地球温暖化とはどんな問題か
第2回 2018年5月15日

大気・水圏のエネルギー収支を変える要因: 温室効果と日傘効果

グローバルな気候の変化を、原因のほうから考える

気候システムのエネルギー総量が増減すれば、グローバルな気候が変化するだろう。 気候システムのもつエネルギーの大部分は内部エネルギーだから、 エネルギーがふえれば温度が上がる、エネルギーが減れば温度が下がると考えてよいだろう。 気候システムのエネルギー総量が変化しなくても、グローバルな気候が変化することはありうる。 しかし、それは、ひとまずたなあげにしておこう。

気候システムの下(地球の中心に近い側)には、固体地球がある。 固体地球から気候システムへのエネルギー供給(地殻熱流量)は、たしかにある。 ローカルに、とくに火山・温泉地帯では、無視できない。 しかし、全球平均すると、0.1 W/m2程度であり、 太陽からくる放射の気候システムによる吸収(地表面の面積あたり 240 W/m2)に くらべてじゅうぶん小さいので、無視できる。 (教材ページ[地球表層のエネルギー収支の主要な項]参照。)

また、産業革命以後は、人間活動によるエネルギー変換によって、 いわゆる人工廃熱が、気候システムへのエネルギー源となっているはずである。 しかしこれも、ローカルには無視できないが、全球平均では地殻熱流量よりもさらに小さい (教材ページ[人工廃熱]参照。)

そこで、気候システムのエネルギー収支は、 収入として、太陽からくる放射の吸収、 支出として、地球(地表面と大気を含む)から宇宙空間への放射の射出だけを考えればよい。

エネルギー収支を変化させる要因のうち、 気候システムの外に由来するものは、気候システムにとって強制作用(forcing)として働く。 気候システム内に由来するものは、フィードバック(feedback)として働く。

大気・海・陸はどのように放射にかかわるか? 太陽放射にとっては、吸収、散乱がある。 層でまとめてみると、散乱の結果は反射と透過になる。 地球放射にとっては、吸収、射出がある。 [気象にかかわる放射伝達のプロセス] のページ参照。

エネルギー収支を変化させる要因を列挙して検討する。 フィードバックになるものを「[fb]」として示す。 雲とエーロゾルは太陽放射・地球放射の両方にきく。

温室効果、温室効果の強化がどのように気候を変化させるか

温室効果の基本 ← 図はこのページ、参考文献はそこからのリンク先を参照

大気中の何が放射吸収・射出の働きをするのか?

分子の振動・回転のエネルギーレベルが、 光子のエネルギーレベルと一致するとき吸収・射出が起こる。 光子のエネルギーレベルは、振動数に比例する (波長の逆数にも比例する)。

単原子分子や対称な2原子分子は、熱赤外線に対応する振動数の固有モードをもたない。 したがって、地球大気の主成分 N2、O2、Ar は有効でない。

非対称な2原子分子(たとえば CO )はいくらかきくが、 重要なのは、3原子以上の分子である。 地球大気中で重要なのは、H2O、CO2、O3、 CH4、N2O、クロロフルオロカーボン(フロン)を含むハロカーボン類などである。

雲(H2Oを主成分とする液体・固体の微粒子)、 エーロゾル(その他の液体・固体の微粒子)も、赤外線を吸収・射出する (黒体に近い)。

大気の温室効果 (簡単化した放射平衡の場合)

気候システムを、0次元(空間的不均一を無視)、定常(時間変化を無視)で考える。

大気を、「太陽放射に対しては透明、地球放射に対しては黒体と同様」な ガラス板のようなもので近似する。

大気がない(しかし昼と夜の温度をまぜるしくみはある)場合の 気候システムの温度が「地球の有効放射温度」である。 その値は約 255 K (約 -18℃)、ただし現在の「太陽定数」と地球の反射率を与えた場合。

ガラス板1枚の大気を考えると、放射のエネルギー収支がつりあっていることから、 大気の温度が地球の有効放射温度になり、 地表面の温度は(Kelvin単位で)その「2の4乗根」倍、つまり約1.2倍になる。

ガラス板を n 枚にすると、地表面の温度は有効放射温度の 「(n+1)の4乗根」倍になる。

このように、地球放射の吸収・射出物質が多いほど、地表面温度は高くなる。 このことを「温室効果」という。

ただし、現実に農業に使われているガラスの温室には、ここでいう温室効果がないわけではないが、 むしろ、風をさえぎること(エネルギー収支の観点からは乱流熱輸送を変えること)が 重要らしい。温室の効果は必ずしも温室効果ではない。

大気の鉛直温度分布の理論計算 [Manabe and Strickler 1964年]

温室効果の定量的評価は、0次元モデルではあまりうまくいかず、 鉛直1次元モデルまたは3次元モデルが必要だった。 両者の結果が基本的に一致したことによって、定量的評価への確信度が高まった。 日本で博士課程を出たあとアメリカ合衆国で仕事をした真鍋 淑郎 氏は、 鉛直1次元モデルと3次元モデルの両方で重要な仕事をした。 ここでは鉛直1次元モデルの仕事を紹介する。

水平方向には全球平均を考え、鉛直方向は9層または18層に区切り、 各層の温度がエネルギー収支で決まると考える。 エネルギーを変える要因として、まず放射だけを考える。 季節変化はないとし、年平均の太陽放射を与える。 勝手な(現実的でない)鉛直温度分布から始めても、 モデル中の300日ぐらいで、気温の鉛直分布は定常状態に達し、 結果には対流圏・成層圏に対応するものが見られる。

ただし、対流圏にあたるところの鉛直温度勾配が大きすぎる。 現実には対流が鉛直にエネルギーを運んでいる。 そこで、対流の効果を、 鉛直温度勾配が一定値(6.5 K/km)よりも大きいところはその一定値になるように修正する形で 入れてやった。 すると、現実的な対流圏・成層圏の鉛直温度分布が得られた。

CO2濃度の気温への効果 [Manabe and Wetherald 1967年]

大気成分を変えて、鉛直1次元モデルの定常状態の鉛直温度分布がどう変わるかを調べる。

大気成分のうち水蒸気は、海からの供給が可能なので、温度が高いほど多くなるだろう。 ここでは、「相対湿度一定」、 つまり「水蒸気量は温度によって決まる飽和水蒸気量に比例する」と仮定した。

CO2濃度を、300 ppm (空気分子百万個のうち300個がCO2)を基本として、2倍、2分の1に変えてみた。

CO2が多いほうが、成層圏の気温は低くなる。 成層圏のエネルギー収支の主要項は、オゾンによる紫外線吸収と、CO2による熱赤外線射出なので、 CO2が多いほうが、エネルギーが出ていく効率が高くなるのは、当然である。

CO2が多いほうが、対流圏と地表の温度は高くなる。 このときの計算条件では、CO2濃度倍増に対して、地上気温の上昇は 2.3 K だった。

なお、水蒸気量固定だと、CO2濃度倍増に対する応答は、この約半分である。 水蒸気の温室効果は正のフィードバックとして働き、気候システムの感度を高めている。

ManabeとWetheraldは1975年に、3次元モデルで、 CO2濃度を変えたシミュレーションの結果を報告した。 CO2濃度倍増に対して、全球平均地上気温の上昇は 2.9 K だった。 鉛直1次元モデルの結果と、大筋では同じになった。 差は微妙だが、 この3次元モデルでは積雪や海氷が変化しうるようにしたので、 雪氷の太陽放射反射の効果が正のフィードバックとしていくらかきいているだろう。

放射対流平衡を前提とした温室効果の説明

気候変化が、準定常状態がゆっくり変わっていくことであるのを前提として、 CO2濃度が高いと地上気温が高くなることを、 真鍋は1980年代の講義や1985年に出版された解説で、次のように説明した。

対流圏では、高いところほど気温が低い。鉛直温度勾配は一定、 つまり、地上気温の変化と対流圏の気温の変化は同じ、と近似できる。

宇宙空間に出ていく地球放射は、 実際は地表面や雲頂やいろいろな高さの空気から出ていくものの混合だが、 ひとつの高さの気温の黒体放射で代表できると仮定しよう。 そして、初期状態で、この放射が、地球が吸収する太陽放射とつりあっていたとしよう。 (この高さの気温が、地球の有効放射温度に一致するはずである。)

大気中の赤外線吸収・射出物質がふえることは、 赤外線の目で見て、大気がより不透明になることだから、 宇宙空間に出ていく赤外線の代表高さは、外に近いところ、つまり高いところに移る。 そこの気温は、初期状態で赤外線を出していた高さの気温よりも低いので、 出て行く地球放射は、地球が吸収する太陽放射よりも少ない。 地球の放射収支は収入過剰になり、気候システムのもつエネルギーはふえていき、 温度は上昇していく。

そして、新しい代表高さの気温が地球の有効放射温度に一致するまであたたまると、 地球の放射収支はつりあい、気候システムは新しい定常状態に達する。 このとき、地上気温は初期状態よりも高くなっている。

温室効果が強まることは、 同じ地上気温に対して、宇宙空間に地球放射を出す効率が下がることにあたっている。 「ふろおけモデル」にたとえれば、これは、水の出口が つまりぎみになることにあたる。

そのほかの要因

太陽活動

太陽の黒点は約11年周期で変動している。 太陽が出す放射エネルギーの総量の変化は、1978年以後について人工衛星で観測されている。 黒点周期に伴う変化はあるが、太陽放射自体の千分の1のけたである。

17世紀には太陽黒点がほとんど見られない時期もあり、 のちの研究者の名をとって「マウンダー極小期」と呼ばれている。 この時期の太陽放射が、11年周期の極小期と同程度だったか、 もっと弱かったかは、まだよくわからない。

太陽放射のうち紫外線部分の相対変化は、総量の変化よりも激しい。 紫外線部分の変化が、成層圏の気温に影響を与え、 大気の力学を通じて間接的に対流圏の気温などに影響を与える可能性はある。

太陽活動が雲に影響をおよぼすしくみもいくつか提唱されている。 定性的にはありうるしくみだが、定量的重要性はまだあきらかでない。

エーロゾルのはたらき

エーロゾルのはたらきには、太陽放射の散乱・吸収と、温室効果がある。

硫酸液滴のような白いエーロゾルは、太陽放射をあまり吸収しない (近赤外部分の吸収はあり、エーロゾルの存在する層の温度を上げるようにはたらく)。 散乱の効果によって、地表に達する直達日射を大きく減らし、散乱日射はふえるが、 合計の全天日射もいくらか減らす。 この散乱は、気候システム全体の太陽放射反射率をふやし、 気候システムを寒冷化させるように働く。

すす のような黒いエーロゾルは、太陽放射を吸収する。 エーロゾルの存在する層の温度を上げるように働く。 しかし、地表に達する太陽放射は減る。 気候システム全体のエネルギー収支に対しては、収入をふやすほうに働くだろうが、 その空間的分配は変わる。

エーロゾルの空間分布は、気体成分に比べて不均一性が強い。

エーロゾルのうち、全球規模に影響をおよぼすことが知られているのは、 火山噴火によって成層圏まで吹き上げられた二酸化硫黄(SO2)が 大気中で反応してできた硫酸(H2SO4)液滴である。 これは成層圏に1〜2年間滞在し、地表に達する太陽放射を減らす働きがある。 とくに、低緯度の噴火の場合、両半球に影響がおよぶ。

人間活動起源のエーロゾルのうちで、全球規模の影響の観点でいちばん重要なのは、 石炭・石油などの硫黄分の燃焼による硫酸液滴のようである。 1960〜80年代に北半球対流圏の広域に広がり、 その後は大気汚染規制が進んだので、減ってきたようである。

気温から何かをへて気温にもどってくる正と負のフィードバック

気候システムの中のいろいろなフィードバック ← このページを参照

人間活動起源の温室効果の強化

CO2濃度の増加 ... 主要原因は化石燃料の燃焼。

CH4濃度の増加 ... 原因の切り分けは不充分だが、 人間活動の寄与(化石燃料の漏れ出し、水田、牛、ダム湖の埋没有機物など)があるだろう。

N2O濃度の増加 ... 原因の切り分けは不充分だが、 人間活動の寄与(窒素肥料、燃焼に伴う窒素酸化物生成)があるだろう。

数量はIPCC報告書による。IPCCについては第3回に説明する。

(きょうの話題全般の参考)


今後の講義で扱う話題について

「地球温暖化に伴って、魚にはどんな変化が生じるか?」を扱ってほしいという希望があった。 これはわたしの専門ではないが、専門家が論じていることを、第3回か第4回に、紹介する。 今のところ次の本を参考にする予定。

ほかにもご希望があれば、第2回(5月15日)に出してください。


更新 (最新) 2018-05-30
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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