大気物理学

第1回小レポート課題

出題2010年10月26日。ただし11月2日の授業のとき補足します。 回答期限は11月16日の授業のときまでとします。 (他の実習などで出席できない場合はそれが終わりしだいの回でもよいとします。) レポートの分量はA4判1--2ページ程度とします。

次のような仮想的な実験についてレポートしてください。

これは精密な実験ではなく、中学校くらいでできるものです。 いわば「太陽定数にせまる」ものですが、 実際にわかるのは地上に到達する太陽放射のエネルギー量です。

【わたしはこの実験について、たしか気象学会主催の講習会で、 当時横浜国大の会田勝先生から教わりました。 もっとも、わたしにとってはそれが初めてではなく、 ほぼ同じものを、中学か高校の生徒として経験していました。】

密閉できる容器を水で満たし、 容器の上側の面を太陽からくる光に垂直に向けます。 容器には水の温度をはかるように温度計がつけられています。 実験を始めたときから時間を追って時刻と温度を記録していきます。 この測定値をもとに、装置が受け取った太陽光のエネルギー量を知り、 太陽光に垂直な面の単位面積(1平方メートル)あたりに単位時間(1秒)に届く エネルギー量に換算しよう、というものです。

その容器は黒く塗ってありました。 上側は透明で底が黒く塗ってあったかもしれません。 考えてみると、可視光だけでなく、 近赤外線(波長約0.8から3μm)に対しても黒いものであるべきです。 紫外線は地上にはほとんど届きませんのでその波長帯の吸収率は気にしなくてよいでしょう。

また、その容器の太陽に向ける面以外を覆うように、 発泡スチロールを使っていました。 この目的は断熱(熱伝導や空気の対流による熱輸送を小さくすること。 熱力学用語の断熱ではない)にちがいありません。

(1)

まず、話を簡単にするために、次のように理想化してみます。

屋上または屋外に置かれた卓上で実験できる 装置の大きさ(上面の面積、水の体積)を具体的に仮定し、 上の理想的な条件のもとで、 水の温度がどのように上がっていくかを計算してみてください。 実験にかける時間は1--2時間を想定します。

(2)

現実には、上の理想の状況との違いが生じます。 違いを生じる原因を列挙したうえで、 避けられない違いがある場合はそのことを、 実験方法をくふうすることで違いを小さくできる場合はその方法を、 自然条件によって変わる場合はどのような状況で違いが小さくなるかを 述べてください。 定性的記述でかまいませんが、 もし定量的に述べられる場合はそれを試みてください。


2010-10-26 (授業後)
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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