world, the Montreal Protocol was created in 1987 to regulate the production of fluorocarbons, and in the 1990s it was decided to completely ban production. Since then, ozone destruction reached its maximum at the end of the 1990s, and has since plateaued and is slowly recovering.

[Taro Matsuno]

Stratospheric fluctuations

Since the stratosphere is in a state of radiative equilibrium, the temperature of the stratosphere (especially the upper part) is high in summer when there is a lot of solar radiation and low in winter. The daily accumulated solar radiation is highest in summer at the poles where the sun does not set, so the latitudinal distribution of temperatures above 20 kilometers is highest at the poles in summer, lowers toward the equator, and is lowest at the poles in the winter hemisphere. Corresponding to such large seasonal changes in temperature, the general circulation of the atmosphere (atmospheric circulation) also shows significant changes. That is, easterly winds prevail over the entire hemisphere in summer, but westerly winds prevail over the entire hemisphere in winter. The polar regions, which receive no solar radiation, become extremely cold, and strong westerly polar night jets blow along their periphery (around latitude 60 degrees).

The stratosphere does not have phenomena like extratropical cyclones, fronts, or typhoons seen in the troposphere. However, there are planetary waves, which are high and low pressure systems on a global scale and are much larger than these. They are caused by the thermal effect of the temperature difference between the continents and the oceans, and by the effect of obstacles such as the Tibetan massif and the Rocky Mountains, which propagate upward in the troposphere. Planetary waves are a winter phenomenon that only propagates in westerly winds. Because of the planetary waves, the westerly winds meander and fluctuate over time. There is often high pressure over the Aleutian Islands, and in the stratosphere over Japan, located on the southwestern edge of the islands, easterly winds often blow locally. In the summer, there are few disturbances, and stable easterly winds blow.

In winter, there is a phenomenon in high latitudes where the temperature rises by 40K (Kelvin) in a week, and this phenomenon is called sudden stratospheric warming. The temperature in the polar regions exceeds the highest temperature in summer. The phenomenon is caused by the temporary strengthening of planetary waves, which destroys the winter general circulation. During the warming, the high latitudes become hotter than the equator, even though it is winter, and the polar night jet (westerly wind) disappears, causing easterly winds to blow temporarily. Since the cause is planetary waves, sudden warming does not occur in the Southern Hemisphere, where the continent-ocean distribution and large-scale mountain ranges that create them are not as prominent.

In the equatorial stratosphere, westerly and easterly winds alternate roughly every other year at an altitude of about 40 kilometers above the tropopause, a phenomenon known as the quasi-biennial oscillation. This phenomenon occurs because waves propagating from the troposphere transport momentum.

[Taro Matsuno]

The stratosphere in the ocean

Based on the concepts of the troposphere and stratosphere in the atmosphere, in 1928 the Austrian Defant pointed out that these two spheres also exist in the ocean. In the ocean, the stratosphere refers to the cold hydrosphere that includes the intermediate water, deep water and bottom water, which are highly stratified in density. The depth at which the stratosphere begins varies depending on the season and ocean area, but is generally several hundred meters. In the ocean stratosphere, there are no strong currents caused by winds such as the Kuroshio Current, but water masses are formed when uniform water slowly spreads and remains horizontally and vertically. Nowadays, this term is rarely used in oceanography.

[Masao Hanzawa and Taro Matsuno]

"Atmospheric Science Lectures 3: The Stratosphere and Mesosphere" by Matsuno Taro and Shimazaki Tatsuo (1981, University of Tokyo Press) " "Stratospheric Ozone" by Shimazaki Tatsuo (1989, University of Tokyo Press) " "Stratospheric Ozone Protects Living Things" by Sekiguchi Michio (2001, Seizando Shoten)

Meridional distribution of temperature and zonal wind speed in the stratosphere
The left shows the summer conditions, and the right shows the winter conditions. Blue indicates wind speed, and red indicates temperature (units: K). At altitudes below 20 km, both poles are cold and the equatorial region is hot regardless of the season, but above that, the summer pole is the highest and the winter pole is the lowest. E is the center of easterly winds, and W is the center of westerly winds, and negative wind speeds indicate easterly winds. ©Shogakukan ">

Stratospheric temperature and zonal wind speed meridional cross section…

The stratosphere in the ocean
©Shogakukan ">

The stratosphere in the ocean

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

大気の区分の一つで、対流圏の上で中間圏の下に位置する部分をいう。成層圏の下端である対流圏界面（単に圏界面ともいう）の高度は、高緯度地方では10キロメートル前後、熱帯では約17キロメートルである。中緯度の代表である標準大気では11キロメートルとなっている。成層圏の上端である成層圏界面の高度は48キロメートルである。

　中・高緯度では、高度20キロメートルあたりまで気温はほぼ一定（零下50ないし60℃）で、それより上では高さとともに気温は上がり、成層圏界面で最高に達し約0℃となる。低緯度では、零下70℃前後の圏界面を越えると気温は上昇傾向に転じる。

　このような温度構造は、地表近くでときにみられる逆転層と同様で、いかなる鉛直運動に対しても安定であり、対流はけっしておこらない。対流圏の上にこのような層が存在することは、20世紀初め、気球観測によってみいだされた。発見直後は、成層圏の大気は極度に静穏であり、そのため空気の各成分気体は比重の差によって分離し、重さの順に層をなしていると想像され、成層圏の名が与えられた。実際にはこのような重さによる成分分離はおこっていないが、上下の混合が強くないので、オゾン層、エーロゾル層のような層状構造ができやすい。

　成層圏にはオゾン層が存在する。日射中の紫外線により酸素が光解離することから始まる一連の反応によってつくられたもので、高度15ないし25キロメートルに最大濃度をもつ。このオゾン層によって生物に有害な紫外線が吸収される。また、吸収された紫外線は熱となって成層圏界面の高温をつくり、成層圏の大循環を駆動する。

　成層圏は放射平衡の状態にある。すなわち、日射の吸収と熱放射の吸収・放出がバランスして一定の気温を保っている。下部成層圏では、地表や対流圏大気の発する熱放射の吸収と成層圏大気自体の熱放射による損失とで均衡が保たれ、上部成層圏では、太陽紫外線の吸収と熱放射とでバランスが保たれている。

［松野太郎］

成層圏オゾン層の破壊

酸素が紫外線で光解離することから始まる一連の反応で成層圏中にはオゾンO₃が生まれ、同時に破壊する反応もあるので、両者がバランスするところで一定の濃度を保っている。ところが1970年代以降、人工物質であるフロン（塩素、フッ素、炭素の化合物で冷凍機の冷媒、スプレーなどに使用）が大気中に蓄積されて濃度が高まり、成層圏上部で強い紫外線を受けて塩素を放出し、それが原因となってオゾン分解反応が促進されてオゾンの減少を引き起こした。1974年に理論的に予言されていたものが、1985年に南極オゾンホールとなって現われ有害な紫外線の増加が心配された。世界の研究者の警告によって、1987年にフロン製造を規制するモントリオール議定書がつくられ、さらに1990年代には製造を全面的に禁止することが決まった。以後1990年代末にオゾン破壊は最大となり、その後横ばいからゆっくり回復に向っている。

［松野太郎］

成層圏の変動現象

成層圏大気は放射平衡の状態にあるので、成層圏（とくに上部）の気温は、日射量の大きい夏に高く、冬に低い。1日積算した日射量は、夏季には日の沈まない極で最大となるので、20キロメートル以上の気温の緯度分布は夏の極で最高であり、そこから赤道へ向けて低くなり、さらに冬半球の極で最低となる。このような気温の大きな季節変化に対応して、大気の大循環（大気環流）も著しい変化を示す。すなわち、夏季は半球全域にわたって東風であるが、冬季は全域が西風となる。とくに日射のない極域は著しい低温となり、その周辺（緯度60度近辺）に沿って強い西風の極夜ジェットが吹く。

　成層圏には、対流圏でみられる温帯低気圧、前線、台風のような現象はない。しかし、これらよりはるかにスケールの大きい、地球的規模の高・低気圧であるプラネタリー波が存在する。対流圏で、大陸と海洋の温度差による熱的効果や、チベット山塊、ロッキー山脈などの障害物効果によってつくられた地球規模の高・低気圧が上方に伝わっていったものである。プラネタリー波は、西風の中でのみ伝わる冬季に特有の現象である。プラネタリー波のため西風は蛇行し、時間的にも変動する。アリューシャン列島上空は高気圧になることが多く、その南西辺に位置する日本上空の成層圏は、局所的に東風が吹くことが多い。夏季には擾乱(じょうらん)が少なく、安定した東風が吹いている。

　冬季、高緯度地方で気温が1週間の間に40K（ケルビン）も上昇する現象があり、成層圏突然昇温とよばれている。極域での気温は、夏季の最高温度をもしのぐほどである。プラネタリー波が一時的に強まった結果、冬季の大循環を破壊してしまうもので、昇温時には、冬季であるにもかかわらず高緯度のほうが赤道より高温となり、また極夜ジェット（西風）が消失して、一時的に東風が吹く。プラネタリー波が原因であるから、それをつくる大陸海洋分布や大規模山岳のあまり顕著でない南半球では、突然昇温はおこらない。

　赤道域成層圏では、圏界面上から高度40キロメートルぐらいにわたって、西風と東風がほぼ1年おきに交代して現れ、準二年周期振動とよばれている。この現象は、対流圏から伝わる波動が運動量を輸送するために生じる。

［松野太郎］

海洋における成層圏

大気における対流圏、成層圏の概念を受け、1928年オーストリアのデファントは、海洋中においてもこのような両圏のあることを指摘した。海洋の場合、成層圏は密度の成層の著しい中層水、深層水および底層水を含む冷水圏をいう。季節、海域により成層圏の始まる深さは一定でないが、一般に数百メートルである。海洋の成層圏では風によっておこされる黒潮のような強い流れはないが、水平、鉛直に一様な水がゆっくり広がり、とどまることにより水塊の生成が行われている。現在、海洋学ではこの用語はほとんど使われなくなっている。

［半澤正男・松野太郎］

『松野太郎・島崎達夫著『大気科学講座3　成層圏と中間圏の大気』（1981・東京大学出版会）』▽『島崎達夫著『成層圏オゾン』（1989・東京大学出版会）』▽『関口理郎著『成層圏オゾンが生物を守る』（2001・成山堂書店）』

[参照項目] | オゾン | オゾン層 | オゾンホール | 海洋深層水 | 気球観測 | 逆転層 | ジェット気流 | 紫外線 | 大気 | 大気環流 | 対流圏 | 中間圏 | デファント | 突然昇温 | 標準大気 | フロン

成層圏における気温と東西風速の子午断面分布
左に夏季、右に冬季の状態を示してある。青色は風速、赤色は温度（単位はK）。高度20km以下では、季節によらず両極が低温で赤道域が高温であるが、それ以上では夏極が最高、冬極が最低である。Eは東風、Wは西風の中心で負の風速は東風を示す©Shogakukan">

成層圏における気温と東西風速の子午断面…

海洋における成層圏

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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