熱圏

熱圏（ねつけん、英語: thermosphere）

熱圏は、地球を取り巻く大気の層のうち、中間圏のさらに外側に位置する領域を指します。下限は高度約80キロメートルにある中間圏界面で、その上空の外気圏との境目が熱圏界面と呼ばれます。この名称は、ギリシャ語で「熱」を意味する「thermo」に由来しています。

熱圏の最も際立った特徴は、その非常に高い温度です。これは、太陽から放射される短い波長の紫外線やX線といった電磁波、あるいは地球の磁力線に捕捉され加速された高エネルギーの電子などが、この層の大気分子に吸収されることによって引き起こされます。吸収されたエネルギーは分子の運動エネルギーとなり、その結果、温度は摂氏2000度に達することもあります。しかし、ここで言う「温度」とは、個々の分子が持つ平均的な運動エネルギーによって定義される概念です。熱圏は高度が非常に高いため、大気密度は地表と比べて極めて低い状態です。分子がまばらにしか存在しないため、たとえこの領域に到達したとしても、分子との衝突頻度が少なく、実際に身体が感じる熱量、つまり「熱さ」はごくわずかであるとされています。

熱圏はまた、地球の 電離層 が存在する主要な領域でもあります。太陽からの強力な電磁波や高エネルギー粒子は、熱圏の大気分子や原子から電子を剥ぎ取り、電離状態を作り出します。この電離したイオンと電子が集まって層を形成しており、これが電離層として知られています。電離層は短波帯の電波を反射するなど、地球上の無線通信に不可欠な役割を果たしています。熱圏内には、高度によってE層、F1層、F2層といった複数の電離層の構造が見られます。特にF1層とF2層は、夜間には結合してF層として観測されます。季節や時間帯によっては、突発的に高密度の電離雲が出現するスポラディックE層が現れることもあります。

熱圏におけるもう一つの壮麗な現象は オーロラ です。主に地球の磁極に近い高緯度地域で観測されるオーロラは、太陽から放出されたプラズマ粒子（太陽風）が地球の磁場に導かれて熱圏に突入し、そこに存在する酸素原子や窒素分子などと衝突することで発生します。衝突によりエネルギーを受け取った大気分子や原子は励起されたり電離したりし、元の状態に戻る際に特定の波長の光を放ちます。この光が帯状やカーテン状に見えるのがオーロラです。

大気圏の下層、中間圏より下では、大気は活発な対流や乱流によってよく混合され、主要な気体成分の比率はほぼ均一です。しかし、熱圏のように大気密度が極端に低い領域では、分子間の衝突が少なくなり、重力による影響が相対的に大きくなります。このため、分子量の違いによって大気成分が垂直方向に分離する 拡散分離 と呼ばれる現象が起こります。その結果、下部（約80〜100キロメートル）では分子量の大きい窒素分子（N₂）が主成分ですが、高度が高くなるにつれて分子量の小さな成分が優位になります。例えば、約170キロメートルより上空では酸素原子（O）が支配的になり、さらに高度が約1000キロメートルに達する頃には、非常に軽いヘリウム（He）が主要な構成要素となります。

国際航空連盟（FAI）が定めた高度100キロメートルは、大気圏と宇宙空間を分ける境界線 カーマン・ライン として広く認識されています。この高度は熱圏の下部に位置しており、カーマン・ラインより上を宇宙空間と扱うほど、熱圏、特に上層部は極めて気体分子が希薄な環境です。人工衛星の軌道分類において「低軌道」とされる高度のうち、比較的低い衛星軌道はこの熱圏内に設定されています。微弱ながら存在する大気抵抗は、これらの衛星の運用や寿命に影響を与える要因となります。

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