大気はどこにあるの？

大気って、どこまであるの？

　私たちの地球のまわりには大気があり、窒素が８割、酸素が２割でできています。私たちはふだん、この大気の重さを感じることはありませんが、大気にも重さがあります。地面にどれだけの大気の重さがかかっているかを、圧力で考えたものが、天気予報で耳にする「大気圧（気圧）」です。

現在の地球と同じ量の大気が立方体地球の上に積もったとしたら、気圧の分布はどうなるでしょうか。

　現実の地球では、海面と同じ高さの地表面にはどこでも、同じ量の大気が積もっています。その結果、地球表面のどこでも、海面気圧は１気圧に近くなります。つまり、地球表面のほとんどが生存可能な地域になります。地球表面のどこでも人が住むことができ、自由に世界旅行ができるのです。

　私たちは、大気圏の中にいるので、どのくらいの分量の大気が地表面に積もっているか、感じることはできません。登山をすると、次第に気圧が下がっていきます。高いところに行けば行くほど、上に積もっている大気が少なくなるからです。つまり、大気圧は高さとともに減少していきます。高度100 kmまで上昇すると、気圧は地表面の百万分の１ほどになり、科学者はそこを大気圏の限界と考えています。大気圏の厚さは、ほぼ100 km ということです（図1）。

海面の大気圧を計算してみよう

海面高度にある１cm²の面積の上に積もった大気はどの程度の重さになるでしょうか。

肉や野菜を量りに乗せて重さを量るのと同じような方法で、大気の重さを量ることはできません。しかし、大気の重さは、１ cm² の面積の上にある水銀柱76cm の重さと等しいことが知られています。水銀の密度は、13.6 g/cm³ です。断面積が１ cm²で長さ76 cmの水銀の柱の重さは、

13.6 g/cm³ × 76 cm ＝ 1033.6 g/cm²

です。すなわち、海面と同じ高さにある１ cm² の面積の地表面の上には、約1 kg の空気が積もっているのです。地球全体の空気の重さMは、

M ＝ 5.1×10¹⁸ kg

という計算になります。
※　10の右肩についている数字は、「10を何回かけるか」という意味を示しています。たとえば、10000＝10×10×10×10 となり、10を4回掛け合わせているので、10⁴と表します。これを「累乗」といいます。こうすると、桁の大きな数も簡単に表すことができます。

では、立方体の地球を考えましょう。同じ量の大気が、立方体の各面に同じだけ存在しているとします。立方体は面が６つありますから、ひとつの面には、

M/6 ＝ 0.85×10¹⁸ kg

の大気が積もることになります。

大気は、立方体地球の上に、ほぼ球状に積もります。重力の大きさは、地球の中心と、引きつけられる物体の距離によって決まります。同じ重力の大きさがはたらく面は、“地球の中心”を中心とする、同心球面になります。大気も重力によって地球に引きつけられているので、空気の量が少ないときは、立方体の中心分だけに「こんもりと盛り上がって」空気が存在することになります（図２（A））。大気は、正方形の中心部に、凸レンズ状に積もることになります。大気の量が多い場合は、立方体全体をおおいつくすでしょう（図２（B））。